直流牽引供電系統(tǒng)熱過負(fù)荷保護(hù)研究

胡佳駿

摘 要：本文對(duì)直流牽引設(shè)備的饋線保護(hù)功能進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，對(duì)U-MLE保護(hù)裝置的熱過負(fù)荷保護(hù)基礎(chǔ)參數(shù)和計(jì)算方法進(jìn)行了論述。通過深入了解保護(hù)裝置的熱過負(fù)荷參數(shù)定義，結(jié)合接觸網(wǎng)的運(yùn)行工況，提出U-MLE保護(hù)裝置的熱過負(fù)荷整定值和計(jì)算依據(jù)。研究成果可為相關(guān)應(yīng)用與研究提供參考。

關(guān)鍵詞：牽引供電；熱過負(fù)荷；整定

中圖分類號(hào)：TM922.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

城市軌道交通的牽引供電系統(tǒng)采用直流供電方式，其中直流饋線一般配置過流延時(shí)、過流速斷、電流上升率、電流增量等保護(hù)功能，一旦饋線段發(fā)生過流故障，保護(hù)裝置將發(fā)出跳閘命令，使直流高速斷路器分閘，迅速切斷饋線段故障電流。對(duì)于架空接觸網(wǎng)（架空接觸網(wǎng)分為柔性或剛性兩大類）方式供電的線路，還會(huì)設(shè)置熱過負(fù)荷保護(hù)，通過保護(hù)裝置計(jì)算熱量累積值，其主要功能是為了防止接觸網(wǎng)過熱而張力降低，導(dǎo)致接觸網(wǎng)性能下降，影響行車的正常運(yùn)行。

當(dāng)熱過負(fù)荷保護(hù)發(fā)生動(dòng)作時(shí)，將會(huì)使斷路器跳閘并在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)閉鎖合閘，斷路器跳閘后，電流降為0A，熱量逐步降低到整定值之下，才允許斷路器再次合閘。這樣就造成一旦發(fā)生熱過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作，短時(shí)間內(nèi)無法解決該回路停電狀態(tài)，從而影響正常行車。熱過負(fù)荷保護(hù)的曲線為反時(shí)限曲線，由于負(fù)載電流的不斷變化，熱量累積值也在不停地變化。設(shè)定整定值時(shí)，需要考慮與接觸網(wǎng)熱特性的匹配，其數(shù)學(xué)模型公式的計(jì)算也較為復(fù)雜，很難精確計(jì)算熱量值，這樣不僅使得設(shè)計(jì)人員的工作量大大增加，還增大了設(shè)定整定值的難度。熱過負(fù)荷保護(hù)的定值不可設(shè)置過小，會(huì)造成誤動(dòng)作，也不可設(shè)置過大，會(huì)失去對(duì)接觸網(wǎng)的保護(hù)。因此，用更為簡(jiǎn)單的計(jì)算方法，合理設(shè)定熱過負(fù)荷保護(hù)的整定值，保證其動(dòng)作的可靠性，是一個(gè)重要的課題。

本文簡(jiǎn)要分析U-MLE保護(hù)裝置的熱過負(fù)荷保護(hù)的計(jì)算方法，經(jīng)過簡(jiǎn)化運(yùn)算，提出具有參考性的整定值設(shè)定依據(jù)。

1 主回路構(gòu)成

配有U-MLE保護(hù)裝置的直流饋線設(shè)備，主要由直流斷路器（Q0）、分流器（R0）、電流變送器（U1、U2），電壓變送器（U3）等組成。以額定電流為4000A的饋線設(shè)備為例，保護(hù)裝置所需的電量采集回路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

U-MLE保護(hù)裝置具有1倍額定電流（即4000A）和10倍額定電流（即40000A）的電流采集通道，通過2只電流變送器，將對(duì)應(yīng)的電流量轉(zhuǎn)換成20mA的模擬量信號(hào)接入保護(hù)裝置中，保護(hù)裝置的1倍和10倍電流通道可自動(dòng)進(jìn)行無極切換，在保證測(cè)量精度下，可以采集-40000A～40000A的電流；通過一臺(tái)電壓變送器，采集額定電壓，將對(duì)應(yīng)的電壓量也轉(zhuǎn)換成20mA的模擬量信號(hào)送入保護(hù)裝置中。

