直流牽引供電系統(tǒng)饋線保護(hù)

1、直流牽引供電系統(tǒng)饋線保護(hù)（深圳地鐵有集團(tuán)運(yùn)營(yíng)總部維修中心 ）摘要：地鐵牽引供電系統(tǒng)各種各樣的故障均有可能發(fā)生， 特別是短路引發(fā)的一系列故障危害性較大。因此，設(shè)置各類 直流開關(guān)柜的保護(hù)配置，對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。本 文主要對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)饋線保護(hù)等進(jìn)行探索。關(guān)鍵詞： 地鐵；直流；保護(hù)引言 城市軌道交通的直流牽引供電系統(tǒng)電氣保護(hù)配置是否 完善、保護(hù)定值是否合理，直接關(guān)系到地鐵的運(yùn)營(yíng)安全。直 流牽引供電系統(tǒng)包括牽引整流機(jī)組、直流母線、牽引網(wǎng)和電 動(dòng)客車等 4 部分電力設(shè)備 ，每一部分構(gòu)成一個(gè)保護(hù)單元 形成一個(gè)包含主保護(hù)、 后備保護(hù)、 輔助保護(hù)的體系 .其中牽引 網(wǎng)部分由變電所饋出線、接觸網(wǎng)、

2、行走軌和回流線構(gòu)成，由 于接觸網(wǎng)是向列車供電的唯一線路，長(zhǎng)時(shí)間處于高速摩擦、 振動(dòng)等惡劣工作環(huán)境中，所以牽引網(wǎng)部分發(fā)生故障的可能性 很高，這一部分的保護(hù)系統(tǒng)是否完善、可靠，在很大程度上 決定著整個(gè)供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。牽引網(wǎng)保護(hù)通常稱 作饋線保護(hù)，本文作者將對(duì)牽引供電系統(tǒng)的饋線保護(hù)進(jìn)行較 深入的分析研究。一、地鐵直流牽引網(wǎng)短路電流特點(diǎn)（ 1）地鐵直流牽引網(wǎng)短路電流特點(diǎn)a.地鐵列車起動(dòng)時(shí)的電流變化率時(shí)間以及中遠(yuǎn)端短路電 流變化率的時(shí)間較長(zhǎng)；b.和負(fù)荷電流變化率比較，短路電流 的變化率要高很多，而遠(yuǎn)端短路電流變化率同地鐵起動(dòng)的最 高電流變化率相一致；c.若車流密度及直流饋線距離達(dá)到一 定值時(shí)，

3、最高負(fù)荷電流可能會(huì)高于或等于末端短路電流。（2）地鐵直流保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 直流保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有以下要點(diǎn)： a .應(yīng)分析部分特殊故障 形勢(shì)下的保護(hù)，如屏蔽門與接觸網(wǎng)的短路故障、隧道電纜支 架與接觸網(wǎng)的短路、架空接地線與接觸網(wǎng)的短路等。b.在地鐵的日常運(yùn)行中，直流保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)避免誤跳閘問題以降低對(duì) 地鐵運(yùn)行的影響，其可能會(huì)產(chǎn)生的影響有地鐵列車在經(jīng)過接 觸網(wǎng)分段時(shí)的沖擊電流影響和地鐵起動(dòng)電流、電壓影響等。C.應(yīng)加強(qiáng)各類保護(hù)之間的配合，以確保當(dāng)直流系統(tǒng)出現(xiàn)短路 故障時(shí)故障能夠有效切除。二、牽引供電系統(tǒng)保護(hù)配置及其原理（一）大電流脫扣保護(hù) 當(dāng)電流超過整定門限，并達(dá)到規(guī)定的延時(shí)時(shí)立即跳閘。直流短路的特點(diǎn)是電流

4、快速上升， 保護(hù)在短路電流到達(dá)峰 值前觸發(fā)斷路器跳閘。對(duì)于電流上升非?？斓慕硕搪罚?電流脫扣保護(hù)往往先于電流速斷保護(hù)動(dòng)作。動(dòng)作電流 Idz 的整定：Idz=kIdmin式中：k可靠 系數(shù)，一般取1.5左右；Idmin 最小的 短路電流值。大電流脫扣保護(hù)的整定依據(jù)主要是短路電流值和最大 饋線電流值。以牽引整流機(jī)組容量為 3000kW 的直流 1500V 牽引供電系統(tǒng)為例，其遠(yuǎn)端短路電流一般不低于 20kA,最大饋線電流一般不超過3kA,而大電流脫扣保護(hù)整定范圍一般為412kA,整定值通常在 6kA以上。按每列 車前后兩端各設(shè)一個(gè)受電弓，列車的最大啟動(dòng)電流 3kA 考 慮，當(dāng)列車前端受電弓通過

