城市軌道直流牽引供電系統(tǒng)饋線保護(hù)

改造者：劉 維

?

城市軌道直流牽引供電系統(tǒng)饋線保護(hù)

改造者：劉 維

在城市軌道交通中，直流牽引供電系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行具有重大意義，饋線保護(hù)作為直流供電系統(tǒng)中必不可缺的技術(shù)手段，在城市軌道交通運(yùn)營過程中，其扮演了十分關(guān)鍵的角色。本文在介紹直流牽引供電系統(tǒng)供電制式以及系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)上，針對于直流牽引網(wǎng)短路故障特性，對供電系統(tǒng)保護(hù)所需滿足的要求作了介紹，最后給出了目前比較主流的城市軌道交通饋線保護(hù)技術(shù)。

城軌供電系統(tǒng)

在城市軌道交通運(yùn)行過程中，直流牽引供電系統(tǒng)主要完成向機(jī)車輸送電的工作，城軌供電系統(tǒng)主要由高壓供電系統(tǒng)、直流供電系統(tǒng)以及內(nèi)部供電系統(tǒng)構(gòu)成。從結(jié)構(gòu)上來看，直流供電系統(tǒng)與機(jī)車直接相連，其一般由牽引變電站及架空接觸網(wǎng)或者第三軌構(gòu)成，可以輸出DC600V-DC3000V等級的電壓。之所以在城市軌道交通中使用直流電，主要是因?yàn)橹绷麟姴灰资芨蓴_，便于控制。目前的城市軌道交通中普遍采用的供電制式為DC750V 第三軌和DC1500V 架空接觸網(wǎng)。

DC750V第三軌在早期的城市軌道交通建設(shè)中使用較多。其主要原理是通過在機(jī)車運(yùn)行軌道附近，搭建電阻率極低的鐵軌或鋁軌，軌道上機(jī)車通過受流靴和第三軌相連接來獲得電能。DC1500V架空接觸網(wǎng)能提供更高的電壓水平，通過比較這兩種供電制式，DC1500V架空接觸網(wǎng)提高了受流環(huán)境和受流質(zhì)量，機(jī)車運(yùn)行的可靠性得到了增強(qiáng)，并且供電區(qū)間范圍明顯的增加，這樣就不需要投入多牽引變電站，節(jié)約費(fèi)用可達(dá)40%。因此，近幾年來，DC1500V架空接觸網(wǎng)供電制式發(fā)展迅速，普遍應(yīng)用在新建的城市軌道交通中。城軌供電系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

首先，城市電網(wǎng)產(chǎn)生的AC110kV電壓，通過主變電所中的降壓變壓器轉(zhuǎn)換成AC33kV/AC10kV的電壓，接下來，再通過牽引變電所的降壓整流作用，將AC33kV/AC10kV的電壓轉(zhuǎn)換成DC750V/DC1500V的電壓，直流電會傳輸?shù)金伨€上，最終傳輸?shù)綘恳W(wǎng)中，然后由牽引網(wǎng)作用到機(jī)車上，使機(jī)車獲得電能，維持機(jī)車運(yùn)行。

然而，城市軌道交通的快速發(fā)展伴隨著出現(xiàn)了許多問題，例如在城市軌道交通在運(yùn)行高峰期時，負(fù)載過大；城郊及城際線路供電區(qū)間過長；舊線路損傷情況嚴(yán)重等。尤其是饋線側(cè)會受到架設(shè)技術(shù)以及環(huán)境條件因素作用，對機(jī)車的可靠運(yùn)行產(chǎn)生威脅，因此，需要在城軌供電系統(tǒng)中采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

供電系統(tǒng)短路故障和直流保護(hù)系統(tǒng)

供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)短路故障分析

線路中機(jī)車啟動所造成的電流變化率異常持續(xù)短，而線路中間和末端發(fā)生短路故障時，有更長的異常電流變化率的時間；

可以將供電系統(tǒng)中的饋線故障所引起的短路電流和機(jī)車的啟動時的過電流寫成指數(shù)函數(shù)形式；

如果在線路末端發(fā)生短路故障時，其電流變化量會比機(jī)車啟動時所引起的電流變化量大；

一般來說，線路前端發(fā)生短路故障時所引起的異常電流變化率更明顯，而線路末端發(fā)生故障所能引起的電流變化率最大值，可能和機(jī)車的啟動時的電流變化率大小相同，并且如果供電系統(tǒng)中饋線長度增加，線路末端發(fā)生短路故障所能引起的短路電流變化率可能會減小；

