地鐵直流牽引供電系統(tǒng)保護配合的探討

張洪松

摘要：地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的電氣保護是否完善、保護定值是否合理，是關系到地鐵運營安全、人命關天的大事。本文對地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的保護配合進行了闡述。

關鍵詞：地鐵;直流牽引;供電系統(tǒng);保護配合

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的安全可靠運行是由直流供電控制和保護裝置提供保障。在保證牽引供電系統(tǒng)安全可靠地向列車供電方面，直流牽引供電系統(tǒng)的保護發(fā)揮了極其重要的作用。

一、牽引供電系統(tǒng)概述

地鐵供電系統(tǒng)的電源一般取自地方110kV電源，并通過地鐵供電系統(tǒng)內部的主變電所進行電壓變換，然后通過高壓供電到各個牽引變電所變壓整流為直流供車輛使用。它是地鐵供電系統(tǒng)的關鍵部分，負責降壓，整流和饋電等重要部分，并負責對地鐵運營車輛提供電能。

二、直流牽引供電系統(tǒng)保護配合的意義

直流供電系統(tǒng)包括直流開關柜、控制和保護系統(tǒng)、直流電纜、接觸網等。其中控制和保護系統(tǒng)對確保軌道交通的安全、可靠的運行具有舉足輕重的作用。它一方面確保向地鐵列車提供安全可靠的供電，減少甚至消除不必要的停電時間，從而提高經濟效益;另一方面在直流牽引供電系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，應有選擇性地迅速切除故障，以保證列車、設備和旅客的人身安全。除可靠性要求外，直流牽引供電保護系統(tǒng)必須在系統(tǒng)發(fā)生故障時快速、準確地切除故障，同時還要避免列車正常運行時一些電氣參數的變化引起保護裝置誤跳閘。

三、地鐵直流牽引供電保護的內容及原理

1、能適用于所有線路供電方案，變動靈活，如單邊供電，雙邊供電供電等。

2、應充分考慮各種保護之間的相互配合關系，以保證在直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，能可靠地切斷故障。

3、能正確可靠地區(qū)分牽引電流和故障電流、基本保護和后備保護。直流保護系統(tǒng)應保證列車在正常運行時，不會誤跳閘而影響列車運行，例如：列車啟動時造成的短時間起動電流過大、電壓下降的影響，列車過接觸網分段時由于車頭內濾波電容充電引起的di/dt、沖擊變化的影響。

4、直流保護系統(tǒng)應充分考慮某些特殊的故障形式下的保護，如接觸網與架空接地線的短路、接觸網與隧道內電纜支架的短路故障等。

四、直流牽引系統(tǒng)保護配置原則

對不同的地鐵牽引供電系統(tǒng)，直流牽引系統(tǒng)的保護配置可能不相同，但保護的作用相同。只要能滿足保護要求，保證系統(tǒng)安全可靠地供電，系統(tǒng)應盡量少配置一些保護，因保護裝置配置得太多，一方面增大了系統(tǒng)投資，另一方面會增加保護配合的難度。

對以第三接觸軌供電方式的地鐵供電系統(tǒng)，由于供電電壓為直流750V，因供電距離短但回路電阻相對較大，短路電流相對較小，有時會存在短路電流很難與列車牽引負荷電流區(qū)分開的情況。由于早期直流保護系統(tǒng)缺少性能優(yōu)越的保護裝置，一般僅設電流速斷和過電流保護裝置來切斷故障，保護的效果往往不太理想。為了解決以上問題，一種方法是增加直流雙邊聯跳保護。因直流牽引系統(tǒng)正常情況下采用雙邊供電，當雙邊供電線路上出現短路故障時，往往相對于某一側的牽引變電所為近端故障，短路電流較大，容易使電流保護動作，而對另一側為遠端故障，其短路電流往往不能引起直流斷路器跳閘。若采用直流雙邊聯跳保護，則另一側的直流斷路器也會立即跳閘。另一種方法是采用直流雙邊聯跳保護與低電壓保護相配合，因為發(fā)生短路情況，總會引起直流電壓下降。這樣當電流大而過電流保護不能動作時，低電壓保護可做為上述保護的后備保護。

