地鐵直流牽引供電保護(hù)技術(shù)與系統(tǒng)探究

蘭州市軌道交通有限公司運(yùn)營(yíng)分公司 蘇法生

引言

地鐵運(yùn)營(yíng)對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)有著較高依賴(lài)，主要涵蓋牽引變電所、降壓變電所、架空接觸網(wǎng)等多個(gè)部分。具體原理為發(fā)電廠生產(chǎn)的電能經(jīng)升壓變電所處理后傳輸至高壓輸電網(wǎng)中，再由降壓變電所進(jìn)行降壓處理后，便可實(shí)現(xiàn)將高壓電源從110kV 降壓為35kV 的中壓電源。此時(shí)仍需通過(guò)牽引變電所將中壓電源進(jìn)行二次降壓，形成直流電壓為1500V。在這種情況下，產(chǎn)生的直流電源便能夠輸送至架空接觸網(wǎng)中，經(jīng)受電弓與接觸網(wǎng)相互接觸，便可達(dá)到獲得電能目的。

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的每個(gè)部分都擁有不可替代的作用，如，直流斷路器在直流牽引供電系統(tǒng)中的運(yùn)用主要是起到保護(hù)系統(tǒng)目的，按照功能差異可分為整流斷路器與饋線斷路器兩種類(lèi)型。其中整流斷路器多用于實(shí)時(shí)控制整流側(cè)的直流輸出情況，便于能夠?qū)υO(shè)施進(jìn)行有效保護(hù)。當(dāng)整流器也存在故障問(wèn)題時(shí)，整流斷路器也會(huì)進(jìn)行動(dòng)作，確保所有直流輸出都能被有效切斷。饋線斷路器也是起到充分控制和保護(hù)設(shè)備的作用，只是作用側(cè)不同，也就是在牽引供電時(shí)饋線斷路器以負(fù)責(zé)切斷饋線側(cè)所有故障為主[1]。

1 地鐵直流牽引供電保護(hù)技術(shù)的主要內(nèi)容

1.1 低電壓保護(hù)

低電壓保護(hù)的作用是能夠?yàn)榈罔F直流牽引供電饋線提供充足保護(hù)。在地鐵運(yùn)行過(guò)程中，除因電流引發(fā)故障外，由電壓變化引起的問(wèn)題也極為常見(jiàn)，為更好提升地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的安全性，運(yùn)用低電壓保護(hù)顯得尤為重要。主要原理是在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，判斷故障持續(xù)時(shí)間與產(chǎn)生最低電壓工作周期間的相互關(guān)系，也就是最低電壓工作周期高于故障持續(xù)時(shí)間時(shí)則會(huì)啟動(dòng)低電壓保護(hù)動(dòng)作，便于能夠最小化因電壓產(chǎn)生的故障，防止對(duì)其他饋線帶來(lái)嚴(yán)重影響。

與此同時(shí)，地鐵直流牽引供電系統(tǒng)作為信號(hào)傳輸?shù)闹匾ＷC，不能產(chǎn)生中斷的情況，如已形成相應(yīng)條件，針對(duì)饋線的保護(hù)則可通過(guò)延時(shí)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是以公式U ＜Umin作為實(shí)現(xiàn)該方法的主要依據(jù)，具體內(nèi)容為當(dāng)系統(tǒng)輸出電壓小于最小電壓時(shí)，啟動(dòng)饋線保護(hù)動(dòng)作并將最小電壓作為主要輸出電壓，如此便能實(shí)現(xiàn)降低故障影響的基礎(chǔ)上也能保證地鐵直流牽引供電系統(tǒng)正常通信[1]。

1.2 大電流脫扣保護(hù)

在地鐵運(yùn)行過(guò)程中，直流牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生故障的原因較多，包括電壓過(guò)大、負(fù)荷過(guò)高以及短路等多個(gè)方面，此時(shí)饋線會(huì)因不同故障而遭受影響，引發(fā)線路中斷等問(wèn)題，促使直流牽引供電系統(tǒng)難以正常進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，地鐵運(yùn)營(yíng)也會(huì)因此受到影響。上述故障產(chǎn)生時(shí)也會(huì)對(duì)其他設(shè)備帶來(lái)較大影響，以饋線短路為例，此類(lèi)問(wèn)題的主要原因是正極與大地短路等，這種條件下產(chǎn)生的電流非常高，輕則降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性、重則還會(huì)損壞其他設(shè)施。所以通過(guò)運(yùn)用大電流脫扣保護(hù)是極其重要的，能夠在產(chǎn)生故障時(shí)快速調(diào)整斷路器為跳閘狀態(tài)，避免蔓延至其他方面[2]。

