地鐵直流牽引供電系統(tǒng)電流變化率保護(hù)研究

陸渭歧

摘 要：直流牽引供電保護(hù)系統(tǒng)的主保護(hù)采用結(jié)合電流上升率保護(hù)（），電流增量保護(hù)（）和延時(shí)時(shí)間（）的方法，是一種反應(yīng)電流變化趨勢(shì)的保護(hù)，本文主要研究基于電流變化率的直流牽引供電系統(tǒng)保護(hù)，并通過仿真運(yùn)算，分析常用電流變化率保護(hù)存在的問題、故障原因及不足之處。

關(guān)鍵詞：地鐵 直流牽引供電系統(tǒng) 電流變化率 保護(hù)

中圖分類號(hào)：TM58811；U22318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）05（b）-0109-04

我過正處于經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的時(shí)代，但是，各城市的交通問題逐漸凸現(xiàn)出來，要解決這個(gè)問題，就應(yīng)該加大城市軌道交通的建設(shè)。城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)是其重要組成部分，直流牽引供電系統(tǒng)的控制與保護(hù)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，為地鐵的穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮著極其重要的作用。

1 直流牽引供電一次系統(tǒng)

城市軌道交通牽引供電直流一次系統(tǒng)如圖1所示，它的組成部分包括變直流開關(guān)設(shè)備、電所內(nèi)牽引整流機(jī)組、鋼軌電位限制裝置、接觸網(wǎng)系統(tǒng)、排流柜等。牽引變電所能夠把軌道交通供電系統(tǒng)的35 kV交流電壓通過降壓變?yōu)橹绷?500 V，然后通過接觸網(wǎng)系統(tǒng)向機(jī)車供電。

2 電流變化率保護(hù)

電流變化率保護(hù)作為地鐵牽引供電系統(tǒng)保護(hù)的主保護(hù)之一，綜合利用了電流上升率保護(hù)和電流增量保護(hù)的動(dòng)作特性，既能克服單獨(dú)使用電流上升率保護(hù)時(shí)易受干擾發(fā)生誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，又克服了單獨(dú)使用電流增量保護(hù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)的缺點(diǎn)。該保護(hù)由延時(shí)跳閘和瞬時(shí)跳閘兩部分組成，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，先達(dá)到動(dòng)作整定條件的保護(hù)方式優(yōu)先發(fā)出命令使斷路器跳開。瞬時(shí)跳閘主要用于迅速切除牽引供電網(wǎng)中短路電流較大的近端短路故障，延時(shí)跳閘主要用于將機(jī)車起動(dòng)電流和較小的短路故障電流區(qū)分開來，并保證及時(shí)切除線路中遠(yuǎn)端短路故障。

2. 1 保護(hù)原理

電流增量保護(hù)就是當(dāng)短路故障電流，還沒有達(dá)到最大值時(shí)，就能判斷出電路故障，并采取相應(yīng)措施使斷路器跳閘，避免造成更大的損失。其原理圖如圖2所示，一旦發(fā)生短路情況，短路電流的增量很大，超過了延遲時(shí)間時(shí)，短路故障將會(huì)被電流增量保護(hù)所切除。但是，如果在較長(zhǎng)線路的中遠(yuǎn)段發(fā)生短路故障，短路電路不會(huì)一時(shí)間增量很大，所以電流增量保護(hù)在這種狀態(tài)下發(fā)生拒動(dòng)，失去對(duì)電路的保護(hù)。

電流上升率保護(hù)：當(dāng)短路故障發(fā)生于線路中遠(yuǎn)端時(shí)，這時(shí)線路短路電流上升率較小，有可能會(huì)低于列車起動(dòng)時(shí)的初始起動(dòng)電流的電流上升率，此時(shí)會(huì)受到系統(tǒng)對(duì)它的監(jiān)測(cè)，經(jīng)過延時(shí)時(shí)間之后，判斷短路故障是否應(yīng)該切除。動(dòng)作原理圖3所示，其優(yōu)點(diǎn)為保護(hù)的線路范圍較大，但抗干擾能力比較弱。

2.2 保護(hù)動(dòng)作特性

（1）在機(jī)車運(yùn)行過程中，電流變化率保護(hù)裝置會(huì)不停地檢測(cè)饋線電流大小及其上升率，當(dāng)檢測(cè)到電流上升率大于瞬時(shí)跳閘的整定值時(shí)，又電流增量達(dá)到瞬時(shí)跳閘的動(dòng)作整定值，保護(hù)裝置將無延時(shí)立刻跳閘。

