地鐵直流牽引供電系統(tǒng)常用保護(hù)技術(shù)研究

蔣維佳 陳鑫

摘要：隨著近年地鐵市場業(yè)務(wù)在各大城市的快速推廣，地鐵的安全可靠運(yùn)行也變得尤為重要。由于國內(nèi)直流供電起步較晚，直流保護(hù)技術(shù)發(fā)展相對較慢。因此，研究和開發(fā)本地化的高可靠性、高智能化的保護(hù)技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。為此，本文圍繞地鐵供電系統(tǒng)，對常用的電流、電壓保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了分析和研究。

關(guān)鍵詞：地鐵牽引供電;保護(hù);短路

引言：通過檢測地鐵供電系統(tǒng)中電流、電壓等主要參量，根據(jù)保護(hù)策略來判斷地鐵供電系統(tǒng)中是否發(fā)生故障，如果發(fā)現(xiàn)有短路等故障存在，則要在規(guī)定的時間周期內(nèi)，采用系統(tǒng)的控制方法使斷路器跳閘，從而達(dá)到保護(hù)供電系統(tǒng)和自動排除故障的目的。跳閘以后，按照控制要求，系統(tǒng)要能對供電系統(tǒng)進(jìn)行測試，判定故障是否依然存在，如果故障消失則自動重合閘[1]。

1 地鐵直流牽引網(wǎng)短路電流特點(diǎn)及直流保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)

1.1 地鐵直流牽引供電系統(tǒng)短路電流特點(diǎn)分析

相比地鐵列車起動時的電流變化率持續(xù)時間，中遠(yuǎn)端短路電流變化率的持續(xù)時間較長，其列車起動電流及瞬時故障短路電流都可以模擬為指數(shù)函數(shù)。由于地鐵列車起動的瞬時跳躍量，末端短路電流的瞬時跳躍量較高，而線路較長時情況可能相反。相比較負(fù)荷電流變化率，通常短路電流的變化率要高，而遠(yuǎn)端短路電流變化率同地鐵起動的最高電流變化率相一致，當(dāng)直流饋線不斷延長時，末端故障電流變化率可能要低于負(fù)荷電流變化率。若車流密度及直流饋線距離達(dá)到一定值時，最高負(fù)荷電流可能會高于或等于末端短路電流。

1.2 地鐵直流保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)

直流牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)，主要采用直流開關(guān)設(shè)備實(shí)施保護(hù)。在系統(tǒng)中，依據(jù)功能狀況劃分為饋線回路與整流器回路。直流饋線回路主要是對饋線側(cè)的牽引供電控制和保護(hù)，主要是對變電所接觸網(wǎng)及直流電纜出現(xiàn)的故障及時切除;整流器回路主要用于對整流器側(cè)的直流輸出進(jìn)行控制和保護(hù)，主要是將整流器出現(xiàn)的直流輸出故障及時斷開。直流保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計要點(diǎn)有：其一，分析部分特殊故障形勢下的保護(hù)，如屏蔽門與接觸網(wǎng)的短路故障、隧道電纜支架與接觸網(wǎng)的短路、架空接地線與接觸網(wǎng)的短路等。其二，直流保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)避免誤跳閘問題以降低對地鐵運(yùn)行的影響，如：地鐵列車在經(jīng)過接觸網(wǎng)分段時的沖擊電流影響、地鐵起動電流和電壓的影響等。其三，各類保護(hù)之間的配合，確保直流系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時故障能夠有效切除[2]。

2 地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的饋線保護(hù)技術(shù)

2.1 大電流脫扣保護(hù)

對于電流上升非?？斓慕硕搪?，大電流脫扣保護(hù)往往先于電流速斷保護(hù)動作。大電流脫扣保護(hù)的整定依據(jù)主要是短路電流值和最大饋線電流值。以牽引整流機(jī)組容量為3000kW的1500Vdc牽引供電系統(tǒng)為例，其遠(yuǎn)端短路電流一般不低于20kA，最大饋線電流一般不超過3kA，而大電流脫扣保護(hù)整定范圍一般為4～12kA，整定值通常在6kA以上。按每列車前后兩端各設(shè)一個受電弓，列車的最大啟動電流3kA考慮，當(dāng)列車前端受電弓通過圖1中節(jié)點(diǎn)A時，饋電電流I2的電流增量為750A左右，即使與最大饋線電流相加，也不會超過3kA，因此正常的地鐵運(yùn)行電流不會影響大電流脫扣保護(hù)動作的可靠性。

2.2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)是地鐵直流饋線保護(hù)中的主保護(hù)，其不僅能夠?qū)⒔说亩搪冯娏髑谐?，還能將大電流脫扣保護(hù)未能切除的小故障電流的遠(yuǎn)端短路故障切除。此種保護(hù)的配置方式能有效避免單獨(dú)采用電流增量保護(hù)的拒動問題，以及單獨(dú)使用電流上升率保護(hù)的干擾誤動問題。其保護(hù)動作通常分為瞬時跳閘和延時跳閘兩部分。當(dāng)瞬時電流超過整定門限，斷路器本體立即跳閘。延時跳閘元件主要用于對遠(yuǎn)端短路電流進(jìn)行識別并實(shí)施跳閘。此種保護(hù)的動作原理為：第一，在直流系統(tǒng)正常工作中，保護(hù)裝置對電流上升率進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，若電流上升率在既定時間內(nèi)比保護(hù)整定的電流上升率高時，則電流上升率保護(hù)動作，進(jìn)入延時階段;如果在延時階段內(nèi)電流的上升率始終比保護(hù)設(shè)定值高，則啟動保護(hù)動作;若在延時階段內(nèi)，電流的上升率恢復(fù)到保護(hù)設(shè)定值范圍內(nèi)，則保護(hù)返回。第二，在電流上升率保護(hù)動作開始時，電流增量保護(hù)也會進(jìn)入保護(hù)延時階段，且保護(hù)以繼電器啟動時刻的電流為基線對相對電流增量進(jìn)行計算。當(dāng)電流上升率始終高于保護(hù)設(shè)定值時，當(dāng)滿足電流增量保護(hù)延時值時，電流增量同時也會高于保護(hù)設(shè)定值，此時電流增量保護(hù)動作。