5、圖 1 中節(jié)點(diǎn) A 時(shí)，饋電電流 I2 的電流增量為 750A 左右，即使與最大饋線電流相加，也不 會(huì)超過3kA，因此不會(huì)影響大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作的可靠性。（二） di/dt ? 流上升率及電流增量保護(hù)（ DDL） 直流系統(tǒng)短路具有短路電流上升速度快， 短路電流大 的特點(diǎn)，因此， di/dt 電流上升率及電流增量保護(hù)是直流系 統(tǒng)重要的保護(hù)。（1）DDL 保護(hù)為接觸網(wǎng)中、遠(yuǎn)端保護(hù)，在牽引變電所 近端短路時(shí)，該保護(hù)無法動(dòng)作，即不能作為大電流脫扣的后 備保護(hù)。（2） DDL保護(hù)分為 DDL+A I與 DDL+A T保護(hù)，該保護(hù) 通過分析饋線電流增量A I及時(shí)間t的關(guān)系來判斷故障。保護(hù)不間斷監(jiān)測(cè)直流饋線

6、電流 If 及電流變化率 di/dt 。當(dāng)電流變化率 di/dt 高于設(shè)定值 E 時(shí)，該保護(hù)啟動(dòng)；如電流變 化率di/dt低于F且未有跳閘出口，則 DDL保護(hù)停止。如果測(cè)量到的電流增量 I高于參數(shù)設(shè)定 Imax的時(shí)間大于或等于參數(shù) t Imax,貝U DDL+A I保護(hù)動(dòng)作，同時(shí) 跳閘信號(hào)啟動(dòng)。若保護(hù)出口動(dòng)作前檢測(cè)到電流變化率 di/dt 低于F,則整個(gè)保護(hù)復(fù)歸，相關(guān)參數(shù)清零。如果A t的測(cè)量值高于參數(shù) Tmax,同時(shí)A I的測(cè)量值 高于參數(shù) A Imin，貝U DDL+A T保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)跳閘信號(hào)啟 動(dòng)。 若保護(hù)出口動(dòng)作前檢測(cè)到電流變化率 di/dt 低于 F， 則整個(gè)保護(hù)復(fù)歸，相關(guān)參數(shù)清零

7、。（三）電流保護(hù)（ Imax+、Imax+）由于DDL保護(hù)動(dòng)作范圍在 E值與F值之間，且無法作 為大電流脫扣保護(hù)的后備。如果短路故障發(fā)生在E與機(jī)車di/dt 之間時(shí)， DDL 保護(hù)便起不到保護(hù)作用。 此時(shí)只能啟動(dòng)電 流保護(hù)，即電流保護(hù)用作上述兩種保護(hù)的后備保護(hù)，主要通 過分析饋線電流識(shí)別故障。SEPCOS-NGfe流保護(hù)分為定時(shí)限過流保護(hù)（Imax+）和電流速斷保護(hù)（lmax+）。電流速斷保護(hù)（Imax+）作為直流短 路近端保護(hù)的主保護(hù)， 按牽引變電所近端短路時(shí)流過饋線 斷路器的最小短路電流進(jìn)行整定。保護(hù)裝置不間斷監(jiān)測(cè)當(dāng)前電流最大值。如果該電流大于 整定值并超過整定時(shí)間，保護(hù)啟動(dòng)與相應(yīng)輸出激活

8、。如電流 小于整定值則保護(hù)返回。（四）低電壓保護(hù) 用于機(jī)車的正常工作電壓保護(hù)。按機(jī)車運(yùn)行所允許的最 低工作電壓考慮， 時(shí)間應(yīng)大于交流側(cè)可能出現(xiàn)的故障投切 造成的停電間隔，還應(yīng)考慮作為其它饋線保護(hù)的后備保護(hù)。保護(hù)裝置不斷檢測(cè)饋線電壓，如饋線電壓低于 UlMin 且延時(shí)時(shí)間大于等于 TULMin，則保護(hù)出口。（五）熱過負(fù)荷保護(hù) 該保護(hù)主要用于接觸網(wǎng)的熱過負(fù)荷保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)電流di/dt 值小于機(jī)車 di/dt 值時(shí)，由于保護(hù)已無法區(qū)分與正常負(fù) 荷電流相當(dāng)?shù)亩搪冯娏鳎?或長(zhǎng)期持續(xù)超過接觸網(wǎng)的耐受電 流值時(shí)，用熱過負(fù)荷作為接觸網(wǎng)的保護(hù)。熱過負(fù)荷保護(hù)以流過饋出線電纜和接觸網(wǎng)的電流計(jì)算接觸網(wǎng)的發(fā)熱 量，再根