大電流脫扣保護(hù)的原理是在系統(tǒng)中運(yùn)用脫扣器裝置進(jìn)行電流控制，也就是出現(xiàn)故障時(shí)產(chǎn)生的電流會(huì)高于額定值，脫扣器裝置也會(huì)及時(shí)進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)，且斷路器同樣會(huì)做出跳閘動(dòng)作。其中的額定值范圍多在短路電流與地鐵啟動(dòng)電流之間，才能將脫扣器裝置的作用予以充分發(fā)揮，從而達(dá)到有效控制電流的目的。具體的額定值需根據(jù)實(shí)際情況及短路試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為Idz＞kIdmin，其中Idz是脫扣動(dòng)作的最大電流，k 是可靠性系數(shù)，Idmin為短路最小保護(hù)電流。將該公式作為核心，進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算后便可作為判斷是否啟用脫扣器裝置的重要依據(jù)。

1.3 過(guò)流保護(hù)

是解決地鐵直流牽引供電饋線故障問(wèn)題的重要方法之一，能針對(duì)不同故障問(wèn)題對(duì)饋線進(jìn)行有效保護(hù)。與大電流脫扣保護(hù)工作原理相似，主要是依照故障出現(xiàn)后產(chǎn)生的電流大小決定是否需對(duì)地鐵直流牽引供電饋線進(jìn)行有效保護(hù)。不同之處在于過(guò)流保護(hù)分為無(wú)延時(shí)與延時(shí)兩種類(lèi)型，在實(shí)際運(yùn)用中的特點(diǎn)各不相同，如，無(wú)延時(shí)過(guò)流保護(hù)能在產(chǎn)生超過(guò)額定值電流時(shí)迅速做出保護(hù)動(dòng)作，保證可得到實(shí)施回饋，沒(méi)有需進(jìn)行延時(shí)處理的環(huán)節(jié)。此方法的特點(diǎn)是保護(hù)動(dòng)作及時(shí)，斷路器也會(huì)快速進(jìn)入跳閘狀態(tài)，能最大程度降低故障產(chǎn)生的影響[3]。最重要的是，作為保護(hù)的額定值也可具備較寬泛的確定范圍，大幅提升保護(hù)力度[2]。

延時(shí)過(guò)流保護(hù)也需要在額定值范圍內(nèi)起到保護(hù)作用，但是在顯示延時(shí)狀態(tài)的同時(shí)還需要執(zhí)行延時(shí)動(dòng)作才能夠達(dá)到保護(hù)饋線目的。過(guò)流保護(hù)的額定值也需借助過(guò)流試驗(yàn)等并結(jié)合公式i ＞Idtm進(jìn)行計(jì)算，i 是正常通行電流，Idtm是能夠通過(guò)的最大電流。一旦該公式成立，表明產(chǎn)生的電流過(guò)大，繼電器進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)的同時(shí)斷路器也會(huì)執(zhí)行跳閘動(dòng)作。另一方面，過(guò)流保護(hù)還可與信息化裝置相結(jié)合，進(jìn)一步提升過(guò)流保護(hù)的作用。主要原理是信息化裝置中包含的電源監(jiān)控部件、模塊控制芯片等能在運(yùn)行過(guò)程中采集電流通過(guò)饋線時(shí)的具體值，并能以此為基礎(chǔ)作為判斷是否啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)的主要依據(jù)。該方法能憑借更加精確、高效的特點(diǎn)提升過(guò)流保護(hù)的實(shí)際價(jià)值和作用。

1.4 框架保護(hù)

1.4.1 主要原因

在地鐵直流牽引供電系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，各類(lèi)故障問(wèn)題不僅會(huì)給系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來(lái)嚴(yán)重影響，也會(huì)給工作人員的生命安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅，想要避免產(chǎn)生此類(lèi)問(wèn)題，運(yùn)用框架保護(hù)尤為重要。產(chǎn)生能夠執(zhí)行框架保護(hù)動(dòng)作的原因主要源于變電所內(nèi)部與外部故障兩個(gè)方面。其中變電所內(nèi)部故障的產(chǎn)生源頭較多，包括設(shè)備絕緣性能減退、帶電導(dǎo)體脫落及開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)攜帶的電弧等。

此類(lèi)問(wèn)題極易引起電流變化，從而產(chǎn)生設(shè)備短路問(wèn)題，需啟動(dòng)電流型框架保護(hù)。也可在因電壓上升導(dǎo)致軌電位裝置狀態(tài)異常的情況下啟動(dòng)電壓框架保護(hù)，只是在運(yùn)用前需明確電流是否達(dá)到額定值，若已超出則不能使用?；虼_定框架保護(hù)元器件是否存在損壞問(wèn)題，便于知曉是否為誤動(dòng)情況。變電所外部故障的問(wèn)題也極為常見(jiàn)，如接觸網(wǎng)絕緣性能改變、制動(dòng)電流過(guò)大等都會(huì)促使鋼軌對(duì)地電壓發(fā)生變化。此時(shí)，軌電位限制裝置會(huì)率先啟動(dòng)，若該裝置也存在故障問(wèn)題時(shí)電壓框架保護(hù)才會(huì)執(zhí)行動(dòng)作。

