繼電保護(hù)在地鐵牽引變電所的應(yīng)用

劉亮、周浩

（太原中鐵軌道交通建設(shè)運(yùn)營有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

地鐵牽引變電所在城市軌道交通系統(tǒng)中扮演著重要角色。牽引變電所的主要職責(zé)是把電網(wǎng)輸送過來的電力轉(zhuǎn)化為地鐵運(yùn)行所需的直流電，這種轉(zhuǎn)化不僅涉及電壓、電流的變化，還包括電力的品質(zhì)和安全保障。因此，一旦地鐵牽引變電所出現(xiàn)問題，可能會直接影響地鐵的正常運(yùn)營，甚至威脅乘客安全。而繼電保護(hù)是地鐵牽引變電所的一道安全屏障，能夠在電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，及時有效地切斷故障部分，保證其他部分的正常運(yùn)行，從而最大程度地降低故障對地鐵運(yùn)營的影響。因此，深入研究和理解繼電保護(hù)在地鐵牽引變電所中的應(yīng)用，對提高地鐵系統(tǒng)的安全性和可靠性有十分重要的意義。

1 牽引變電所的保護(hù)需求

牽引變電所是地鐵系統(tǒng)中的重要組成部分，其負(fù)責(zé)將電力供應(yīng)轉(zhuǎn)換為適用于地鐵列車的牽引電能。牽引變電所的保護(hù)需求包括對電力系統(tǒng)故障的防護(hù)、對電力設(shè)備和設(shè)施的保護(hù)以及乘客和工作人員的安全保障[1]。

1.1 電力系統(tǒng)故障防護(hù)需求

首先，繼電保護(hù)系統(tǒng)需要能夠快速準(zhǔn)確地檢測和定位電力系統(tǒng)的故障，如電力短路、接地故障等，以避免故障擴(kuò)大導(dǎo)致系統(tǒng)停電或損壞。

其次，保護(hù)系統(tǒng)需要能夠迅速采取保護(hù)動作，如切斷故障區(qū)域的電源，以確保故障不會對其他設(shè)備或系統(tǒng)造成進(jìn)一步的影響。

最后，在地鐵電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，故障修復(fù)效率至關(guān)重要，因此保護(hù)系統(tǒng)的動作速度和可靠性也是必須考慮的因素。

1.2 電力設(shè)備和設(shè)施保護(hù)需求

牽引變電所內(nèi)安裝了大量的電力設(shè)備和設(shè)施，如變壓器、開關(guān)設(shè)備、電纜等，這些設(shè)備對地鐵的正常運(yùn)營至關(guān)重要。因此，牽引變電所的保護(hù)需求還包括對這些設(shè)備和設(shè)施的保護(hù)。繼電保護(hù)系統(tǒng)需要能夠監(jiān)測和保護(hù)這些設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如檢測變壓器的溫度、電流等參數(shù)，以確保電力設(shè)備和設(shè)施能夠在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。同時，保護(hù)系統(tǒng)還需要能夠及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，如切斷電源、切換備用設(shè)備等，以防止設(shè)備損壞。此外，保護(hù)系統(tǒng)還應(yīng)具備故障錄波、事件記錄等功能，以便于后續(xù)故障分析和維修工作的開展。

1.3 乘客和工作人員的安全保障需求

牽引變電所不僅是地鐵電力系統(tǒng)的重要組成部分，也是乘客和工作人員安全的關(guān)鍵保障。保護(hù)系統(tǒng)需要能夠?qū)θ松戆踩碗姎獍踩M(jìn)行有效保護(hù)。第一，對于人身安全，保護(hù)系統(tǒng)需要能夠及時發(fā)現(xiàn)可能對人員產(chǎn)生威脅的情況，如電流過載、電壓異常等，并及時采取措施，如切斷電源、提供警示等，以保護(hù)人員的安全。第二，對于電氣安全，保護(hù)系統(tǒng)需要能夠監(jiān)測和保護(hù)地鐵線路的絕緣狀態(tài)，如監(jiān)測接地電流、絕緣電阻等參數(shù)，以確保線路正常運(yùn)行，防止電氣事故的發(fā)生[2]。

2 繼電保護(hù)種類

2.1 距離保護(hù)

距離保護(hù)是根據(jù)信號傳輸時間和傳輸距離確定電源故障位置的保護(hù)方式。其設(shè)計原理基于線路參數(shù)，如電阻、電抗等，通過測量電壓和電流比值，計算出故障點(diǎn)的位置。在電力系統(tǒng)保護(hù)中，距離保護(hù)具有速度快、選擇性好、動作可靠等優(yōu)點(diǎn)。

