基于正負(fù)饋線電流的專用軌接地故障保護(hù)方案

金海奇，張向軍

0 引言

近年來(lái)隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，為緩解城市交通擁堵，速度快、運(yùn)量大、污染小、不堵車的城市軌道交通得到迅速發(fā)展。軌道交通的電力牽引網(wǎng)為機(jī)車提供動(dòng)能，是軌道交通系統(tǒng)重要的組成部分。

目前，國(guó)內(nèi)城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)多采用直流供電，通過(guò)接觸網(wǎng)或接觸軌向機(jī)車供電，利用機(jī)車的走行軌回流[1]。然而，采用走行軌實(shí)現(xiàn)回流的供電方式，部分牽引電流會(huì)通過(guò)走行軌進(jìn)入道床形成雜散電流，對(duì)走行軌及其沿線的金屬設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，進(jìn)而影響地鐵建筑結(jié)構(gòu)和金屬設(shè)備的使用壽命。為抑制雜散電流腐蝕的影響，傳統(tǒng)的處理方法通常采用堵、排、測(cè)3種主要手段，但是隨著時(shí)間推移，在潮濕、金屬粉塵（閘瓦制動(dòng)）等因素的影響下，這些常規(guī)防護(hù)措施的效果日益衰減。為了根本解決雜散電流問(wèn)題，國(guó)內(nèi)部分地鐵線路采用專用軌回流牽引供電系統(tǒng)[2，3]，即設(shè)置專用的負(fù)極軌用于回流，負(fù)極回流軌對(duì)地具有良好的絕緣性能，可以基本杜絕雜散電流的產(chǎn)生。然而，負(fù)極回流軌良好的對(duì)地絕緣也極大地限制了故障電流的快速增加，傳統(tǒng)的直流保護(hù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)正極接地故障的判斷和隔離。

本文以專用軌回流牽引供電系統(tǒng)為研究對(duì)象，介紹現(xiàn)有專用軌回流牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)配置方案，分析現(xiàn)有保護(hù)配置方案對(duì)正極接地短路故障保護(hù)存在的問(wèn)題；提出基于正負(fù)饋線差流以及正饋線電流方向的正極接地故障保護(hù)策略，并設(shè)計(jì)保護(hù)方案；通過(guò) Matlab/Simulink仿真系統(tǒng)，模擬正常運(yùn)行方式以及正極接地故障工況，對(duì)所提的保護(hù)策略進(jìn)行驗(yàn)證。

1 現(xiàn)有專用軌回流牽引供電系統(tǒng)保護(hù)方案

目前，直流牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)策略主要針對(duì)走行軌回流牽引供電系統(tǒng)，由于走行軌與大地之間的絕緣電阻較小，任何類型故障下均可以產(chǎn)生較大的故障電流，因此常規(guī)的大電流脫扣保護(hù)、上升率保護(hù)可以快速識(shí)別出系統(tǒng)故障，實(shí)現(xiàn)故障的及時(shí)切除和隔離。然而，專用軌回流牽引供電系統(tǒng)中負(fù)極回流軌具有良好的對(duì)地絕緣特性，使得正極接地故障回路中的阻值極大，幾乎無(wú)法產(chǎn)生用于故障識(shí)別的電流。為此，現(xiàn)有的專用軌回流牽引供電系統(tǒng)通常會(huì)在牽引變電所內(nèi)設(shè)置負(fù)母線接地回路[4]。該接地回路由接地電阻、逆流二極管、電壓繼電器等元器件組成，如圖1所示，其中接地電阻通常為5 Ω的小電阻，電壓繼電器的動(dòng)作門檻通常設(shè)定為200 V。正常運(yùn)行條件下，系統(tǒng)中的泄漏電流在接地電阻上產(chǎn)生的壓降遠(yuǎn)小于電壓繼電器的整定值，接地電阻將負(fù)極電位拉到地電位。當(dāng)正極接地故障發(fā)生時(shí)，接地電阻雖然一定程度上限制了故障電流，使得常規(guī)的大電流脫扣保護(hù)、上升率保護(hù)依然無(wú)法動(dòng)作，但是故障電流可以通過(guò)接地電阻流回負(fù)極，導(dǎo)致接地電阻產(chǎn)生較大的壓降，與其并聯(lián)的電壓繼電器動(dòng)作將故障切除。