1.4.2 應(yīng)用方案

盡管框架保護(hù)能在切斷故障點(diǎn)方面發(fā)揮良好作用，可減少問(wèn)題處理的時(shí)長(zhǎng)。但框架保護(hù)也會(huì)產(chǎn)生多個(gè)分區(qū)同時(shí)停電的問(wèn)題，如該狀態(tài)維持周期過(guò)長(zhǎng)會(huì)對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)帶來(lái)嚴(yán)重影響，此時(shí)依照實(shí)際情況選擇不同方案是極其重要的方面?？蚣鼙Ｗo(hù)的主要方案包括聯(lián)跳、復(fù)歸以及閉鎖三方面。其中聯(lián)跳又劃分為只跳本所開(kāi)關(guān)和聯(lián)跳鄰所開(kāi)關(guān)兩種，具體運(yùn)用何種可根據(jù)框架保護(hù)的類(lèi)型進(jìn)行選擇[3]。

如，在電流型框架保護(hù)啟動(dòng)時(shí)，雖然聯(lián)跳鄰所是最常用的方案，但須建立在明確具體故障點(diǎn)的前提下，才能最大化故障處理效率。否則，在未能確定所有故障點(diǎn)時(shí)若使用只跳本所開(kāi)關(guān)，無(wú)法明確是否還存在本所外的其他故障點(diǎn)，不利于保證地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如是電壓型框架保護(hù)啟動(dòng)時(shí)，只跳本所開(kāi)關(guān)方案也具備上述特點(diǎn)的同時(shí)還有較強(qiáng)的危險(xiǎn)性。如，當(dāng)軌電位限制裝置未啟動(dòng)時(shí)，其他故障點(diǎn)的影響將得不到充分抑制，將會(huì)引發(fā)大范圍故障。聯(lián)跳鄰所開(kāi)關(guān)時(shí)可充分確保故障點(diǎn)不會(huì)對(duì)人員和列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生安全影響。

復(fù)歸主要分為本地復(fù)歸和遠(yuǎn)程復(fù)歸，其中本地復(fù)歸多用于對(duì)舊線路的框架保護(hù)中，具體方法為先由工作人員找到故障點(diǎn)操作設(shè)備進(jìn)行復(fù)位，才能利用電調(diào)將鄰所開(kāi)關(guān)合上。該方案在及時(shí)性、安全性等方面都存在較多問(wèn)題。遠(yuǎn)程復(fù)歸中，無(wú)論是復(fù)位保護(hù)模塊還是利用打開(kāi)本所內(nèi)的饋線上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)、甚至是將鄰所開(kāi)關(guān)合上，都是通過(guò)遠(yuǎn)程操作的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，不僅調(diào)高了安全，也能在人力資源和維護(hù)時(shí)長(zhǎng)方面予以大幅縮減[4]。

框架保護(hù)閉鎖方案也能夠在故障處理方面發(fā)揮較好優(yōu)勢(shì)。例如，按照具體分類(lèi)，對(duì)于舊線路閉鎖合閘所有框架是保護(hù)方案中的首選，新線路則可選擇不閉鎖鄰所開(kāi)關(guān)。這兩種方式中，不閉鎖鄰所開(kāi)關(guān)能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，也能夠省去許多重復(fù)操作，包括復(fù)歸等。最重要的是，不閉鎖鄰所開(kāi)關(guān)的主要對(duì)象是自動(dòng)重合閘，可及時(shí)恢復(fù)供電，形成檢測(cè)回路的同時(shí)也能為縮小故障檢測(cè)范圍創(chuàng)造便利條件。

1.5 定時(shí)限過(guò)流保護(hù)

定時(shí)限過(guò)流保護(hù)是地鐵直流牽引供電保護(hù)中最常用的技術(shù)之一，主要是通過(guò)延時(shí)啟動(dòng)保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)最終目的。地鐵直流牽引供電系統(tǒng)饋線的保護(hù)存在多種情況，應(yīng)根據(jù)具體要求進(jìn)行處理，才能充分保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

如，在地鐵制動(dòng)過(guò)程中因誤操作啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)會(huì)給地鐵運(yùn)營(yíng)帶來(lái)許多阻礙，或在故障處理過(guò)程中，由于類(lèi)型不同處理時(shí)長(zhǎng)也存在較大差異，一旦整體周期比較長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)的影響也會(huì)持續(xù)增加。結(jié)合這些情況，利用定時(shí)限過(guò)流保護(hù)能予以有效解決。如，假設(shè)地鐵直流牽引供電系統(tǒng)故障延時(shí)為20s，在未處理期間地鐵可繼續(xù)執(zhí)行啟動(dòng)或制動(dòng)操作，當(dāng)超過(guò)延時(shí)20s 時(shí)才會(huì)啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，斷路器也會(huì)進(jìn)入跳閘狀態(tài)[5]。因此，定時(shí)限過(guò)流保護(hù)的適用性更強(qiáng)，能顯著降低不穩(wěn)定因素帶來(lái)的影響[4]。