由于地鐵牽引變電所對電力需求量大，對電源穩(wěn)定性要求高，對保護(hù)裝置的要求也特別嚴(yán)格。這也使得在地鐵牽引變電所中應(yīng)用距離保護(hù)具有極為重要的意義。地鐵牽引變電所的電力供應(yīng)系統(tǒng)通常比較復(fù)雜，涉及多種不同的設(shè)備和系統(tǒng)，包括牽引變壓器、矩形波濾波器、主斷路器等。每個設(shè)備和系統(tǒng)的工作狀態(tài)都對地鐵的正常運(yùn)行有直接影響。距離保護(hù)能夠確保這些設(shè)備和系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能夠及時被切斷，從而避免故障擴(kuò)大。

具體來說，地鐵牽引變電所的距離保護(hù)，主要通過以下幾個步驟實(shí)現(xiàn)：

首先，計算電流和電壓的比率，然后根據(jù)其推算出故障點(diǎn)的位置。

其次，設(shè)定一個“距離”閾值，當(dāng)計算出的“距離”超過閾值時，保護(hù)裝置就會動作，切斷故障點(diǎn)的電源。

最后，保護(hù)裝置會發(fā)送信號，通知相關(guān)人員進(jìn)行處理，以便于在第一時間發(fā)現(xiàn)故障，進(jìn)而減少故障所造成的影響。

2.2 差動保護(hù)

差動保護(hù)是電力系統(tǒng)中的一種重要保護(hù)方式，其工作原理是基于比較同一電氣設(shè)備兩端的電流差異。正常情況下，一臺電氣設(shè)備的兩端電流在大小和相位上應(yīng)該完全相同。當(dāng)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障時，會導(dǎo)致設(shè)備兩端電流不一致，即出現(xiàn)電流“差動”。差動保護(hù)就是利用這種電流“差動”來進(jìn)行故障檢測和保護(hù)。

在地鐵牽引變電所中，差動保護(hù)主要用于牽引變壓器和主斷路器等大型設(shè)備。這些設(shè)備的正常運(yùn)行對整個地鐵系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，并且它們價格昂貴，一旦發(fā)生故障可能會帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，需要采用高度可靠的保護(hù)方式。對于地鐵牽引變電所中的核心設(shè)備變壓器，差動保護(hù)能夠準(zhǔn)確、快速地檢測到其內(nèi)部的短路故障。當(dāng)差動保護(hù)檢測到變壓器兩端的電流出現(xiàn)“差動”時，即判斷為變壓器內(nèi)部存在故障，之后差動保護(hù)裝置能夠快速切斷電源，以保護(hù)變壓器[3]。

此外，在主斷路器中應(yīng)用差動保護(hù)也同樣重要。主斷路器是地鐵牽引變電所的關(guān)鍵設(shè)備，直接負(fù)責(zé)電力分配和切斷。當(dāng)主斷路器內(nèi)部發(fā)生觸點(diǎn)熔合、短路等故障時，常規(guī)的保護(hù)方式可能無法及時響應(yīng)，而差動保護(hù)能夠及時檢測到此類故障，并迅速切斷電源，保護(hù)主斷路器。

2.3 過電流保護(hù)

過電流保護(hù)是電力系統(tǒng)保護(hù)中常用的一種手段，其運(yùn)作原理為當(dāng)電路中的電流超過預(yù)設(shè)閾值時，保護(hù)設(shè)備會進(jìn)行動作，切斷超載電流，從而防止設(shè)備過度發(fā)熱，避免設(shè)備損壞及系統(tǒng)故障。

在地鐵牽引變電所中，過電流保護(hù)的應(yīng)用十分廣泛。地鐵牽引變電所作為地鐵系統(tǒng)的電力供應(yīng)中心，其主要任務(wù)是將市電轉(zhuǎn)化為地鐵運(yùn)行所需的電能，然后通過供電系統(tǒng)將電能輸送到各個車站和地鐵列車，電流的大小直接關(guān)系到地鐵系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。過電流保護(hù)能夠有效保護(hù)牽引變壓器、主斷路器、牽引供電線路等地鐵牽引變電所中的各類設(shè)備。例如，在牽引變壓器中，過電流會導(dǎo)致變壓器過熱，甚至燒毀，而通過過電流保護(hù)裝置，可以在電流超過設(shè)定值時立即斷開電源，避免變壓器損壞，從而保證地鐵牽引變電所的穩(wěn)定運(yùn)行。