在機(jī)車數(shù)量以及饋線保持固定的情況下，正常的負(fù)荷電流最大值要比線路末端發(fā)生短路故障引起的異常電流大。

供電系統(tǒng)直流保護(hù)系統(tǒng)

城軌供電系統(tǒng)中所使用的直流保護(hù)，一般是通過直流斷路器來完成的，直流斷路器一般分為兩種：整流器回路斷路器和直流饋線斷路器。整流器回路斷路器可以在整流器出現(xiàn)短路故障時，切斷其輸出。直流饋線斷路器可以在線路出現(xiàn)短路故障時，將故障區(qū)域的牽引網(wǎng)從饋線上斷開。城軌供電系統(tǒng)直流保護(hù)需要滿足的要求有：

（1）不能忽略除饋線故障外的其他故障，例如，接觸網(wǎng)和屏蔽門之間故障、接觸網(wǎng)和鋼筋之間故障、接觸網(wǎng)和接地網(wǎng)之間故障等；

（2）在城軌供電系統(tǒng)正常工作期間，往往會由于機(jī)車啟動時所引起的過電流和過電壓，對供電系統(tǒng)的直流保護(hù)造成誤動作，在設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)直流保護(hù)時，要盡量避免這種誤動作；

圖1　城軌供電系統(tǒng)構(gòu)成

（3）加強(qiáng)直流保護(hù)中每類保護(hù)之間的協(xié)同工作，確保在供電系統(tǒng)在出現(xiàn)問題時，能夠?qū)⒐收霞皶r清除。

城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的饋線保護(hù)技術(shù)

大電流脫扣保護(hù)

大電流脫扣保護(hù)是直流斷路器自身具備的一種保護(hù)形式，當(dāng)線路前端出現(xiàn)短路故障時，會引起比較大的過電流，該過電流會對供電系統(tǒng)中的設(shè)備造成破壞，大電流脫扣保護(hù)可以有效避免這種情況，首先設(shè)定大電流脫扣保護(hù)的整定值，在流過直流斷路器的電流超過該整定值時，直流斷路器會立即動作跳閘。

動作電流Idz的整定：

式中：k-可靠系數(shù)，一般去1.5左右；Idmin-最小短路電流值。

電流增量保護(hù)與電流上升率保護(hù)

該保護(hù)是城軌供電系統(tǒng)饋線保護(hù)中核心技術(shù)，它是根據(jù)線路發(fā)生故障時所引起的短路電流上升率和電流增量來進(jìn)行判斷，本保護(hù)將兩種保護(hù)結(jié)合在一起，這樣解決了只采用電流上升率保護(hù)時，經(jīng)常出現(xiàn)誤動作的問題，還解決了只使用電流增量保護(hù)時，偶爾產(chǎn)生的拒動問題。本保護(hù)分為瞬時跳閘動作和延時跳閘動作，當(dāng)供電系統(tǒng)線路中出現(xiàn)大電流故障時，則會發(fā)出瞬時跳閘命令，切除線路中的故障；延時跳閘動作是預(yù)留一段時間來判斷過電流是由機(jī)車啟動引起，還是線路末端出現(xiàn)短路故障造成的，如果是線路末端的故障，則將此故障及時切除。

電流增量保護(hù)與電流上升率保護(hù)工作機(jī)制：（1）首先是進(jìn)行電路上升率保護(hù)的判斷，安裝在供電系統(tǒng)中的電流上升率保護(hù)裝置，會一直檢測線路中存在的電流上升率，當(dāng)檢測到線路中電流上升率處于異常情況時，電流上升率保護(hù)裝置就會進(jìn)入保護(hù)待定的工作狀態(tài)，同時，進(jìn)入保護(hù)延時期間內(nèi)，如果在延時期間內(nèi)，保護(hù)裝置檢測線路中的電流上升率一直處于異常情況，則保護(hù)將完成啟動，否則，重置保護(hù)裝置。（2）接下來對電流增量保護(hù)進(jìn)行判斷，在電流上升率保護(hù)啟動時，取那一時刻的線路的電流值當(dāng)作參考電流值，在此基礎(chǔ)上得出電流增量，如果從那一時刻開始，檢測到電流增量超過設(shè)定的整定值時，并且，電流增量在延時期間一直處于異常情況，則啟動電流增量保護(hù)，否則，重置保護(hù)裝置。