1.6 電流上升率與電流增量保護(hù)

電流上升率與電流增量保護(hù)的運(yùn)用條件不同，前者多應(yīng)用于遠(yuǎn)距離非金屬短路故障，后者則適用于近距離非金屬短路故障。電流上升率的主要原理是以電流上升率值為核心，在地鐵運(yùn)行期間，在動(dòng)作啟動(dòng)與延時(shí)階段的電流上升率都已超過(guò)該值時(shí)，才能符合啟動(dòng)電流上升率保護(hù)的條件，否則保護(hù)動(dòng)作將無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行。電流增幅保護(hù)與電流上升率保護(hù)極為相似，也是將電流上升率的變化情況作為主要判斷依據(jù)，啟動(dòng)條件也相對(duì)固定，也就是只要滿(mǎn)足能夠在額定值以上時(shí)便可啟動(dòng)繼電保護(hù)裝置。

至于額定值的確定也需參考不同的公式進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。如，di/dt ＞Fdi/dt,i=i-i1＞Imax且t ＞T或di/dt ＞Fdi/dt，t ＞T 且I ＞Imin。 其中I、T、t 分別為電流、時(shí)間以及保護(hù)啟動(dòng)時(shí)間。至于電流增量保護(hù)的優(yōu)勢(shì)在于不僅能在電流上升率達(dá)到額定值以上時(shí)發(fā)揮保護(hù)作用，也能在實(shí)際應(yīng)用中具備較強(qiáng)的靈活性。如，對(duì)地鐵直流牽引供電系統(tǒng)饋線進(jìn)行保護(hù)過(guò)程中，還會(huì)隨著地鐵列車(chē)的運(yùn)行時(shí)間變化而改變電流上升率，即列車(chē)延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間的情況下會(huì)促使電流持續(xù)降低，直至恢復(fù)正常。同時(shí)，當(dāng)達(dá)到上述狀態(tài)時(shí)保護(hù)功能也會(huì)自動(dòng)返回[5]。

1.7 接觸網(wǎng)熱過(guò)載保護(hù)

地鐵列成的受電弓通過(guò)滑動(dòng)與接觸網(wǎng)相互接觸后便能夠獲得充足的電能，只是在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行狀態(tài)下，接觸網(wǎng)的溫度會(huì)受到多方面因素的影響而不斷升高，甚至?xí)驕囟容^高而引發(fā)過(guò)載問(wèn)題，嚴(yán)重降低地鐵的運(yùn)營(yíng)效率。為了避免頻繁出現(xiàn)此類(lèi)情況，利用接觸網(wǎng)熱過(guò)載保護(hù)可有效解決此類(lèi)問(wèn)題，具體原理為需根據(jù)多方面因素對(duì)接觸網(wǎng)的實(shí)際發(fā)熱量進(jìn)行充分計(jì)算，包括接觸網(wǎng)長(zhǎng)度、面積、電阻率等，再對(duì)不同條件對(duì)接觸網(wǎng)產(chǎn)生影響進(jìn)行解析，如熱負(fù)荷特性和通風(fēng)量等。還需要對(duì)接觸網(wǎng)電纜的實(shí)際溫度進(jìn)行精確計(jì)算并進(jìn)行評(píng)估，也就是電纜溫度低于預(yù)定值時(shí)不會(huì)采取接觸網(wǎng)熱過(guò)載保護(hù)，否則會(huì)先預(yù)警再跳閘，保證各類(lèi)因素對(duì)接觸網(wǎng)的影響均能降到最低。

2 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，由于地鐵直流牽引供電安全性將會(huì)對(duì)運(yùn)行環(huán)節(jié)帶來(lái)直接影響，所以必須要提高對(duì)地鐵直流牽引供電保護(hù)技術(shù)與系統(tǒng)的重視，并能夠?qū)﹄妷罕Ｗo(hù)、大電流脫扣保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、框架保護(hù)、定時(shí)限過(guò)流保護(hù)、電流上升率與電流增量保護(hù)、接觸網(wǎng)熱過(guò)載保護(hù)等內(nèi)容擁有正確充分認(rèn)知，才能確保地鐵直流牽引供電保護(hù)技術(shù)能夠在掌握和處理系統(tǒng)故障方面發(fā)揮更多作用，為地鐵穩(wěn)定運(yùn)行提供充足保障。