圖1 負(fù)母線接地回路

對(duì)于專用軌回流牽引供電系統(tǒng)的不同類型的故障，現(xiàn)有的保護(hù)方案是根據(jù)電流幅值采用不同的策略。當(dāng)發(fā)生正負(fù)極短路故障時(shí)，產(chǎn)生的故障電流達(dá)到8 kA左右，變電所內(nèi)直流饋線所配置的大電流脫扣保護(hù)、電流上升率保護(hù)等常規(guī)保護(hù)動(dòng)作將故障切除。當(dāng)發(fā)生正極接地故障時(shí)，故障電流通過(guò)負(fù)母線接地回路中的逆流二極管返回負(fù)極，當(dāng)電阻壓降達(dá)到電壓繼電器的保護(hù)動(dòng)作門檻，電壓繼電器動(dòng)作將故障切除。

2 現(xiàn)有保護(hù)方案存在問(wèn)題分析

根據(jù)上文的介紹可知，在專用軌回流牽引供電系統(tǒng)中，各個(gè)牽引變電所內(nèi)均會(huì)配置負(fù)母線接地回路，用于正極接地故障的切除。當(dāng)正極接地故障發(fā)生時(shí)，故障點(diǎn)周圍的地電位會(huì)迅速抬升，由于各個(gè)牽引變電所內(nèi)的負(fù)極母線均通過(guò)逆流二極管和接地電阻與大地相連，因此大地電位的抬升可能會(huì)造成與故障點(diǎn)鄰近的牽引變電所內(nèi)的逆流二極管同時(shí)正向?qū)?，進(jìn)而引起與該牽引變電所內(nèi)的電壓繼電器同時(shí)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)故障的切除和隔離。

若正極接地故障發(fā)生時(shí)，僅引起故障區(qū)段兩端牽引變電所內(nèi)的電壓繼電器動(dòng)作，不僅可以有效地切除正極接地故障，而且為故障后的快速恢復(fù)提供條件。然而，地鐵線路中各個(gè)牽引所之間的距離通常較短（2～3 km），正極接地故障可能會(huì)引起故障點(diǎn)鄰近的多個(gè)牽引所內(nèi)的接地繼電器同時(shí)動(dòng)作，不僅會(huì)造成多個(gè)供電區(qū)段同時(shí)失電，引起大面積的停電，而且使得故障區(qū)段的定位十分困難，極大地延誤牽引供電系統(tǒng)的恢復(fù)，擾亂正常的行車秩序，造成較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失。圖2所示為正極接地故障下流過(guò)負(fù)母線接地回路電流，圖中紅色實(shí)線為流過(guò)負(fù)母線接地回路的電流。

圖2 正極接地故障下流過(guò)負(fù)母線接地回路電流

3 基于正負(fù)饋線電流的正極接地故障保護(hù)

3.1 正極接地故障保護(hù)策略

對(duì)于專用軌回流牽引供電系統(tǒng)，正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)車的負(fù)荷電流從整流器的正極流出，經(jīng)過(guò)正饋線、正極接觸軌（網(wǎng)）、機(jī)車、負(fù)極回流軌以及負(fù)饋線，流回整流器的負(fù)極，如圖3所示，圖中藍(lán)色實(shí)線為機(jī)車負(fù)荷電流。正常運(yùn)行時(shí)，牽引變電所內(nèi)正、負(fù)饋線的電流大小基本相等。根據(jù)上文的分析可知，當(dāng)正極接地故障發(fā)生時(shí)，故障電流會(huì)從整流器的正極流出，經(jīng)過(guò)正饋線、正極接觸軌（網(wǎng)）、故障點(diǎn)、大地、負(fù)母線接地回路，流向整流器的負(fù)極，圖3中紅色實(shí)線為正極接地故障電流?？梢钥闯?，相較于正常運(yùn)行工況，故障電流不經(jīng)過(guò)負(fù)饋線，導(dǎo)致正極接地故障發(fā)生時(shí)正、負(fù)饋線之間的電流幅值不相等，會(huì)產(chǎn)生較大的電流差值。為此，本文提出利用橫向正、負(fù)饋線的電流差值判斷正極接地故障，通過(guò)實(shí)時(shí)采集正、負(fù)饋線的電流差值，并與正極接地故障判定門檻進(jìn)行比較，判斷牽引供電系統(tǒng)正極接地故障的發(fā)生。考慮到保護(hù)的可靠性和靈敏度，正極接地故障判定門檻可設(shè)定為1.4倍的正常運(yùn)行工況下的最大電流差值。