在運(yùn)行中，保護(hù)裝置不斷檢測電流上升率， 當(dāng)電流上升率高于保護(hù)設(shè)定的電流上升率時，保護(hù)啟動， 進(jìn)入延時階段。若在整個延時階段，電流的上升率都高于保護(hù)設(shè)定值，那么保護(hù)出口跳閘;若電流上升率回落到保護(hù)設(shè)定值之下，那么保護(hù)返回。圖1反映了一個電流波形在兩種保護(hù)整定值下的動作情況，分別用（1）和（2）來代表。在點(diǎn)a由于電流上升率高于di/dt整定值，保護(hù)啟動。

情況（1）：在b點(diǎn)，電流達(dá)到保護(hù)延時整定，且在ab間電流上升率始終高于di/dt整定值，保護(hù)動作。情況（2）：在c點(diǎn)，電流上升率回落到保護(hù)整定值下，而此時保護(hù)延時整定值尚未達(dá)到，保護(hù)返回。

電流增量保護(hù)需設(shè)置如下4項參數(shù)：跳閘整定值延時整定值、返回延時整定值、斜率。在電流上升率保護(hù)啟動的同時，電流增量保護(hù)也啟動，進(jìn)入保護(hù)延時階段， 從電流增量保護(hù)啟動的時刻起，繼電器開始以啟動時刻的電流作為基準(zhǔn)點(diǎn)來計算相對電流增量值。若電流上升率一直維持在電流增量保護(hù)要求的斜率整定值之上且在達(dá)到額定延時后，電流增量值達(dá)到跳閘整定值，則保護(hù)動作。在計算電流增量的過程中，允許電流上升率在相對較短的時間內(nèi)回落到斜率整定值之下，只要這段時間不超過電流上升率的返回延時整定值，保護(hù)不返回;反之，保護(hù)返回。圖2反映了電流增量保護(hù)針對4種典型電流的動作情況[3]。

情況（1）：保護(hù)未動作，電流增量雖然超過跳閘整定值，但延時時間不足。

情況（2）：保護(hù)動作，電流增量超過跳閘整定值，延時時間滿足。

情況（3）：保護(hù)動作，電流增量超過跳閘整定值，延時時間滿足。在電流上升的過程中，雖然電流上升率曾經(jīng)回落到斜率整定值（di/dt整定值）以下，但未達(dá)到返回延時值，因此保護(hù)未返回。

情況（4）：保護(hù)未動作，在電流上升的過程中，電流上升率回落到斜率整定值以下，且超過返回延時值，因此保護(hù)返回，在e點(diǎn)保護(hù)重新起動，并以e點(diǎn)作為新基準(zhǔn)點(diǎn)。

2.3 框架泄漏保護(hù)

框架泄漏保護(hù)是針對直流設(shè)備特性而特別設(shè)置的，其原理是當(dāng)直流設(shè)備的正極對柜體外殼發(fā)生絕緣損壞時，快速切除故障，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行?？蚣苄孤┍Ｗo(hù)分為電流保護(hù)和電壓保護(hù)。直流設(shè)備正常運(yùn)行時，電流檢測回路是沒有電流通過的。當(dāng)直流設(shè)備的正極對柜體外殼發(fā)生絕緣損壞時，電流通過電流元件流入地網(wǎng)。當(dāng)電流達(dá)到整定值時，框架泄漏保護(hù)的電流元件動作，整流機(jī)組中壓斷路器及所有直流斷路器跳閘，且聯(lián)跳相鄰變電所內(nèi)向相同供電區(qū)段供電的直流斷路器。聯(lián)跳所的直流饋出斷路器在跳閘后，可通過PSCADA遠(yuǎn)方復(fù)歸故障信號或在變電所內(nèi)由人工復(fù)歸故障信號后投入該斷路器。故障變電所不能通過PSCADA遠(yuǎn)方復(fù)歸故障信號，必須在現(xiàn)場故障排除以后，由人工復(fù)歸故障信號，各斷路器才能重新投入?？蚣苄孤┍Ｗo(hù)的電壓元件根據(jù)人體耐受電壓-時間特性曲線進(jìn)行整定，其由兩段組成：Ⅰ段報警，Ⅱ段跳閘。為減少雜散電流，供電系統(tǒng)中配置有排流柜。排流柜未投入使用時，電壓元件作為電流元件的后備保護(hù)，排流柜投入使用時，應(yīng)將電壓元件撤除[4]。

結(jié)論：

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的核心是直流供電的控制和保護(hù)技術(shù)，它直接關(guān)系到地鐵安全可靠的運(yùn)行。本文通過對地鐵常用大電流脫扣、電流增量及上升率等保護(hù)的研究，對國產(chǎn)地鐵直流供電相關(guān)技術(shù)具有理論價值和借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐勁松，高勁，江平，等.淺析地鐵直流牽引變電所的保護(hù)原理[J].電氣化鐵道，2017，06（10）：61-62.

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[3]周捷，宋云翔，徐勁松，等.直流牽引供電系統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)測控探討[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016，12（29）：62-63.

[4]王曉紅.地鐵直流饋線保護(hù)研究[D].西南交通大學(xué)，2016，05（35）：57-58.