地鐵DC1500 V牽引供電系統(tǒng)繼電保護方案分析

許銳坤

（廣州地鐵集團有限公司運營事業(yè)總部OCC控制中心，廣東 廣州 510000）

1.地鐵供電系統(tǒng)特點

與其他供電系統(tǒng)不同，地鐵供電系統(tǒng)有獨特的特點需要獨立設(shè)計。目前，地鐵供電系統(tǒng)變電站以集中供電為主，建立主變電所和車站變電所，一般情況下，主變電所和車站變電所之間的距離在4 km以內(nèi)，如果主變電所和車險變電所之間的距離大于4 km，一般會在中間設(shè)置區(qū)間變電所。但實際上，地鐵的變電所之間距離很短，因此一般的電路保護方案并不適用于地鐵供電系統(tǒng)，所以，地鐵的供電系統(tǒng)都是獨特的。另外，地鐵的供電系統(tǒng)好壞將會直接影響地鐵的正常運行，因此，當(dāng)變電所的一條供電線路損壞時，要確保同一變電所的另一條供電線路能夠正常運行，滿足地鐵的負(fù)荷要求。供電系統(tǒng)在發(fā)生故障時，繼電保護配置要保證在切斷故障部位時影響范圍較小，在安全的前提下保證地鐵的正常運行，因此，對于地鐵供電系統(tǒng)的繼電保護配置方案應(yīng)當(dāng)不斷優(yōu)化。

圖1 地鐵動力供電系統(tǒng)示意圖

2.地鐵直流保護系統(tǒng)的設(shè)計重點

地鐵直流繼電保護系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容與其他繼電保護系統(tǒng)不同，要符合地鐵運行的特點，要保證地鐵在運行過程中的安全。地鐵直流保護系統(tǒng)中設(shè)計的重點內(nèi)容在于直流電在運送的過程中保護系統(tǒng)能夠?qū)收线M(jìn)行識別與處理，但是并不影響地鐵的正常運行與供電，首先地鐵直流保護系統(tǒng)要能夠?qū)σ恍┨厥庑问较碌谋Ｗo進(jìn)行分析，比如屏蔽門與接觸短路故障、架空接地線與接觸網(wǎng)短路、隧道電纜支架與接觸網(wǎng)短路等等，這些重點位置的保護在保護系統(tǒng)中的設(shè)計需要重點關(guān)注，采取特殊的措施及手段進(jìn)行線路保護。其次，地鐵在正常運行時可能會出現(xiàn)誤跳閘的情況，且發(fā)生的概率較大，直流保護系統(tǒng)要能夠?qū)Φ罔F經(jīng)常出現(xiàn)的誤跳閘情況進(jìn)行有效的防治，避免其影響直流電流正常的輸送功能和地鐵的正常供電。最后，對保護系統(tǒng)各個保護功能進(jìn)行優(yōu)化升級，以便在電路輸送過程中發(fā)生故障時能夠第一時間切除故障，提高故障處理的效率。

3.主要保護的原理

在地鐵直流1500V牽引供電系統(tǒng)中發(fā)生故障是常見的，主要故障類型有短路故障、過負(fù)荷故障、過壓故障等等，其中經(jīng)常發(fā)生的應(yīng)當(dāng)是短路故障，地鐵直流系統(tǒng)中短路故障主要有兩種類型，一種是正極對負(fù)極短路，另一種則是正極對大地短路，直流系統(tǒng)中設(shè)計的保護系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)有針對短路故障專門設(shè)置的處理方法。直流保護系統(tǒng)中所設(shè)置的保護工作多半是為了切斷第一種故障，而對第二種故障則是采取框架保護的形式。