圖3 專用軌回流牽引供電系統(tǒng)機(jī)車負(fù)荷電流和正極接地故障電流

由上文分析可知，地鐵線路中各個(gè)牽引所之間的距離較短，正極接地故障電流可能會(huì)流經(jīng)與故障點(diǎn)鄰近的多個(gè)牽引所內(nèi)的負(fù)母線接地回路，使得與故障點(diǎn)鄰近的多個(gè)牽引變電所內(nèi)的橫向正、負(fù)饋線之間均會(huì)出現(xiàn)較大的電流差值（圖3），即當(dāng)正極接地故障發(fā)生后，A、B、C、D的正、負(fù)饋線之間均會(huì)產(chǎn)生較大的電流差值。因此，利用橫向正、負(fù)饋線的電流差值只能判斷出供電系統(tǒng)中發(fā)生正極接地故障，無(wú)法定位出故障發(fā)生的區(qū)段。

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)屬于多電源并聯(lián)的分布式供電系統(tǒng)，當(dāng)供電系統(tǒng)中發(fā)生故障時(shí)，各個(gè)電源點(diǎn)均會(huì)向故障點(diǎn)提供短路電流。對(duì)于故障區(qū)段，區(qū)段兩端牽引所內(nèi)的整流器提供的故障電流均經(jīng)過(guò)所內(nèi)的正饋線流入故障點(diǎn)；對(duì)于非故障區(qū)段，區(qū)段內(nèi)牽引所整流器提供的故障電流則會(huì)穿越非故障區(qū)段兩端的正饋線流入相鄰區(qū)段。為此，本文提出利用正饋線電流的方向識(shí)別故障區(qū)段，若以電流從正極母線流入正極接觸軌（網(wǎng)）為正方向，電流從正極接觸軌（網(wǎng)）流入正極母線則為負(fù)方向。當(dāng)保護(hù)單元檢測(cè)出正、負(fù)饋線的電流差值大于設(shè)定的正極接地故障判定門檻，保護(hù)單元啟動(dòng)正饋線電流方向的判斷，若保護(hù)單元檢測(cè)到所在正饋線電流的方向?yàn)檎较?，且與其對(duì)端的正饋線電流方向一致，則判定所在區(qū)段為故障區(qū)段；若保護(hù)單元檢測(cè)到所在正饋線電流的方向與其對(duì)端的正饋線電流方向相反，則判定所在區(qū)段為非故障區(qū)段。圖4為基于正負(fù)饋線電流的正極接地故障保護(hù)判斷流程圖。

圖4 基于正負(fù)饋線電流的正極接地故障保護(hù)判斷流程

以圖3所示的正極接地故障為例，當(dāng)正極接地故障發(fā)生時(shí)，檢測(cè)到 A、B、C、D的正負(fù)饋線之間均產(chǎn)生較大的電流差值，其值大于正極接地故障判定門檻，配置其上的保護(hù)單元啟動(dòng)正饋線電流方向判斷：C、D的正饋線上流經(jīng)的電流均為正方向，保護(hù)單元判斷 C-D供電區(qū)段為故障區(qū)段，保護(hù)單元向C、D的正饋線斷路器發(fā)出跳閘命令；A的正饋線上流經(jīng)的電流為正方向，B的正饋線上流經(jīng)的電流為負(fù)方向，保護(hù)單元判斷 A-B供電區(qū)段為非故障區(qū)段。

3.2 正極接地故障保護(hù)配置

由上文可知，為實(shí)現(xiàn)本文所述的保護(hù)策略，每個(gè)牽引所內(nèi)的橫向區(qū)域需要配置1臺(tái)保護(hù)單元，如圖5所示，A、B、C、D各配置1臺(tái)保護(hù)單元。每個(gè)保護(hù)單元不僅需要采集用于方向判斷的正饋線電流，而且需要采集用于正極接地故障識(shí)別的正負(fù)饋線的電流差值。對(duì)于正饋線電流采集，保護(hù)單元可采用分流器加變送器的常規(guī)采集方式，采集單元的安裝需考慮相同的電流極性，圖5中紫色橢圓標(biāo)識(shí)的為正饋線電流采集單元，電流從采集單元的星側(cè)流出定義為正方向。對(duì)于正負(fù)饋線的電流差值采集，本文提出采用閉環(huán)電流互感器，利用磁場(chǎng)平衡原理，實(shí)現(xiàn)電流差值的檢測(cè)，圖5中綠色橢圓為閉環(huán)電流互感器。正、負(fù)饋線從互感器的線孔中穿過(guò)，在正常運(yùn)行工況下，穿過(guò)閉環(huán)電流互感器的正、負(fù)饋線負(fù)荷電流幅值相等，方向相反，正、負(fù)饋線電流差值為0；當(dāng)正極接地故障發(fā)生時(shí)，穿過(guò)閉環(huán)電流互感器的正、負(fù)饋線電流雖然方向相反，但是幅值不等，其所引起的磁通不平衡導(dǎo)致電流互感器可以檢測(cè)出正、負(fù)饋線之間的電流差值。利用磁場(chǎng)平衡原理獲取正、負(fù)饋線之間電流差值，可以有效避免數(shù)據(jù)同步以及采樣誤差等問(wèn)題。為了減少不平衡電流可能受到磁場(chǎng)畸變的影響，線纜中間可填充固定支撐材料，確保穿過(guò)互感器的正、負(fù)饋線與互感器平面垂直。圖6為閉環(huán)電流互感器檢測(cè)示意圖，紅色實(shí)線為流過(guò)正饋線電流，藍(lán)色實(shí)線為流過(guò)負(fù)饋線電流。