9、據(jù)接觸網(wǎng)的熱負(fù)荷特性、環(huán)境條件等，得出接觸網(wǎng) 的饋線溫度進(jìn)行整定。（六）框架泄漏保護(hù)框架泄漏保護(hù)是針對(duì)直流設(shè)備特性而特別設(shè)置的，其原理是當(dāng)直流設(shè)備的正極對(duì)柜體外殼發(fā)生絕緣損壞時(shí)，快速切除故障，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。 框架泄漏保護(hù)分為電流 保護(hù)和電壓保護(hù)。直流設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，電流檢測(cè)回路是沒有電流通過的。當(dāng)直流設(shè)備的正極對(duì)柜體外殼發(fā)生絕緣損壞時(shí)， 電流通過 電流元件流入地網(wǎng)。當(dāng)電流達(dá)到整定值時(shí)，框架泄漏保護(hù)的 電流元件動(dòng)作， 整流機(jī)組 35kV 斷路器及所有直流斷路器 跳閘，且聯(lián)跳相鄰變電所內(nèi)向相同供電區(qū)段供電的直流斷路 器。聯(lián)跳所的直流饋出斷路器在跳閘后經(jīng) 4S 延時(shí)，即可通 過PSCADA遠(yuǎn)方復(fù)

10、歸故障信號(hào)或在變電所內(nèi)由人工復(fù)歸故障 信號(hào)后投入該斷路器。 故障變電所不能通過 PSCADA 遠(yuǎn)方復(fù) 歸故障信號(hào)，必須在現(xiàn)場(chǎng)故障排除以后，由人工復(fù)歸故障信 號(hào)，各斷路器才能重新投入。框架泄漏保護(hù)的電壓元件根據(jù)人體耐受電壓-時(shí)間特性曲線進(jìn)行整定，其由兩段組成：i段報(bào)警，n段跳閘。為減少雜散電流，供電系統(tǒng)中配置有排流柜。排流柜未 投入使用時(shí)，電壓元件作為電流元件的后備保護(hù)。由于鋼軌 對(duì)地的泄漏電阻大小不可控， 若鋼軌對(duì)地絕緣良好，接地 電流較小，電流元件有可能不 ?幼鰨 ?此時(shí)電壓元件可以檢測(cè) 到故障發(fā)生時(shí)大地對(duì)鋼軌的電壓差，從而引發(fā)保護(hù)動(dòng)作。但 是在排流柜投入使用時(shí)，應(yīng)將電壓元件撤除。（七）雙邊

11、聯(lián)跳保護(hù) 為了更加安全地向接觸網(wǎng)供電， 地鐵供電系統(tǒng)還設(shè)置 了雙邊聯(lián)跳保護(hù)， 確保在故障情況下， 相鄰變電所可靠跳閘。 正常情況下， 兩相鄰牽引變電所同時(shí)向同一段接觸網(wǎng)供電。 故障發(fā)生時(shí)，保護(hù)單元檢測(cè)到保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，則會(huì)通過硬結(jié)點(diǎn)向相鄰變電所對(duì)應(yīng)直流開關(guān)發(fā)送跳閘信號(hào)，從而引發(fā)該直流開關(guān)跳閘。（八）自動(dòng)重合閘？當(dāng)直流系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，保護(hù)裝置動(dòng)作，待短路故 障排除后需將斷路器進(jìn)行合閘才能使系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行。通常直 流牽引網(wǎng)的短路故障都具有瞬時(shí)性特點(diǎn)，當(dāng)故障排除以后供 電系統(tǒng)應(yīng)能在短時(shí)間內(nèi)快速恢復(fù)供電。自動(dòng)重合閘正好能夠 滿足此項(xiàng)要求。其動(dòng)作原理為：自動(dòng)重合閘的基本功能是在 排除直流牽引網(wǎng)的瞬時(shí)性故

12、障后使斷路器重新合閘，保證系 統(tǒng)恢復(fù)供電的可靠性與高效性。自動(dòng)重合閘應(yīng)保證自身不存 在任何故障，以避免斷路器因分合閘次數(shù)過多而大致壽命縮 短，或造成斷路器主觸頭損壞，所以在重合閘前應(yīng)先測(cè)試故 障線路，保障故障排除后再進(jìn)行合閘。如果重合閘次數(shù)高于 整定值，則將故障診斷為系統(tǒng)永久性故障，將重合閘回路關(guān) 閉。在自動(dòng)重合閘中，若線路故障診斷為永久性故障則重合 閘不發(fā)生動(dòng)作；若變電所是被聯(lián)跳分閘，則應(yīng)先將變電所合 閘再開啟重合閘；若是手動(dòng)分閘，則自動(dòng)重合閘不發(fā)生動(dòng)作。三、結(jié)束語目前，地鐵供電系統(tǒng)配置的各種直流保護(hù)，基本上能夠 快速、準(zhǔn)確切除大多數(shù)短路故障，但小電流短路故障與正常 運(yùn)行電流仍不易區(qū)分，可能導(dǎo)致以上各種保護(hù)均無法正確動(dòng) 作。這就需要對(duì)該種情況進(jìn)行大量的分析研究， 從而使其 能夠準(zhǔn)確地被保護(hù)裝置所識(shí)別。參考文