地鐵牽引供電系統(tǒng)直流饋線保護(hù)技術(shù)探究

孟科 周非 苗建科 周天鳴 趙陽

摘 要：地鐵直流牽引供電系統(tǒng)是地鐵系統(tǒng)的重要組成，直流饋線保護(hù)技術(shù)是地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的核心。我國地鐵牽引供電系統(tǒng)的研究起步晚，在快速的地鐵發(fā)展中供電系統(tǒng)出現(xiàn)了許多問題，供電系統(tǒng)保護(hù)裝置的可靠性在不同程度地下降。饋線保護(hù)技術(shù)是關(guān)系到直流牽引供電系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素，是保護(hù)地鐵牽引供電系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要保障。

關(guān)鍵詞：地鐵；地鐵牽引供電系統(tǒng)；直流饋線保護(hù)技術(shù)

中圖分類號(hào)：U231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）01-0148-02

Abstract： The direct current （DC） traction power supply system is an important part of subway system. DC feeder protection technology is the core of metro DC traction power supply system. The research of metro traction power supply system in our country started late， many problems appeared in the power supply system in the rapid development of subway， thus the reliability of the protection device of the power supply system declined in varying degrees. Feeder protection technology is a key factor related to the reliability of DC traction power supply system， so it is an important guarantee to protect the normal operation of subway traction power supply system.

Keywords： subway； subway traction power supply system； DC feeder protection technology

我國的城市軌道交通發(fā)展迅速，但整個(gè)城市軌道體系的相關(guān)配置并沒有完善，會(huì)對(duì)軌道交通的正常運(yùn)行造成干擾。地鐵牽引供電系統(tǒng)可以為地鐵提供牽引用電，而直流饋線保護(hù)系統(tǒng)可以保護(hù)供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，是地鐵牽引供電系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，在城市地鐵運(yùn)行領(lǐng)域?qū)χ绷黟伨€保護(hù)系統(tǒng)的研究和完善，對(duì)地鐵牽引供電系統(tǒng)的運(yùn)行有重要作用，有助于城市軌道交通減少故障，運(yùn)行順暢。

1 地鐵牽引供電系統(tǒng)