大電流脫扣保護:大電流脫扣保護是直流保護系統(tǒng)中主要保護的一部分，一般是切除金屬性近端短路故障，這種保護形式是直流電保護系統(tǒng)中設(shè)置的固有保護形式，沒有延時性，這種保護性質(zhì)通保護系統(tǒng)中斷路器內(nèi)設(shè)置的脫扣器來實現(xiàn)。當(dāng)通過斷路器的電流超過整定值時，脫扣器能夠?qū)崿F(xiàn)自動跳閘。在這一保護過程中，電流整定值是通過計算與分析得來的，當(dāng)面臨大電流時可以保證自動跳閘，切斷電路，避免大電流對整個電路產(chǎn)生影響。

電流上升率保護:當(dāng)中、遠(yuǎn)端電路通過小電流發(fā)生故障時，就會啟動電流上升率保護，直流系統(tǒng)中設(shè)置的保護功能能夠自主區(qū)分是地鐵正常運行時產(chǎn)生的短路故障，還是中遠(yuǎn)端電流發(fā)生了短路故障。大電流脫扣保護只能保護地鐵在正常運行時發(fā)生的短路故障，而對于中遠(yuǎn)段地區(qū)的短路故障可以利用電流上升率保護措施。電流上升率是定值，當(dāng)超過這一定值時保護系統(tǒng)就會自動跳閘。當(dāng)通過的電流超過電流上升率固定值時，其系統(tǒng)保護功能能夠快速有效地做出跳閘反應(yīng)措施，避免產(chǎn)生過大的風(fēng)險故障。

定時限過流保護:在一定時間內(nèi)通過電流的數(shù)值是在一定范圍之內(nèi)的，如果超過這個范圍，那么就會有發(fā)生短路的可能，影響到整個地鐵列車的行進(jìn)安全。因此，要保證一定時間內(nèi)通過電流的數(shù)量，即定時限過流保護，一般情況下，保護的電流整定值較小，當(dāng)通過的電流第一次超過定值時，保護系統(tǒng)會自動啟動保護程序，當(dāng)通過的電流一直在超過定值時，可以認(rèn)為是短路電流，會觸動跳閘。如果中間某一時刻通過的電流沒有超過定值，那么保護系統(tǒng)會自動返回，等待下次重啟。

低電壓保護:低電壓保護欲定時限過流保護作用一樣，是電流上升率保護的后備保護，與定時限過流保護不同的是，低電壓保護一般情況下要與其他保護形式共同作用，相互配合，單獨作用下并不會讓總電站發(fā)生跳閘。這種保護模式下也有整定值，而它的整定值必須與列車正常運行時的運行情況相互配合。當(dāng)?shù)碗妷罕Ｗo系統(tǒng)啟動時，應(yīng)考慮最大負(fù)載下列車的啟動電流和啟動時間，同時還要考慮在一個變站內(nèi)多輛列車同時運行連續(xù)啟動的情況。

雙邊聯(lián)跳保護:在某些列車供電系統(tǒng)中，是兩個變電站對其共同供電，采用的是雙邊供電的接觸網(wǎng)，這種情況在實際生活中很常見，也是常見的一種保護模式，當(dāng)其中一個變電站的供電線路發(fā)生故障時是會發(fā)生聯(lián)跳反應(yīng)，引起另一個變電站直流電路器發(fā)生跳閘。這種雙邊聯(lián)跳的保護模式可以盡量保證是兩個變電站的地鐵列車在發(fā)生故障時不會影響到另一個變電站的正常工作，在事故發(fā)生時可以保證接觸網(wǎng)短路電流的保護。

框架保護:在上文中提到，短路發(fā)生時，正極對大地短路是常見的容易引起短路的位置。而框架保護就是針對正極對大地或者是接觸網(wǎng)對架空地線短路時。在正常沒有短路的情況下，負(fù)極與地的絕緣良好，不會有電流產(chǎn)生，當(dāng)發(fā)生短路時會產(chǎn)生電流，如果使用電流檢測元件是可以檢測到電流的，那么就要啟動框架保護。因此，電流檢測元件是框架保護的主保護，電壓檢測元件是作為后備保護的?？蚣鼙Ｗo的好處是能夠迅速跳開同一個變電站的所有直流開關(guān)，以及鄰所其他直流開關(guān)，而且需要人工復(fù)位后才會繼續(xù)運行。

