DC 1 500 V地鐵直流饋線(xiàn)熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作分析

馬 闖

0 引言

城市軌道交通供電系統(tǒng)通常采用直流供電方式，DC 1 500 V直流饋線(xiàn)一般配置有大電流脫扣保護(hù)、電流上升率保護(hù)、電流增量保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、雙邊聯(lián)跳保護(hù)以及熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)[1-2]。大電流脫扣保護(hù)作為開(kāi)關(guān)自帶保護(hù)，主要用于切斷大的短路電流；電流上升率保護(hù)和電流增量保護(hù)則主要作為饋線(xiàn)主保護(hù)，用于切除近端短路電流或大電流脫扣保護(hù)無(wú)法切除的遠(yuǎn)端短路故障；過(guò)流保護(hù)一般為饋線(xiàn)后備保護(hù)，主要作為上述保護(hù)的補(bǔ)充；而雙邊聯(lián)跳保護(hù)則是為雙邊供電接觸網(wǎng)增設(shè)的后備跳閘裝置，用于確保故障情況下相鄰變電所可靠跳閘。如果直流饋線(xiàn)某處發(fā)生故障，各級(jí)保護(hù)將根據(jù)故障類(lèi)型選擇性動(dòng)作，由保護(hù)裝置發(fā)出跳閘指令快速切斷故障電流[3-5]。另外，對(duì)于采用接觸網(wǎng)或接觸軌方式供電的線(xiàn)路，還設(shè)置熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)。本文主要聚焦作為饋線(xiàn)輔助保護(hù)的熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)，并基于廣州地鐵車(chē)輛段直流饋線(xiàn)212實(shí)際動(dòng)作案例對(duì)熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)原理及整定計(jì)算

1.1 熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)原理

熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)作為直流饋線(xiàn)保護(hù)的一種，主要為地鐵直流供電系統(tǒng)提供熱過(guò)載保護(hù)，其保護(hù)目的是消除熱過(guò)負(fù)荷故障[6-7]。保護(hù)裝置通過(guò)饋線(xiàn)電流、線(xiàn)路參數(shù)并結(jié)合接觸線(xiàn)熱負(fù)荷特性以及環(huán)境條件計(jì)算溫升，在溫度達(dá)到保護(hù)定值時(shí)動(dòng)作并跳閘。保護(hù)對(duì)象一般包括柔性接觸網(wǎng)和剛性接觸網(wǎng)。同時(shí)，由于接觸線(xiàn)的熱特性曲線(xiàn)為一條以電流為變量的反時(shí)限曲線(xiàn)，故在計(jì)算時(shí)需將保護(hù)整定得到的曲線(xiàn)與接觸線(xiàn)固有特性曲線(xiàn)進(jìn)行配合，如圖1所示，其中曲線(xiàn)A為接觸線(xiàn)熱特性曲線(xiàn)，曲線(xiàn)B為整定的保護(hù)曲線(xiàn)。同時(shí)，熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)作為切除線(xiàn)路長(zhǎng)時(shí)間過(guò)負(fù)荷導(dǎo)致電纜過(guò)熱損壞的非短路故障饋線(xiàn)保護(hù)，整定在考慮接觸線(xiàn)固有熱特性的同時(shí)，還應(yīng)考慮與饋線(xiàn)電流保護(hù)、溫升-耐受時(shí)間曲線(xiàn)相配合[8]。保護(hù)整定時(shí)，首先根據(jù)接觸網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)參數(shù)（電阻率修正系數(shù)、長(zhǎng)度、橫截面積）計(jì)算發(fā)熱量；再結(jié)合比熱等導(dǎo)線(xiàn)熱負(fù)荷特性及環(huán)境條件，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算接觸網(wǎng)線(xiàn)纜溫度；最后將求得的線(xiàn)纜溫度與規(guī)定值進(jìn)行比較，當(dāng)溫度超出規(guī)定值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)及跳閘命令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)或接觸軌的熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)。具體實(shí)施流程如圖2所示。

圖1 熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)整定曲線(xiàn)

圖2 熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)整定流程

熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)作為電流上升率保護(hù)的輔助保護(hù)[9]，即使線(xiàn)路在過(guò)負(fù)荷狀態(tài)下未出現(xiàn)短路故障，接觸線(xiàn)或電纜也會(huì)緩慢積累熱量。特別是當(dāng)線(xiàn)路有熱過(guò)負(fù)荷電流通過(guò)時(shí)，即便該電流不會(huì)引起過(guò)大沖擊，但隨著電流流經(jīng)時(shí)間的持續(xù)增加，其產(chǎn)生的熱量也可能導(dǎo)致某些設(shè)備出現(xiàn)一定程度損傷，需要進(jìn)一步考慮溫升對(duì)保護(hù)的影響。