（1）地鐵供電系統(tǒng)。地鐵運(yùn)行過程中牽引供電系統(tǒng)的主要功能是保證地鐵正常運(yùn)行輸送電能，地鐵牽引供電系統(tǒng)中，直流供電系統(tǒng)由牽引變電站、架空接觸網(wǎng)組成，由于與地鐵直接相連，不易受到干擾且易于控制，在城市軌道交通中應(yīng)用廣泛。（2）地鐵供電系統(tǒng)牽引短路故障。地鐵牽引供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，由于地鐵啟動(dòng)造成的電流變化異常比發(fā)生短路故障的電流變化時(shí)間長，饋線故障所引起的短路電流和地鐵啟動(dòng)時(shí)的過電流也會(huì)相應(yīng)變化，并且呈指數(shù)函數(shù)形式。線路末端發(fā)生短路故障時(shí)，電流變化量要大于啟動(dòng)時(shí)的電流變化量[1]。當(dāng)供電線路前端發(fā)生短路故障時(shí)，異常電流變化會(huì)更加明顯，線路末端發(fā)生故障時(shí)，電流變化的最大值與地鐵啟動(dòng)時(shí)的電流變化最大值相同，如果供電系統(tǒng)的饋線長度增加，線路末端發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流變化率會(huì)減小。（3）供電保護(hù)系統(tǒng)。直流饋線保護(hù)技術(shù)中的直流斷路器按照功能一般分為整流回路斷路器和直流饋線斷路器，整流回路斷路器可以在整流器出現(xiàn)短路故障時(shí)及時(shí)切斷電流，直流饋線斷路器可以在供電線路出現(xiàn)故障時(shí)，斷開故障區(qū)域的牽引網(wǎng)。地鐵供電系統(tǒng)直流保護(hù)技術(shù)在運(yùn)行時(shí)，不能忽略除短路故障外的其他故障，在疑似短路故障發(fā)生后，要同時(shí)檢驗(yàn)是否存在其他故障原因。其次在地鐵供電系統(tǒng)正常運(yùn)行期間，地鐵啟動(dòng)所引起的過電流在通過直流保護(hù)系統(tǒng)時(shí)容易造成誤動(dòng)作，對(duì)地鐵正常運(yùn)行造成不必要的干擾。直流保護(hù)工作系統(tǒng)可以確保在供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)及時(shí)消除故障。（4）直流饋線保護(hù)技術(shù)的特點(diǎn)。地鐵啟動(dòng)時(shí)的電流變化率持續(xù)時(shí)間比短路電流變化率的持續(xù)時(shí)間長，可以作為減少誤操作的區(qū)分因素。與地鐵啟動(dòng)的瞬間電流量相比，短路電流量更高，鐵路延長時(shí)電流量可能更低。相比負(fù)荷電流變化率，短路電流的變化率更高，并與地鐵啟動(dòng)時(shí)的最高電流變化率一致，直流饋線延長時(shí)，故障電流的變化率要比負(fù)荷電流變化率更低[2]。（5）直流饋線保護(hù)技術(shù)的配置原則以及主要影響因素。牽引供電系統(tǒng)內(nèi)的直流系統(tǒng)故障形式主要有短路故障、過負(fù)荷故障、過壓故障等，最常見、危害最大的是短路故障，短路故障的發(fā)生與其短路點(diǎn)的位置和短路的性質(zhì)有緊密的關(guān)系。直流短路系統(tǒng)保護(hù)裝置要保證在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)可以快速并且有選擇地切斷故障線路，在系統(tǒng)過負(fù)荷時(shí)發(fā)出警報(bào)，在故障消除后盡快恢復(fù)供電，減少對(duì)地鐵供電和運(yùn)行的干擾，盡可能地保證在可靠安全供電的前提下，配置力求簡潔，避免配置過多，增加保護(hù)難度，也增加工程投資費(fèi)用[3]。

直流饋線保護(hù)系統(tǒng)要考慮的影響因素包括：各系統(tǒng)之間的設(shè)備相互配合關(guān)系，可以保證在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)切斷故障區(qū)域。保證在地鐵正常運(yùn)行時(shí)，不會(huì)因?yàn)檎`跳閘影響地鐵的正常運(yùn)行，避免地鐵在啟動(dòng)時(shí)受到?jīng)_擊電流的影響。1500伏直流饋線的保護(hù)配置應(yīng)保證在直流供電系統(tǒng)正常供電的情況下，在發(fā)生短路故障時(shí)可以快速跳閘。

2 地鐵牽引供電系統(tǒng)直流饋線保護(hù)技術(shù)