在牽引供電線路中，如果電流過大，線路可能發(fā)熱，影響線路的傳輸效率，甚至可能引發(fā)火災(zāi)，而過電流保護(hù)裝置可以在電流超過設(shè)定值時及時斷開電源，防止線路過熱，確保地鐵的正常運(yùn)行。

3 地鐵牽引變電所繼電保護(hù)實(shí)施方案

3.1 設(shè)備選擇

在地鐵牽引變電所的繼電保護(hù)應(yīng)用中，設(shè)備選型是一個重要且復(fù)雜的過程，需要考慮諸多因素，包括系統(tǒng)的特性、保護(hù)設(shè)備的性能、設(shè)備的可靠性、成本以及后期維護(hù)等。

首先，設(shè)備選型需要結(jié)合不同地鐵牽引變電所的實(shí)際運(yùn)行需求，以確保選擇的設(shè)備既能滿足保護(hù)需求，又具有較高的性價比。確定保護(hù)設(shè)備時，需要了解地鐵牽引變電所的系統(tǒng)特性，包括系統(tǒng)的規(guī)模、電氣參數(shù)、負(fù)荷類型等。例如，對于大規(guī)模、電流大的系統(tǒng)，可能需要選擇性能更強(qiáng)、可靠性更高的保護(hù)裝置。

其次，保護(hù)設(shè)備的性能也是設(shè)備選型過程中需要考慮的重要因素。繼電保護(hù)設(shè)備的性能包括速度、靈敏度、準(zhǔn)確性等，這些性能參數(shù)將直接影響保護(hù)效果。優(yōu)質(zhì)的保護(hù)設(shè)備能夠快速準(zhǔn)確地識別并處理故障，從而降低故障的影響，保障地鐵牽引變電所的穩(wěn)定運(yùn)行。

再次，設(shè)備的可靠性也是必須考慮的因素。高可靠性的設(shè)備能夠在各種條件下保持穩(wěn)定運(yùn)行，不易出現(xiàn)故障，這對地鐵牽引變電所來說尤其重要，因?yàn)槿魏卧O(shè)備的故障都可能影響整個地鐵系統(tǒng)的運(yùn)行。

最后，設(shè)備的成本和后期維護(hù)也是需要考慮的因素。盡管高性能、高可靠性的設(shè)備往往價格較高，但從長期來看，這種設(shè)備由于具有較高的穩(wěn)定性和耐用性，反而擁有更高的性價比。另外，設(shè)備的維護(hù)工作也極為重要，選擇易于維護(hù)的設(shè)備可以降低后期的運(yùn)維成本。

3.2 參數(shù)設(shè)置

在地鐵牽引變電所中，繼電保護(hù)參數(shù)設(shè)置是一項(xiàng)精密且關(guān)鍵的工作，其需要考慮電力系統(tǒng)的特性、保護(hù)需求等。適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置能夠確保繼電保護(hù)設(shè)備在系統(tǒng)發(fā)生異常時能夠及時準(zhǔn)確地動作，以此保護(hù)電力設(shè)備不受損害[4]。

首先，電力系統(tǒng)的特性，如系統(tǒng)電壓、電流、短路容量、系統(tǒng)阻抗等，對參數(shù)設(shè)置有重要影響，因此繼電保護(hù)參數(shù)設(shè)置應(yīng)優(yōu)先考慮電力系統(tǒng)的特性。例如，在過電流保護(hù)中，需要設(shè)定過電流保護(hù)的動作電流，這個動作電流一般要大于系統(tǒng)正常運(yùn)行時的最大電流，小于短路時的最小電流。因此，需要準(zhǔn)確了解和計算系統(tǒng)的這些電氣參數(shù)，并據(jù)此設(shè)置繼電保護(hù)參數(shù)。

其次，參數(shù)設(shè)置需要考慮系統(tǒng)保護(hù)需求。不同的系統(tǒng)、設(shè)備對保護(hù)的需求也有所不同。例如，一些對運(yùn)行穩(wěn)定性要求較高的設(shè)備，可能需要設(shè)置更快的動作時間，以盡快切斷故障，防止故障擴(kuò)大。而對于一些運(yùn)行條件較苛刻的設(shè)備，可能需要設(shè)置更高的動作電流，以防止設(shè)備正常運(yùn)行時發(fā)生誤動作。