1.2 保護(hù)整定計(jì)算

熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)是基于熱量累積效應(yīng)的保護(hù)，目前主要采用直流饋線(xiàn)保護(hù)裝置，輸入線(xiàn)路參數(shù)即可完成整定，但由于該系統(tǒng)無(wú)運(yùn)算模型，無(wú)法判別整定校驗(yàn)結(jié)果是否準(zhǔn)確[10]，故有必要推導(dǎo)保護(hù)整定計(jì)算式。DC 1500 V線(xiàn)纜等導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足熱平衡公式及能量守恒定律，即產(chǎn)生的熱量應(yīng)等于導(dǎo)體吸收熱量與導(dǎo)體散熱之和。其中線(xiàn)纜熱量計(jì)算中只考慮熱傳導(dǎo)，溫度計(jì)算則依據(jù)能量守恒原則，即當(dāng)前溫度= 先前溫度+阻抗損耗溫度-電能在輸送環(huán)境中溫度損耗。具體的線(xiàn)路熱平衡計(jì)算式可表示為

式中：Q為導(dǎo)體功率；c為比熱容；G為導(dǎo)體質(zhì)量；a為導(dǎo)體散熱系數(shù)，表示溫度每升高1 ℃時(shí)單位時(shí)間從單位導(dǎo)體面積上散發(fā)的熱量；θ為導(dǎo)體實(shí)際溫升；S為導(dǎo)體表面積。

根據(jù)式（1）可得

由此可得到熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)整定計(jì)算式。其中，0θ為t趨于0時(shí)的導(dǎo)體溫升，θ∞為t趨于無(wú)窮大時(shí)的導(dǎo)體溫升。實(shí)際計(jì)算線(xiàn)纜溫升時(shí)，τ由定值給定，a、S根據(jù)保護(hù)定值給出的導(dǎo)體比熱常數(shù)測(cè)算。導(dǎo)體比熱常數(shù)則為不考慮熱耗散情況下的單位長(zhǎng)度導(dǎo)體通過(guò)1 kW·s電流后的溫升。

2 試驗(yàn)整定

DC 1 500 V地鐵直流供電系統(tǒng)中，確保饋線(xiàn)保護(hù)可靠動(dòng)作的關(guān)鍵是正確區(qū)分車(chē)輛啟動(dòng)電流與饋線(xiàn)末端故障電流。選取廣州地鐵2號(hào)線(xiàn)車(chē)輛段直流饋線(xiàn)212保護(hù)動(dòng)作實(shí)際案例進(jìn)行試驗(yàn)整定。廣州地鐵2號(hào)線(xiàn)起始于廣州南站，止于嘉禾望崗站，全長(zhǎng)31.41 km。供電系統(tǒng)采用集中供電方式，外部電源額定電壓為110 kV，牽引供電系統(tǒng)額定電壓為33 kV。每座主變電所設(shè)置兩臺(tái)AC 110 kV/AC 33 kV主變壓器，車(chē)輛段和車(chē)站分別設(shè)置有AC 33 kV/DC 1 500 V牽引變電所和AC 33 kV/0.4 kV降壓變電所，各變電所間通過(guò)電纜連接，構(gòu)成地鐵AC 33 kV供電網(wǎng)絡(luò)。另外，該線(xiàn)接觸網(wǎng)額定供電電壓為直流1 500 V，且規(guī)定實(shí)際運(yùn)行中接觸網(wǎng)最高電壓不高于1 800 V，最低電壓不低于1 000 V。正常工況下，將來(lái)自主變電所的AC 33 kV降壓整流為DC 1 500 V，再經(jīng)直流開(kāi)關(guān)柜向接觸網(wǎng)供電。為進(jìn)一步分析熱過(guò)負(fù)荷工況下地鐵饋線(xiàn)保護(hù)動(dòng)作過(guò)程，以廣州地鐵2號(hào)線(xiàn)車(chē)輛段直流饋線(xiàn)212保護(hù)跳閘為例進(jìn)行試驗(yàn)整定分析。

2.1 事件描述

廣州地鐵2號(hào)線(xiàn)車(chē)輛段直流饋線(xiàn)212開(kāi)關(guān)7月16日發(fā)生熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)跳閘動(dòng)作，提取相關(guān)事件記錄并選取11組典型時(shí)刻點(diǎn)信息如表1所示。