對采用架空接觸網的牽引供電系統(tǒng)，供電電壓為直流1500V。在牽引變電所近端發(fā)生故障時，短路電流大，電流速斷和過電流保護裝置可切斷故障。但當故障發(fā)生在中、遠端時，由于線路阻抗變大，短路電流相對變小，電流速斷和過電流保護可能不會動作，目前一般采用能反應故障電流上升率di/dt和電流增量的保護裝置來使斷路器跳閘。所以，若在直流牽引供電系統(tǒng)中，配備大電流脫扣保護、電流上升率di/dt和電流增量保護、直流雙邊聯跳保護和低電壓保護，無論怎樣的牽引供電方式，直流系統(tǒng)保護均能保證安全、可靠供電的要求。

因此，地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中的保護配置應結合供電系統(tǒng)的實際情況、直流快速斷路器的性能及直流保護裝置的功能，針對性地加以選擇。

五、地鐵直流供電系統(tǒng)的保護方法

1、大電流脫扣保護。大電流脫扣保護是一種基于電流大小的保護，屬于斷路器本體自帶的機械保護，作用于切斷例如金屬性短路的短路電流。當金屬性短路故障發(fā)生時，尤其是近端金屬性短路故障發(fā)生時，接觸網/接觸軌將被短路電流造成巨大的損壞，故此類短路電流出現必須立即切斷，并且必須在其到達電流峰值前進行切斷。所以，該保護一般作為近端金屬性短路的主保護，對金屬性短路故障中的近端短路尤為靈敏和有效。

當檢測到電流瞬時超過大電流脫扣保護整流電流值時，其大電流脫扣裝置即動作使開關切斷分閘。大電流脫扣保護裝置的固有動作時間僅10毫秒以下，故大電流脫扣保護非常迅速、靈敏。對近端金屬性短路，電流上升往往較快，而大電流保護先于電流上升率及電流增量保護動作，故該保護在金屬性短路故障中靈敏度最高。

2、電流上升率di/dt和電流增量保護。電流上升率di/d t和電流增量保護，為接觸網中、遠端保護，該保護應確定E值（起動值），F值（返回值），值（電流上升率di/dt保護的延遲時間），電流增量定值及電流增量保護的延遲時間t。

電流上升率di/dt的設定，一般應大于機車電流的變化率和小于最小短路電流的變化率。由于機車電流的最大變化率遠小于最小短路電流的變化率，因此設定值選取范圍較大，為了避免機車啟動時引起該保護的誤動作，E值的選取為t等于零時di/dt的值，而F值選為機車啟動電流的變化率。

保護應在大電流脫扣跳閘裝置后動作，一般情況，為了避免誤動作，的設定，應盡可能高，但由于設置太高，不能保護遠端，所以保護的設定還要根據系統(tǒng)實際情況來選用合適的值。

（電流上升率di/dt保護的延遲時間）的設定和電流增量保護的延遲時間t的設定，由于機車內有濾波器，帶有電感和電容，當機車受電弓過接觸網分段絕緣器時，濾波器有一個充電過程，這時有可能啟動di/dt和保護。所以di/dt和保護動作延遲時間應大于由于機車內有濾波器而引起諧振的誤動時間。由于在諧振周期內半個周期時諧振波將過零點，使得di/dt在過零點時因小于F值而返回。所以，只要保證和t大于半個機車諧振周期即可避免di/dt和保護不受機車諧振的影響。另外，在設定時間時還需考慮一個誤差值。

3、定時限過流保護。若直流饋線大電流脫扣保護、di/dt和保護不能動作時，則可依靠過電流保護做為上述兩種保護的后備保護。為了擴大保護的范圍，過電流保護的設定值應盡量小，時間應盡量長，并應大于上述兩種保護的延遲動作時間，還需考慮接觸網過負荷特性。一般，電流設定應按照饋線最大負荷計算，延遲時間應根據機車啟動時電流峰值時間和接觸網電流與時間曲線來確定。

4、低電壓保護。低電壓保護作為饋線的后備保護，其保護設定應低于機車受電回路低電壓保護裝置的設定。動作時間應考慮機車啟動時電壓下降時間、直流饋線斷路器主保護跳閘時間，以免斷路器誤動作。

5、逆流保護。一旦直流進線整流器回路出口短路，短路電流很大，則逆流保護應瞬時動作，因正常運行時逆流很小，因此可按小于斷路器額定電流的50%來設定。

六、結語

隨著地鐵系統(tǒng)的快速發(fā)展，直流牽引供電系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應用，地鐵牽引供電系統(tǒng)普遍采用直流系統(tǒng)，為了保證列車正常運行和在故障情況下保障設備及人身安全，需對直流供電系統(tǒng)配置詳備的保護系統(tǒng)。

參考文獻：

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[2]丁復華.地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的電氣保護與定值[J].都市快軌交通，2015（09）.