（2）當(dāng)電流變化率保護(hù)裝置檢測(cè)到的電流上升率大于延時(shí)跳閘的整定值，但小于延時(shí)跳閘時(shí)，保護(hù)仍會(huì)啟動(dòng)，但是進(jìn)入延時(shí)階段，如若在延遲時(shí)間內(nèi)，電流增量超過了延時(shí)保護(hù)的動(dòng)作整定值時(shí)，斷路器就會(huì)跳閘；如若在延時(shí)時(shí)間內(nèi)，電流上升率持續(xù)大于保護(hù)返回整定值，斷路器仍會(huì)跳閘。

2.3 整定值設(shè)定原則

（1）瞬時(shí)跳閘保護(hù)的起動(dòng)電流上升率的整定值需大于機(jī)車起動(dòng)電流的上升率；延時(shí)跳閘保護(hù)的起動(dòng)電流上升率的整定值需小于線路終端短路時(shí)最大的短路電流的上升率。

（2）瞬時(shí)跳閘保護(hù)動(dòng)作的電流增量的整定值需大于機(jī)車起動(dòng)時(shí)的電流增量值，延時(shí)跳閘保護(hù)動(dòng)作的電流增量的整定值需大于在時(shí)間內(nèi)線路終端短路電流的增量。

（3）電流增量延時(shí)跳閘的時(shí)間應(yīng)大于機(jī)車起動(dòng)時(shí)的電流上升率持續(xù)時(shí)間。

2.4 保護(hù)實(shí)現(xiàn)

為方便計(jì)算電流增量和電流上升率，需對(duì)測(cè)量電流進(jìn)行采樣，采樣的間隔設(shè)為，因此可得到采樣值：、、、…、、。一般采用3點(diǎn)或5點(diǎn)采樣值來計(jì)算電流上升率，其中采用3點(diǎn)采樣值計(jì)算公式為：

（1）若時(shí)，瞬時(shí)跳閘動(dòng)作，以此刻的電流采樣值設(shè)為基準(zhǔn)值，計(jì)算電流增量，若，則視為故障，保護(hù)動(dòng)作跳閘。然后進(jìn)入重合閘，否則回到主程序。其處理流程如圖4所示。

（2）若不大于，延時(shí)跳閘動(dòng)作，并計(jì)算到達(dá)延時(shí)時(shí)的電流增量，若，則視為故障，保護(hù)動(dòng)作跳閘，然后進(jìn)入重合閘，否則回到主程序。另外，還需計(jì)算到達(dá)延時(shí)時(shí)的電流上升率，若，仍視為故障，保護(hù)動(dòng)作跳閘。其處理流程如圖5所示。

3 常用保護(hù)存在的問題

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通運(yùn)輸壓力持續(xù)增大，因此不得不增加列車運(yùn)行的密度，這樣就會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)在同一供電區(qū)間內(nèi)多輛機(jī)車同時(shí)起動(dòng)的現(xiàn)象，會(huì)造成機(jī)車起動(dòng)時(shí)的電流增大，趨近于遠(yuǎn)端短路故障時(shí)的電流大小，保護(hù)就會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)。而當(dāng)出現(xiàn)非金屬性短路故障時(shí)，短路電流又會(huì)減小，趨近于機(jī)車起動(dòng)時(shí)的電流大小，保護(hù)就會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)。

3.1 多機(jī)車同時(shí)起動(dòng)

為了防止在同一供電區(qū)間內(nèi)多輛機(jī)車同時(shí)起動(dòng)而導(dǎo)致電流變化率保護(hù)裝置發(fā)生誤動(dòng)作的情況，電流上升率保護(hù)需要提高整定值和，時(shí)間整定值也需相應(yīng)變化。保護(hù)裝置這樣設(shè)置整定值依舊能夠正確區(qū)別機(jī)車起動(dòng)電流與金屬性短路故障電流。但是，對(duì)于經(jīng)大電阻接地的故障，保護(hù)裝置還是會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)。

3.2 小電流短路故障

當(dāng)故障點(diǎn)距離牽引變電所較遠(yuǎn)或發(fā)生非金屬性短路故障而引起過渡電阻增大的情況，這導(dǎo)致故障電流的穩(wěn)定值相對(duì)較小，電流變化率也會(huì)較小并會(huì)迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，為保護(hù)這種故障，保護(hù)需要降低保護(hù)定值和的大小，時(shí)間定值也需要對(duì)應(yīng)發(fā)生變化。電流變化率保護(hù)裝置的整定值這樣設(shè)置可以避免與正常的機(jī)車起動(dòng)電流相交叉，但如果發(fā)生多輛機(jī)車在同一供電區(qū)間同時(shí)起動(dòng)的情況，機(jī)車起動(dòng)電流必然會(huì)增大，起動(dòng)電流的大小將更加趨近于故障電流，起動(dòng)電流的增大也會(huì)導(dǎo)致電流變化率增大，保護(hù)裝置會(huì)因此而誤動(dòng)。如圖6，兩輛機(jī)車同一供電區(qū)間同時(shí)起動(dòng)，仿真結(jié)果如表1所示。endprint