（1）大電流脫扣保護(hù)。大電流脫扣保護(hù)是指線路前端出現(xiàn)短路故障，從而會(huì)引起較大的過電流，對(duì)供電系統(tǒng)設(shè)備造成破壞時(shí)，有效避免這種情況。在檢測(cè)到短路電流高于動(dòng)作電流時(shí)，大電流脫扣保護(hù)可以及時(shí)進(jìn)行跳閘動(dòng)作，動(dòng)作異常靈敏。在出現(xiàn)近端短路故障時(shí)，必須保證在電流增量和電流上升率保護(hù)動(dòng)作開始前進(jìn)行跳閘。（2）定時(shí)過電流保護(hù)。定時(shí)過電流保護(hù)主要起到確保供電線路中小電流故障可以被及時(shí)清除的作用，清除故障時(shí)有一定的延時(shí)，因此制定整定值時(shí)有正負(fù)區(qū)分[4]。定時(shí)過電流保護(hù)是電流增量保護(hù)和電流上升率保護(hù)的后備措施，動(dòng)作時(shí)間要控制在幾十秒之內(nèi)，在切除故障時(shí)具有一定的延時(shí)性。定時(shí)過電流保護(hù)作為大電流脫口保護(hù)和電流上升率保護(hù)的后備保護(hù)，可以在直流饋線短路電流值超過預(yù)先設(shè)定的最大電流值時(shí)，通過直流饋線斷路器動(dòng)作跳閘來清除故障。設(shè)定最大電流值時(shí)，可以分別反方向設(shè)定電流值，地鐵運(yùn)行過程中，變電所內(nèi)直流饋線被用于直流供電時(shí)，線路發(fā)生故障，反向電流通過直流饋線斷路器，可以檢測(cè)并清除故障。（3）接觸網(wǎng)過熱負(fù)荷保護(hù)。在地鐵運(yùn)行高峰期會(huì)出現(xiàn)過電流，此時(shí)牽引網(wǎng)溫度升高，會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)造成破壞，設(shè)備損壞。接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護(hù)就是要避免接觸網(wǎng)過熱所設(shè)置的保護(hù)，根據(jù)對(duì)供電系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，并依據(jù)平時(shí)的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定整定值，在溫度超過整定值時(shí)，過熱負(fù)荷保護(hù)就會(huì)啟動(dòng)跳閘。根據(jù)接觸網(wǎng)的狀態(tài)計(jì)算接觸網(wǎng)的發(fā)熱量，在根據(jù)熱負(fù)荷和環(huán)境條件。計(jì)算出接觸網(wǎng)的電纜溫度。電纜溫度在超出規(guī)定值時(shí)報(bào)警，并發(fā)出跳閘命令，從而保護(hù)接觸網(wǎng)。由于接觸網(wǎng)特有的熱特性，保護(hù)裝置的曲線要與接觸線的曲線進(jìn)行配合，并于饋線電流保護(hù)進(jìn)行配合。（4）框架泄漏保護(hù)。在地鐵供電系統(tǒng)中開關(guān)設(shè)備柜出現(xiàn)短路情況時(shí)，產(chǎn)生的電流就會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞，在工作人員接觸開關(guān)設(shè)備柜時(shí)也會(huì)對(duì)工作人員造成安全威脅。由于設(shè)備與接地網(wǎng)直接連接，在設(shè)備出現(xiàn)特殊情況時(shí)會(huì)帶來異常的接地電流，通過框架泄露保護(hù)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在接地電流超過設(shè)定的整定值時(shí)，框架泄露保護(hù)就會(huì)啟動(dòng)，開啟電流保護(hù)動(dòng)作。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，沒有檢測(cè)到電流通過，而柜體發(fā)生損壞時(shí)，電流流入接地網(wǎng)，達(dá)到整定值，框架泄露保護(hù)動(dòng)作，斷路器和直流斷路器跳閘。（5）雙邊連跳保護(hù)。雙邊連跳保護(hù)是指連接接觸網(wǎng)的兩個(gè)牽引變電站，在接觸網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，其中一個(gè)變電站啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，另一個(gè)變電站收到保護(hù)動(dòng)作命令，兩個(gè)牽引變電站就會(huì)同時(shí)跳閘，減少故障帶來的影響，并有效排除故障。