再次，參數(shù)設(shè)置需要考慮到故障類型和故障后果。不同類型的故障可能需要不同的保護(hù)參數(shù)。例如，對于地面短路和接觸網(wǎng)短路，可能需要不同的過電流保護(hù)參數(shù)。

最后，故障的嚴(yán)重性也會影響參數(shù)的設(shè)定，對于可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果的故障，則需要設(shè)置更嚴(yán)格的保護(hù)參數(shù)。

3.3 聯(lián)動策略

在地鐵牽引變電所中，繼電保護(hù)的聯(lián)動策略是實(shí)現(xiàn)保護(hù)目標(biāo)的重要手段，因此需要根據(jù)地鐵牽引變電所的具體結(jié)構(gòu)、設(shè)備以及運(yùn)行特性等因素精心設(shè)計和配置[5]。

首先，聯(lián)動策略的設(shè)計要考慮保護(hù)設(shè)備之間的協(xié)調(diào)配合。由于地鐵牽引變電所內(nèi)有多種不同的保護(hù)設(shè)備，這些設(shè)備各自承擔(dān)著保護(hù)系統(tǒng)的不同部分，彼此之間還可能存在交叉或重疊的保護(hù)區(qū)域。因此，需要制訂一套策略，在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，其能夠根據(jù)設(shè)備的重要性和故障的嚴(yán)重性對設(shè)備保護(hù)進(jìn)行優(yōu)先級排序，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的保護(hù)效果。

其次，在牽引變電所的具體應(yīng)用中，保護(hù)設(shè)備可能需要按照設(shè)備的重要性、故障類型以及故障影響范圍來設(shè)定聯(lián)動優(yōu)先級。例如，對于涉及牽引變壓器、主斷路器等關(guān)鍵設(shè)備的故障，需要優(yōu)先啟動其保護(hù)裝置。而對于影響范圍較小的故障，則可以通過局部保護(hù)裝置來處理。除此之外，聯(lián)動策略還應(yīng)考慮保護(hù)設(shè)備的響應(yīng)時間。理想的聯(lián)動策略應(yīng)保證在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，所有相關(guān)保護(hù)設(shè)備均能以最快的速度響應(yīng)，以便最大限度地減少故障的影響。因此，需要對保護(hù)設(shè)備的響應(yīng)時間進(jìn)行合理設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地啟動保護(hù)動作。

最后，聯(lián)動策略需要考慮到保護(hù)設(shè)備的復(fù)位策略。故障處理完畢后，保護(hù)設(shè)備的正確復(fù)位至關(guān)重要，以確保設(shè)備能夠繼續(xù)進(jìn)行有效保護(hù)，同時防止誤動作。正確的復(fù)位策略應(yīng)根據(jù)設(shè)備的特性以及故障處理的具體情況進(jìn)行制訂。如果某設(shè)備在故障后仍然能夠正常運(yùn)行，那么其相應(yīng)的保護(hù)設(shè)備應(yīng)當(dāng)被復(fù)位到可以對新的故障進(jìn)行響應(yīng)的狀態(tài)。相反，如果設(shè)備因故障損壞，對應(yīng)的保護(hù)設(shè)備在維修或更換前需要保持在非激活狀態(tài)。總的來說，復(fù)位策略的制訂是保障電力設(shè)備安全和保護(hù)系統(tǒng)有效運(yùn)行的關(guān)鍵，主要目標(biāo)是使保護(hù)設(shè)備在故障處理后能夠迅速進(jìn)入新的運(yùn)行狀態(tài)，并開啟保護(hù)模式，以便對新的故障作出及時響應(yīng)。

4 結(jié)語

在高速發(fā)展的信息時代，地鐵已成為現(xiàn)代城市中的重要交通工具，而繼電保護(hù)在地鐵牽引變電所的應(yīng)用更是保證地鐵運(yùn)行安全和效率的關(guān)鍵。繼電保護(hù)設(shè)備以其獨(dú)特的工作原理和功能，能夠?yàn)榈罔F牽引變電所的安全運(yùn)行提供可靠的保護(hù)，有效防止電力故障的發(fā)生和擴(kuò)大，為地鐵系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造有利條件。因此，應(yīng)通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)備選擇、參數(shù)設(shè)置以及聯(lián)動策略等，進(jìn)一步優(yōu)化繼電保護(hù)設(shè)備的性能，提高其對故障的識別和處理能力，從而更好地滿足地鐵牽引變電所的各項(xiàng)保護(hù)需求，確保地鐵線路安全、高效運(yùn)行。