表1 事件記錄

在該跳閘事件中，系統(tǒng)記錄了PRO、DIO、CPU各模塊實(shí)時(shí)狀態(tài)，且發(fā)現(xiàn)車(chē)輛在啟動(dòng)過(guò)程中兩端饋線(xiàn)電壓明顯下降，啟動(dòng)完成后電壓又逐步恢復(fù)穩(wěn)定值。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在啟動(dòng)瞬間電流也發(fā)生突變。另外，在整個(gè)過(guò)程中，熱保護(hù)電流設(shè)定值為600 A，熱保護(hù)動(dòng)作出口電流為1 219 A。在現(xiàn)場(chǎng)觀察SEPCOS-2保護(hù)顯示屏10 min，發(fā)現(xiàn)饋線(xiàn)212一直存在大于300 A的電流，同時(shí)保護(hù)熱積累百分比呈緩慢上升趨勢(shì)。檢查保護(hù)定值設(shè)置正確，電流回路接線(xiàn)正確可靠且電流輸出正常。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

對(duì)廣州地鐵2號(hào)線(xiàn)車(chē)輛段212饋線(xiàn)開(kāi)關(guān)進(jìn)行保護(hù)跳閘測(cè)試，系統(tǒng)電氣參數(shù)如表2所示 。

表2 電氣參數(shù)

測(cè)試共選取4 000～8 200 A電流值共10個(gè)點(diǎn)，并依次記錄不同測(cè)試電流下的熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作情況如表3所示。

表3 熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間

由表3可知，不同故障電流下的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和報(bào)警時(shí)間不同，故障電流越大，報(bào)警及動(dòng)作時(shí)間越短，故障切除越及時(shí)。但同時(shí)也存在針對(duì)較小電流報(bào)警及保護(hù)動(dòng)作不及時(shí)的問(wèn)題，若故障電流持續(xù)過(guò)久，將對(duì)線(xiàn)路及相關(guān)設(shè)備造成一定程度的損傷，故需進(jìn)一步選取合理的保護(hù)定值。

2.3 保護(hù)整定

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果可知，一定程度的故障電流突變將引起保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)電流幅值的急劇變化也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生電流沖擊波峰。故為了掌握突變電流的實(shí)時(shí)變化情況，需要保護(hù)裝置對(duì)當(dāng)前饋線(xiàn)電流進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。具體地，可通過(guò)保護(hù)裝置設(shè)定值In與保護(hù)時(shí)間常數(shù)之間的關(guān)系函數(shù)進(jìn)行熱負(fù)荷整定計(jì)算，具體計(jì)算式見(jiàn)式（3）。現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)定值設(shè)置見(jiàn)表4。

表4 定值設(shè)置

根據(jù)熱量公式計(jì)算求得直流饋線(xiàn)熱保護(hù)動(dòng)作特性曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作特性曲線(xiàn)

由圖3所示的饋線(xiàn)熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作特性曲線(xiàn)可知：電流越大，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間越短，熱量值上升也越快，即熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)為反時(shí)限保護(hù)。若根據(jù)本案例實(shí)際情況將電流整定為1 219 A，則熱量值θt將在170 s后達(dá)到跳閘定值并使保護(hù)可靠動(dòng)作。對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和整定結(jié)果可知，兩種情況下的熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)均可正常動(dòng)作，保護(hù)設(shè)置有效。

綜上，根據(jù)事件記錄和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果可判斷得出：當(dāng)熱保護(hù)電流定值為600 A、動(dòng)作出口電流為1 219 A時(shí)，饋線(xiàn)212熱保護(hù)跳閘為正常動(dòng)作，故障可在保護(hù)有效動(dòng)作區(qū)間內(nèi)被切除。

3 結(jié)論

本文以廣州地鐵2號(hào)線(xiàn)直流饋線(xiàn)實(shí)際跳閘事件為例，分析了熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)的動(dòng)作過(guò)程，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行了保護(hù)整定計(jì)算。通過(guò)對(duì)熱負(fù)荷特性曲線(xiàn)整定分析得出，DC 1 500 V直流饋線(xiàn)212熱保護(hù)跳閘為正常動(dòng)作，故障可在保護(hù)有效動(dòng)作區(qū)間內(nèi)被切除。另外，為避免車(chē)輛段多車(chē)同時(shí)靜調(diào)導(dǎo)致負(fù)載電流較大引起熱保護(hù)動(dòng)作的情況，建議對(duì)車(chē)輛段熱保護(hù)電流定值進(jìn)行調(diào)整。目前，廣州地鐵2號(hào)線(xiàn)車(chē)輛段直流饋線(xiàn)運(yùn)行穩(wěn)定，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供實(shí)際工程應(yīng)用參考。