圖6 閉環(huán)電流互感器檢測(cè)示意圖

在正極接地故障保護(hù)判斷的過(guò)程中，保護(hù)單元需要獲取區(qū)段對(duì)側(cè)的正饋線方向用于比較判斷，常規(guī)的站間信息傳遞方式需要敷設(shè)站間通信電纜，不僅成本高昂，而且可靠性較差。為此，本文提出區(qū)段兩端的保護(hù)單元之間利用光纖直連實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。光纖直連傳遞信息已在通信、保護(hù)領(lǐng)域得到大量應(yīng)用，其快速性、實(shí)時(shí)性和高可靠性已經(jīng)過(guò)了充分的驗(yàn)證。圖5中的橙色實(shí)線為區(qū)段兩端保護(hù)裝置之間的直連光纖。

圖5 基于正負(fù)饋線電流的正極接地故障保護(hù)配置

4 仿真試驗(yàn)

利用 Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，搭建了圖3所示的專用軌回流牽引供電系統(tǒng)模型[5]，牽引電壓為直流1 500 V。圖7所示為正常運(yùn)行工況下A、B、C、D的正、負(fù)饋線電流及其差值，其中藍(lán)色為正饋線電流，橙色為負(fù)饋線電流，黃色為正負(fù)饋線的電流差值。從圖中可以看出，在正常運(yùn)行工況下，A、B、C、D的正、負(fù)饋線電流幅值相等，方向相反，其差值為0。

圖7 正常運(yùn)行工況下的正負(fù)饋線電流及其差值

圖8所示為正極接地故障發(fā)生時(shí)，A、B、C、 D的正、負(fù)饋線的電流及其差值。

圖8 正極接地故障下的正負(fù)饋線電流及其差值

從圖8中可以看出，A、B、C、D的正饋線電流大于負(fù)饋線，正負(fù)饋線之間產(chǎn)生較大的電流差值。對(duì)于C-D供電區(qū)段，C、D的正饋線電流同為正方向，保護(hù)單元判斷C-D區(qū)段為故障區(qū)段，配置于C、D的保護(hù)單元?jiǎng)幼鳎瑢⒐收蠀^(qū)段切除。對(duì)于 A-B供電區(qū)段，A的正饋線電流為正方向，B的正饋線電流為負(fù)方向，兩者方向相反，保護(hù)單元判斷A-B區(qū)段為非故障區(qū)段。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了專用軌回流牽引供電系統(tǒng)的現(xiàn)有保護(hù)方案，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，正極接地故障發(fā)生時(shí)，鄰近故障點(diǎn)的多個(gè)牽引所內(nèi)負(fù)母線接地回路繼電器同時(shí)動(dòng)作，可能會(huì)導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作范圍的擴(kuò)大。通過(guò)比較正常運(yùn)行工況以及正極接地故障下正、負(fù)饋線電流的幅值和流向，利用正、負(fù)饋線電流幅值在故障情況下的不平衡，提出以正、負(fù)饋線之間的電流差值作為故障特征量，判斷系統(tǒng)內(nèi)正極接地故障的發(fā)生。同時(shí)，利用故障區(qū)段兩端正饋線電流的同向性，提出通過(guò)比較供電區(qū)段兩端正饋線電流的方向，辨別故障發(fā)生的區(qū)段。通過(guò) Matlab/Simulink仿真，對(duì)所述保護(hù)策略進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明該保護(hù)方案可準(zhǔn)確判斷出正極接地故障和區(qū)段。