直流饋線配置的過流延時(shí)、過流速斷、電流上升率、電流增量和熱過負(fù)荷等保護(hù)功能，主要是通過電量的大小以及時(shí)間配合進(jìn)行判斷，達(dá)到定值后動(dòng)作，發(fā)出跳閘命令。

2 電流保護(hù)功能介紹

直流饋線中的U-MLE保護(hù)裝置一般配置5種電流保護(hù)功能：1I>延時(shí)過流保護(hù)、3I>瞬時(shí)過流保護(hù)、1DI電流增量保護(hù)、1di/dt電流上升率和熱過負(fù)荷保護(hù)。本節(jié)簡(jiǎn)單介紹各電流保護(hù)的主要保護(hù)功能：

1I>延時(shí)過流保護(hù)：定時(shí)限曲線，通過電流和時(shí)間兩個(gè)參數(shù)作為判斷依據(jù)，一旦電流達(dá)到整定值時(shí)保護(hù)起動(dòng)，在一定時(shí)間內(nèi)電流值持續(xù)達(dá)到整定值或之上，則保護(hù)發(fā)出跳閘指令，主要是對(duì)線路過流的保護(hù)。

3I>瞬時(shí)過流保護(hù)：定時(shí)限曲線，具有斷路器合閘瞬間判斷電流的功能，若斷路器合閘瞬間出現(xiàn)大于整定值的電流，則保護(hù)無延時(shí)發(fā)出跳閘指令，3I>的其余功能與1I>延時(shí)過流保護(hù)相同，但在整定值的大小方面，其電流值設(shè)定更大，時(shí)間設(shè)定更短。

1DI電流增量保護(hù)：一般作為近端至中端范圍的保護(hù)（根據(jù)設(shè)定值也可作為中端至遠(yuǎn)端范圍的保護(hù)），若電流上升率達(dá)到整定值時(shí)保護(hù)起動(dòng)，在延時(shí)時(shí)間結(jié)束后計(jì)算電流增量，若達(dá)到整定值或之上，則保護(hù)發(fā)出跳閘指令，使斷路器跳閘。

1di/dt電流上升率：一般作為中端至遠(yuǎn)端范圍的保護(hù)（根據(jù)設(shè)定值也可作為近端至中端范圍的保護(hù)），若電流上升率達(dá)到整定值保護(hù)起動(dòng)，在延時(shí)時(shí)間結(jié)束后計(jì)算平均電流上升率，若達(dá)到整定值或之上，則保護(hù)發(fā)出跳閘指令，使斷路器跳閘。

熱過負(fù)荷保護(hù)：反時(shí)限曲線，通過電流和時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)熱量運(yùn)算法則計(jì)算累積熱量，主要是保護(hù)負(fù)載不被過負(fù)荷電流造成損壞。

通過上述各種電流保護(hù)的相互配合，將保證整個(gè)直流饋線的供電安全，防止電流事故擴(kuò)大，造成人員受傷或設(shè)備損壞，使直流牽引供電系統(tǒng)能更加穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

3 電流保護(hù)配合

直流饋線柜中的U-MLE保護(hù)裝置配有多個(gè)過流保護(hù)，其中定時(shí)限過流保護(hù)有1I>延時(shí)過流保護(hù)和3I>瞬時(shí)過流保護(hù)，它們與斷路器本體大電流脫扣形成了三重極差保護(hù)。筆者提出定時(shí)限過流保護(hù)與斷路器本體大電流脫扣的參數(shù)配合建議。參數(shù)配合如圖2所示。

由圖2可知，斷路器本體大電流脫扣最為迅速，設(shè)定區(qū)間一般是額定電流的2.5倍以上，動(dòng)作速度（延時(shí)不可設(shè)）在10ms內(nèi)（根據(jù)電流上升率大小不同，本體脫扣的動(dòng)作速度會(huì)有所不同）；3I>瞬時(shí)過流保護(hù)速度次之，設(shè)定區(qū)間一般是額定電流的1.5倍以上，動(dòng)作延時(shí)（可設(shè)）在10ms～60ms；1I>延時(shí)過流保護(hù)速度最慢，設(shè)定區(qū)間一般是額定電流的0.6倍以上，動(dòng)作延時(shí)（可設(shè)）在60ms以上。直流饋線柜的1I>延時(shí)過流保護(hù)、3I>瞬時(shí)過流保護(hù)與斷路器本體大電流脫扣的三重極差保護(hù)，在設(shè)定整定值時(shí)應(yīng)考慮覆蓋所有的短路故障范圍值。