4 結(jié)語

由圖7和圖8可見，在此情況下，機(jī)車的起動(dòng)電流和短路電流的幅值與上升率都非常接近，同一供電區(qū)間內(nèi)兩輛機(jī)車靠近牽引變電所或同時(shí)起動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致保護(hù)裝置發(fā)生誤動(dòng)，此時(shí)電流變化率保護(hù)必須要提高整定定值和以及時(shí)間定值，導(dǎo)致當(dāng)線路末端發(fā)生短路故障時(shí)保護(hù)裝置會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)。反之，為了保護(hù)這類故障，不得不降低電流變化率保護(hù)的保護(hù)整定值和，保護(hù)裝置又會(huì)發(fā)生誤動(dòng)。因此和綜合保護(hù)可以正確區(qū)分一般情況下機(jī)車起動(dòng)電流和遠(yuǎn)端短路故障電流，但是對(duì)于機(jī)車運(yùn)行時(shí)的特殊情況和一些非金屬性短路故障不能有效區(qū)別，并不能完全滿足當(dāng)今城市軌道交通發(fā)展的需要。因此，正確區(qū)分遠(yuǎn)端短路故障電流與機(jī)車起動(dòng)電流仍舊是繼電保護(hù)的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王艇.地鐵直流牽引供電保護(hù)技術(shù)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D].江蘇大學(xué)，2006.

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[6] Brown J C，Allan J，Mellitt B. Calculation and measurement of rail impedances applicable to remote short circuit fault currents[C]//IEE Proceedings B（Electric Power Applications）. IET Digital Library，1992，139（4）： 295-302.endprint

4 結(jié)語

由圖7和圖8可見，在此情況下，機(jī)車的起動(dòng)電流和短路電流的幅值與上升率都非常接近，同一供電區(qū)間內(nèi)兩輛機(jī)車靠近牽引變電所或同時(shí)起動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致保護(hù)裝置發(fā)生誤動(dòng)，此時(shí)電流變化率保護(hù)必須要提高整定定值和以及時(shí)間定值，導(dǎo)致當(dāng)線路末端發(fā)生短路故障時(shí)保護(hù)裝置會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)。反之，為了保護(hù)這類故障，不得不降低電流變化率保護(hù)的保護(hù)整定值和，保護(hù)裝置又會(huì)發(fā)生誤動(dòng)。因此和綜合保護(hù)可以正確區(qū)分一般情況下機(jī)車起動(dòng)電流和遠(yuǎn)端短路故障電流，但是對(duì)于機(jī)車運(yùn)行時(shí)的特殊情況和一些非金屬性短路故障不能有效區(qū)別，并不能完全滿足當(dāng)今城市軌道交通發(fā)展的需要。因此，正確區(qū)分遠(yuǎn)端短路故障電流與機(jī)車起動(dòng)電流仍舊是繼電保護(hù)的重點(diǎn)。

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4 結(jié)語

由圖7和圖8可見，在此情況下，機(jī)車的起動(dòng)電流和短路電流的幅值與上升率都非常接近，同一供電區(qū)間內(nèi)兩輛機(jī)車靠近牽引變電所或同時(shí)起動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致保護(hù)裝置發(fā)生誤動(dòng)，此時(shí)電流變化率保護(hù)必須要提高整定定值和以及時(shí)間定值，導(dǎo)致當(dāng)線路末端發(fā)生短路故障時(shí)保護(hù)裝置會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)。反之，為了保護(hù)這類故障，不得不降低電流變化率保護(hù)的保護(hù)整定值和，保護(hù)裝置又會(huì)發(fā)生誤動(dòng)。因此和綜合保護(hù)可以正確區(qū)分一般情況下機(jī)車起動(dòng)電流和遠(yuǎn)端短路故障電流，但是對(duì)于機(jī)車運(yùn)行時(shí)的特殊情況和一些非金屬性短路故障不能有效區(qū)別，并不能完全滿足當(dāng)今城市軌道交通發(fā)展的需要。因此，正確區(qū)分遠(yuǎn)端短路故障電流與機(jī)車起動(dòng)電流仍舊是繼電保護(hù)的重點(diǎn)。

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