在具體操作中，兩個(gè)相鄰的牽引變電所在同一時(shí)間向同一段接觸網(wǎng)供電，在故障發(fā)生時(shí)，檢測(cè)到動(dòng)作信號(hào)，會(huì)向相鄰的變電所發(fā)送直流開關(guān)跳閘信號(hào)，引發(fā)相鄰變電所的直流開關(guān)跳閘。（6）自動(dòng)重合閘。地鐵牽引供電系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障一般為瞬間故障，在啟動(dòng)保護(hù)裝置切斷故障區(qū)域后，要啟動(dòng)自動(dòng)重合閘繼續(xù)起到保護(hù)作用。在自動(dòng)重合閘運(yùn)作時(shí)，需要確保牽引網(wǎng)線路不存在故障，不然會(huì)造成斷路器長時(shí)間切斷，對(duì)系統(tǒng)造成破壞[6]。要設(shè)定自動(dòng)重合閘啟動(dòng)次數(shù)超過限值時(shí)，將該部分確定為非瞬時(shí)性故障，不再啟動(dòng)自動(dòng)重合閘。在自動(dòng)重合閘運(yùn)行過程中，若線路故障被診斷為永久性故障，要先將變電所重啟，再開啟重合閘。在手動(dòng)分閘后，自動(dòng)重合閘不會(huì)再動(dòng)作。自動(dòng)重合閘的動(dòng)作次數(shù)超過預(yù)定次數(shù)時(shí)，合閘不成功，則為永久性故障，此時(shí)要閉鎖重合閘回路。（7）電流增量保護(hù)與電流上升率保護(hù)。電流增量保護(hù)與電流上升率保護(hù)是直流饋線保護(hù)技術(shù)中的主要措施，在發(fā)生故障時(shí)，可以將近端短路電流切斷，也可以做到大電流脫扣保護(hù)，短路故障切除能夠有效避免電路中電流上升率保護(hù)的干擾問題。延時(shí)跳閘主要用于遠(yuǎn)端短路電流識(shí)別和調(diào)查。智能系統(tǒng)在正常工作中通過保護(hù)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流上升率，在既定的時(shí)間內(nèi)被保護(hù)鎖定，則電流上升率保護(hù)動(dòng)作進(jìn)入延時(shí)階段，電流上升率始終比保護(hù)設(shè)定值高，在啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，電流上升率位置在設(shè)定值保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)電流增量進(jìn)行計(jì)算，電流上升率始終高于保護(hù)設(shè)定的，電流總量也高于保護(hù)設(shè)定值，此時(shí)電流增量實(shí)施保護(hù)動(dòng)作。（8）低電壓保護(hù)。低電壓保護(hù)主要用于地鐵的正常工作電壓保護(hù)，地鐵運(yùn)行所允許的最低工作電壓時(shí)間要大于可能出現(xiàn)的故障造成的停電間隔，在地鐵供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可以成為其它管線保護(hù)的后備保護(hù)設(shè)備。（9）逆流保護(hù)。在整流器回路出口短路的電流通過時(shí)，逆流保護(hù)會(huì)瞬時(shí)啟動(dòng)，保護(hù)供電系統(tǒng)，由于引起逆流保護(hù)的斷路器電流都很小，因此可按照小于斷路器額定電流的一半進(jìn)行逆流保護(hù)電流量的確定。（10）直流保護(hù)配合的驗(yàn)證。直流牽引供電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)的整定值可以通過計(jì)算確定，也可以通過直流短路試驗(yàn)，在通過計(jì)算得出整定值后，還要測(cè)驗(yàn)其能否配合地鐵的正常運(yùn)行。通過直流短路試驗(yàn)結(jié)果分析，最終才能確定保護(hù)的整定值。

3 結(jié)束語

地鐵牽引供電系統(tǒng)的直流饋線保護(hù)技術(shù)的質(zhì)量直接影響地鐵運(yùn)行的穩(wěn)定性，對(duì)于地鐵牽引供電系統(tǒng)，加強(qiáng)保護(hù)措施具有非常重要的意義，進(jìn)一步完善直流饋線保護(hù)技術(shù)，可以有效保證地鐵穩(wěn)定供電，對(duì)地鐵牽引供電系統(tǒng)的順利運(yùn)行有重要作用。相關(guān)技術(shù)人員要做好地鐵牽引供電系統(tǒng)直流饋線保護(hù)技術(shù)的探索研究，對(duì)直流饋線保護(hù)技術(shù)以及核心技術(shù)措施進(jìn)行分析總結(jié)，提高地鐵牽引供電系統(tǒng)直流饋線保護(hù)技術(shù)的質(zhì)量和水平。對(duì)于具有的直流饋線保護(hù)系統(tǒng)，要根據(jù)線路運(yùn)行的實(shí)際情況和各種影響因素來設(shè)計(jì)保護(hù)方案。

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