1DI電流增量和1di/dt電流上升率分別是保護(hù)機(jī)車在近端至中端、中端至遠(yuǎn)端的短路保護(hù)，作為加快短路故障跳閘的保護(hù)功能，能在短路故障前期迅速切斷故障電流，此兩項(xiàng)參數(shù)在設(shè)計(jì)整定值時(shí)，需考慮機(jī)車類型、取流大小和運(yùn)行間隔等，應(yīng)避免設(shè)置過小而誤動(dòng)作，在本文不做討論。

熱過負(fù)荷保護(hù)是反時(shí)限曲線，即電流越大動(dòng)作時(shí)間越短，與定時(shí)限過流、電流增量和電流上升率的短路電流保護(hù)功能不同，它主要是對(duì)負(fù)載“架空接觸網(wǎng)”的過負(fù)荷保護(hù)，隨著負(fù)載“架空接觸網(wǎng)”的電流變化，計(jì)算出的熱量累積值也會(huì)發(fā)生變化。U-MLE保護(hù)裝置對(duì)熱過負(fù)荷保護(hù)中參數(shù)整定的條件要求較高，需專業(yè)設(shè)計(jì)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和負(fù)載能力進(jìn)行核算，而熱保護(hù)的數(shù)學(xué)模型公式較為復(fù)雜，計(jì)算耗時(shí)耗力。在某些項(xiàng)目中，有直接或間接引用其他型號(hào)保護(hù)裝置整定值的情況，引用的整定值在U-MLE保護(hù)裝置中的含義與其他裝置并不完全相同，甚至不適用，這樣的整定值對(duì)熱過負(fù)荷保護(hù)的動(dòng)作結(jié)果會(huì)有較大差異，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。筆者通過對(duì)U-MLE保護(hù)裝置的熱過負(fù)荷保護(hù)研究，提出較為簡(jiǎn)單的整定值計(jì)算方式，供設(shè)計(jì)人員參考，在下文將做詳細(xì)論述。

4 熱過負(fù)荷保護(hù)參數(shù)含義

U-MLE保護(hù)裝置的熱過負(fù)荷有以下參數(shù)設(shè)定，見表1。

Enab.投退：保護(hù)功能的投退選項(xiàng)。一般架空接觸網(wǎng)選擇投入，接觸軌選擇退出。

Tal溫升報(bào)警：溫升報(bào)警門限。其單位%Tn為計(jì)算的溫升率，當(dāng)Tn≥Tal值時(shí)，熱過負(fù)荷報(bào)警持續(xù)動(dòng)作；當(dāng)Tn

Tres溫升復(fù)位：溫升恢復(fù)的門限。根據(jù)保護(hù)裝置說明書和驗(yàn)證測(cè)試，可知單位Tb的計(jì)算公式，如式（1）：

Tb=（Is）2（Tb單位：%Tn） （1）

Is持續(xù)允許電流：允許長(zhǎng)期運(yùn)行的電流，當(dāng)運(yùn)行電流I≥Is值時(shí)，熱過負(fù)荷保護(hù)在一定時(shí)間的延時(shí)后會(huì)動(dòng)作；當(dāng)運(yùn)行電流I

Kt時(shí)間系數(shù)：負(fù)載熱負(fù)荷時(shí)間常數(shù)。Kt值影響熱保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。

從式（1）中，將額定電流In的倍數(shù)代入公式中，可得Tb值

當(dāng)Is=0.5×In時(shí)，Tb=（0.5）2=25%Tn；

當(dāng)Is=1×In時(shí)，Tb=（1）2=100%Tn；

當(dāng)Is=1.1×In時(shí)，Tb=（1.1）2=121%Tn；

當(dāng)Is=1.2×In時(shí)，Tb=（1.2）2=144%Tn，以此類推。

5 熱過負(fù)荷保護(hù)計(jì)算方法

為了較為準(zhǔn)確地得到熱過負(fù)荷保護(hù)的整定值，通過公式和已知數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化計(jì)算出U-MLE保護(hù)裝置中熱過負(fù)荷保護(hù)的設(shè)定參數(shù)整定值。

根據(jù)架空接觸網(wǎng)的專業(yè)數(shù)據(jù)，地面接觸網(wǎng)的持續(xù)總載流量為3025A，高架接觸網(wǎng)的持續(xù)總載流量為2562A。以地面接觸網(wǎng)線路為例，為方便計(jì)算，取Is=3000A（即0.75In，其中In=4000A）。