圖2 接觸網(wǎng)對架空地線短路

接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護:接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護，其實是消除熱過負(fù)荷故障，而不是短路故障。其主要的工作原理是通過測量接觸網(wǎng)的電阻，計算電流值，從而計算出接觸網(wǎng)的發(fā)熱量，通過接觸網(wǎng)的熱負(fù)荷特性以及當(dāng)時的環(huán)境可以計算出電纜的溫度，當(dāng)電纜溫度超過一定值時就會跳閘，使直流開關(guān)處于閉合狀態(tài)。而當(dāng)溫度逐漸冷卻時，直流開關(guān)又會自動打開，呈現(xiàn)一個控制電纜溫度的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

4.存在的問題

關(guān)于多輛列車短時間內(nèi)相繼啟動:地鐵內(nèi)不可能只有一輛列車運行，當(dāng)一輛列車運行時直流電路可能不會發(fā)生故障，同一時間內(nèi)如果另一輛列車運行那么可能會導(dǎo)致直流電路短路，這種可能性是存在的，雖然在實際中還沒有發(fā)生過，并不代表它不存在。因此，在今后的直流電路保護中應(yīng)當(dāng)考慮多輛列車短時間內(nèi)相繼啟動時的電流，避免發(fā)生短路故障。

關(guān)于小電流短路故障:小電流短路故障是地鐵供電系統(tǒng)中可能會發(fā)生的問題，而小電流故障是因為故障點距離牽引所很遠(yuǎn)。當(dāng)短路點靠近其中一個牽引所時，近端短路往往很容易檢測到短路故障。而當(dāng)短路點位于兩個牽引所中間位置時，小電流短路故障可能不會被檢測到。另外，短路點的電弧過大也會引起發(fā)生故障，對于電弧過大造成的電流短路故障，可能需要針對電弧的特性進(jìn)行研究，給電弧的電流建立一個模型，避免發(fā)生小電流短路故障。

關(guān)于框架保護的選擇性:框架保護一般適用于小電流發(fā)生短路故障時，而對于電流過大引起短路故障時，小電流短路故障無法像大電流短路故障一樣容易被發(fā)現(xiàn)，一直以來都是困擾地鐵供電保護系統(tǒng)的一個難題，尋找準(zhǔn)確的定位點才可以針對短路故障進(jìn)行研究與探索，解決發(fā)生短路故障的問題。

5.結(jié)語

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)是地鐵眾多系統(tǒng)中的一種，與普通變電所不同，地鐵變電所具有獨特的特點，同時，由于每個城市在建立地鐵運行系統(tǒng)時所處的環(huán)境和地理位置不同，因此，地鐵直流牽引供電系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)當(dāng)它的特點采取獨特設(shè)計。地鐵直流供電保護系統(tǒng)在設(shè)計時重點內(nèi)容應(yīng)當(dāng)在于發(fā)生短路故障時應(yīng)當(dāng)如何處理，針對不同的短路故障發(fā)生原因其保護處理過程又是不同的。本文在介紹了多種引起短路故障的可能性，同時又針對發(fā)生短路故障的原因設(shè)計直流保護系統(tǒng)，在發(fā)生故障時能夠自動解決。本文列舉了七種保護方案，在面對不同原因短路故障時系統(tǒng)是如何進(jìn)行保護處理的。最后，又提出了當(dāng)前地鐵直流供電保護系統(tǒng)中可能存在的問題，這些問題還有待解決的空間。研究地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的保護，能進(jìn)一步保證地鐵的正常運行，地鐵作為一種城市交通工具，也因為是在地下運行，因此而得名，地鐵在運行中如果發(fā)生故障，其后果是不堪設(shè)想的，而直流保護系統(tǒng)的研究可以進(jìn)一步提高地鐵運行的安全性，讓地鐵成為一個安全，值得人們信任的交通工具，同時也能促進(jìn)我國直流供電保護系統(tǒng)的研究水準(zhǔn)。