定時過電流保護(hù)

對于電流增量保護(hù)和電流上升率保護(hù)來說，定時過電流保護(hù)主要起到完善保護(hù)的作用，該保護(hù)是為了確保線路中小電流的故障能夠順利被切除，該保護(hù)在切除故障時，有一定的延時，并且在設(shè)定整定值時，有正負(fù)整定值的區(qū)分。

接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護(hù)

城軌供電系統(tǒng)處于運(yùn)行高峰期時，會出現(xiàn)過電流的情況，這種過電流情況會引起牽引網(wǎng)溫度的升高，造成供電系統(tǒng)中設(shè)備的破壞，嚴(yán)重的甚至?xí)龎碾娎|，因此，必須需要避免此種情況的產(chǎn)生，接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護(hù)是一種輔助性質(zhì)的保護(hù)，專門防止過熱所設(shè)置的保護(hù)，該保護(hù)是根據(jù)供電系統(tǒng)中的某些物理狀態(tài)量，依據(jù)平時總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行整定值的設(shè)定，當(dāng)檢測到牽引網(wǎng)溫度超過整定值時，則啟動跳閘保護(hù)。

框架泄露保護(hù)

在城軌供電系統(tǒng)中安裝了許多開關(guān)設(shè)備柜，如果柜子出現(xiàn)短路情況時，產(chǎn)生的過電流會造成設(shè)備柜的破壞，如果工作人員接觸到柜子，也會對其造成安全威脅。

框架泄漏保護(hù)在進(jìn)行保護(hù)時，需要檢測電流和電壓兩個狀態(tài)量。由于設(shè)備柜是和接地網(wǎng)直接相連的，當(dāng)設(shè)備柜出現(xiàn)短路情況時，會引起較大的接地電流，若該接地電流超過設(shè)定整定值時，則啟動電流保護(hù)動作。同樣的，所檢測的電壓狀態(tài)量是軌道和接地網(wǎng)的電壓值，如果該電壓量超過設(shè)定的整定值時，則啟動電壓保護(hù)動作。

雙邊聯(lián)跳保護(hù)

雙邊聯(lián)跳保護(hù)是指連接同一段接觸網(wǎng)的兩個牽引變電站，在該段牽引網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時，如果其中一個變電站啟動保護(hù)動作時，于此同時，該變電站也會向連接同一段接觸網(wǎng)的另一個變電站發(fā)送保護(hù)動作命令，令兩個牽引變電站的保護(hù)均動作跳閘，這樣是為了確保牽引網(wǎng)中的線路故障能夠有效的切除。

自動重合閘

城軌供電系統(tǒng)出現(xiàn)的故障一般情況下都為意外因素所引起的瞬時故障，在啟動保護(hù)裝置將線路中故障消除時，需要將斷路器進(jìn)行重合閘，使其繼續(xù)起到保護(hù)線路的作用，手動的重合閘不能達(dá)到快速性的要求，需要自動重合閘來完成。

在自動重合閘過程中，不能把存在問題的裝置進(jìn)行自動重合閘，另外，在進(jìn)行自動重合閘前，必須確保牽引網(wǎng)線路中也不存在故障問題，要不然會造成斷路器不斷的分開、合閘，這種情況持續(xù)時間長的話會對斷路器造成破壞。因此，需要設(shè)定自動重合閘的次數(shù)限制，當(dāng)超過限制時，就把該故障考慮成非瞬時故障，不再進(jìn)行自動重合閘。

結(jié)束語

城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的饋線保護(hù)的質(zhì)量會直接影響機(jī)車運(yùn)行的可靠性，因此，對城軌供電系統(tǒng)短路故障分析及保護(hù)措施進(jìn)行研究具有十分重要的意義。在本文中，對目前城軌供電系統(tǒng)中比較主流饋線保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，希望能進(jìn)一步完善城軌供電系統(tǒng)保護(hù)研究。

劉 維

中鐵電氣化局集團(tuán)第一工程有限公司

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.032