由式（1），得式（2）

Tb=（Is）2=（0.75）2≈56%Tn （2）

即，實(shí)際計(jì)算的溫升率Tn達(dá)到56%時(shí)，熱過負(fù)荷保護(hù)發(fā)出跳閘命令。

一般設(shè)置熱過負(fù)荷保護(hù)的報(bào)警值Tal為跳閘值Tb的90%，如式（3）

Tal=Tb·90%=56%Tn·90%≈50%Tn （3）

由式（3）可知，Tal=50%Tn

一般設(shè)置熱過負(fù)荷保護(hù)的溫升復(fù)位值Tres為跳閘值Tb的85%，即Tres=85%Tb

U-MLE保護(hù)裝置中，熱過負(fù)荷保護(hù)的跳閘時(shí)間函數(shù)公式，如式（4）：

t為保護(hù)裝置發(fā)出跳閘的時(shí)間；

Kt為負(fù)載熱負(fù)荷時(shí)間常數(shù)（U-MLE保護(hù)裝置內(nèi)的整定值）；

I為實(shí)際負(fù)載電流，取值為≥Is的值；

In為系統(tǒng)額定電流；

Is為持續(xù)允許電流（U-MLE保護(hù)裝置內(nèi)的整定值）；

Ip為過載前的穩(wěn)態(tài)電流，取值為

ln為自然對(duì)數(shù)。

將式（4）化簡(jiǎn)，得式（5）

從式（5），可以看出，熱過負(fù)荷保護(hù)跳閘時(shí)間t是流入負(fù)載電流“I”的一個(gè)函數(shù)，它取決于發(fā)熱時(shí)間常數(shù)“Kt”，原先的熱過負(fù)荷狀態(tài)“Ip”以及最大允許持續(xù)電流“Is”，與系統(tǒng)額定電流In無關(guān)。

根據(jù)接觸網(wǎng)的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)可知，接觸網(wǎng)的通電電流由0A上升至7600A且持續(xù)29s，接觸網(wǎng)的溫度可達(dá)80℃，此時(shí)熱過負(fù)荷保護(hù)應(yīng)動(dòng)作，跳閘斷路器。因此，取I=7600A，t=29s，同時(shí)電流上升的過程時(shí)間與整個(gè)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間相比小到可忽略不計(jì)，為了方便計(jì)算，取Ip=0A。

將上述已知條件代入式（5）中，得式（6）：

通過式（6）可知，U-MLE保護(hù)裝置的持續(xù)允許電流設(shè)定為Is=3000A，并且負(fù)載熱負(fù)荷時(shí)間常數(shù)設(shè)定為Kt=2.87min，若接觸網(wǎng)的通電電流由0A上升至7600A且持續(xù)29s，熱過負(fù)荷保護(hù)將動(dòng)作，跳閘斷路器，使接觸網(wǎng)在該條件下能夠正常使用。

由上述計(jì)算方式，可得到地面接觸網(wǎng)線路的U-MLE熱過負(fù)荷參數(shù)設(shè)定，見表2。

根據(jù)公式計(jì)算，筆者建議將表2的整定值作為U-MLE保護(hù)裝置對(duì)地面接觸網(wǎng)的基準(zhǔn)熱過負(fù)荷保護(hù)定值，供設(shè)計(jì)人員參考。U-MLE保護(hù)裝置對(duì)高架接觸網(wǎng)的熱過負(fù)荷保護(hù)的整定值，同樣可通過上述計(jì)算方式得出。

結(jié)語

隨著城市軌道交通建設(shè)步伐的加快，完善直流供電系統(tǒng)的保護(hù)整定值配置以及運(yùn)營維保人員的校準(zhǔn)檢測(cè)方案，提升運(yùn)營穩(wěn)定性，變得越來越重要。

本文對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)的熱過負(fù)荷保護(hù)功能進(jìn)行了作詳細(xì)的論述，從計(jì)算和速查方法，得到較為合理的熱過負(fù)荷保護(hù)整定值，供設(shè)計(jì)人員參考。隨著城市軌道交通的發(fā)展，技術(shù)人員的專業(yè)知識(shí)深入，會(huì)有更多合理可靠的計(jì)算和測(cè)試方案被提出，提高運(yùn)營穩(wěn)定，增加設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

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