地鐵非端部牽引所直流速斷保護設定方式研究

楊 曄

0 引言

地鐵設計規范中對供電系統運行方式提出要求：牽引變電所（下文簡稱“牽引所”）正常運行時，非端部區段由相鄰的2 座牽引所之間構成雙邊供電；其中1 座牽引所故障解列時，非端部區段由相隔的2 座牽引所越區“大雙邊供電”。由于設備故障，會導致非端部區段僅由1 個牽引所單邊供電。此時運行方式與規范中的要求不同，地鐵運行可能會受到一定的影響。本文結合實際案例，綜合分析供電計算和保護整定，對地鐵非端部牽引所直流速斷保護設定方式進行研究并給出相關建議。

1 非端部牽引所單邊供電事故及原因分析

1.1 非端部牽引所單邊供電事故描述

參見圖1，某地鐵早高峰運行時間，N 站—L站上行2B3 區內有2 列列車基本同時啟動時，L 站牽引所直流饋線開關212 的Imax保護裝置動作，并聯跳N 站牽引所直流饋線開關214，造成N 站—L站上行2B3 區接觸網失壓，列車短時停運。8 s 后直流饋線柜自動重合閘成功，列車限速30 km/h 運行，正常通過2B3 區。

相隔不久，2B3 區內又有2 列列車基本同時啟動時，再次出現同樣情況。接觸網運行維護人員到現場發現N 站接觸網上網隔離開關2141 故障后，遠方合上N 站接觸網越區隔離開關2124，2B3 區由2B2 區越區供電。

圖1 N 站—L 站接觸網供電分段示意圖

通過合閘接觸網越區隔離開關，實現大雙邊供電后，列車能正常運行。

1.2 事故直接原因分析

事故后，運營部門檢查現場供電系統的相關設備時發現，N 站接觸網上網隔離開關2141 信號檢測輔助開關HK 存在功能缺陷：刀閘未合閘到位的情況下，仍發送合閘到位信號至控制信號盤。

由于N 站牽引所上網隔離開關2141 故障，且N 站牽引所越區隔離開關2124 也沒有合閘形成大雙邊供電，導致2B3 區送電后，形成了正線非端部車站始終處于單邊供電的狀態，即如圖2中，N站牽引所虛線所框區域并沒有向“N 站—L 站”供電區間進行電能輸出。

圖2 直流供電系統示意圖

如果越區隔離開關2124 合閘，用場路方法進行計算分析，2 列列車的同時啟動電流，在大雙邊供電的條件下，不會導致開關跳閘。因此，接觸網隔離開關合閘不到位，導致“N 站—L 站”非端部供電區間處在單邊供電狀態是上文中保護裝置動作、開關跳閘的直接原因。

1.3 事故跳閘直接原因

1.3.1 現場故障電流的實際值

當N 站—L 站上行（2B3 區）實際處于單邊供電狀態時，該區間運行的列車全部從L 站牽引所直流饋線開關212 取流。單列車加速時最大取流可超過3 000 A，同時，由于單邊供電末端網壓較低，列車取流更大，從圖3中也能看出，2 列列車在同一供電區運行時瞬時取流超過6 000 A，而L 站牽引所直流饋線開關Imax保護動作整定值為6 000 A，因此L 站直流開關212 跳閘。

圖3 L站212 開關第一次跳閘波形記錄圖

1.3.2 牽引電流的理論計算

從現場跳閘波形記錄可以看出，2 列列車取流數值大于牽引所直流饋線開關Imax保護整定值。在確保系統安全運行的條件下，為了提供更好的運營服務，避免運營相關事故處理，需要進一步研究牽引電流的數值及保護整定的取值。

（1）單列車供電牽引電流的理論計算。本次事故線路采用B 型車，4 動2 拖6 輛編組，最高運行速度為80 km/h，高峰小時最大行車密度為30對/h。列車定員總重335.60 t，車輛輔助用電功率389 kW。

結合線路實際情況，在列車牽引計算的基礎上，按照運行圖各區間行車、停站時分進行整流機組負荷電流計算。經計算，與本次事故相關的幾個供電區間單列車最大啟動電流如表1。

表1 故障時單列車最大啟動電流數值表

（2）供電臂上供電牽引電流的理論計算。當正線一座牽引所解列時，如果故障牽引變電所越區隔離開關合閘、相鄰變電所形成大雙邊供電時，雖然整個大供電區間的列車數量增多了，但大雙邊供電區間內的列車不可能都同時處于啟動狀態，必然有列車處于再生制動狀態，車輛數量的增加讓列車釋放的再生能量被吸收的概率增大，再生能量可以得到更高效利用，從而減小整流機組的電流輸出。

供電系統模擬是按照嚴格的運行圖行車停站時分進行計算的。在實際行車運營時，由于各種因素會使運行圖變動，進而對牽引所電流輸出產生較大的影響。

圖4中N 站牽引所在1 號運行圖（發車間隔 2 min）下，最大的母線電流接近5 000 A，能夠回饋到牽引所母線處的再生電能不到200 A（圖4）；而在30 號運行圖下（發車間隔仍為2 min，相對1號運行圖，發車時間錯位30 s），牽引所最大的母線電流接近7 000 A，反饋大牽引所母線處的再生電流約1 000 A（圖5）；二者相比，1 號運行圖下由于列車釋放的再生能量得到了更充足的利用（反饋到母線側的就少），那么整流機組的輸出電流就會大大減小。因此，運行圖的調整對于整流機組的電流輸出影響較大，并且運行圖變化還存在各種概率因素。

圖4 遠期高峰小時N 站牽引所1 號 運行圖下的牽引所母線電流圖

圖5 遠期高峰小時N 站牽引所30 號 運行圖下的牽引所母線電流圖

從上述分析可以看出，由于列車制動產生的再生電流和其他列車啟動吸收電流之間的相互影響，因此當列車在不同運行圖下行駛時，就會直接影響整流機組的電流輸出。如果行車交路發生較大變化，同時牽引供電系統出現多重故障，就難以從供電仿真計算中得出精確、合理的饋線電流值。

綜上所述，在非端部車站，由于其他故障造成單邊供電，在多列車同時啟動時，導致瞬時取流超過直流饋線開關Imax整定值，這是導致該次跳閘的間接原因。

2 直流速斷保護取值分析及建議

在保證系統運行安全的前提下，應盡可能地考慮行車交路變化引起和系統運行方式臨時變化的饋線電流波動。通過在整定計算中取一定的過負荷系數來消除影響，就可能避免類似的跳閘事故。

根據《地鐵設計規范》（GB 50157-2003）中14.2.5 要求“一座牽引變電所退出運行時，相鄰的兩座牽引變電所應能分擔其供電分區的牽引負荷”，即一座牽引所退出運行，相鄰的兩座牽引所越區“大雙邊”向接觸網供電。供電計算提供的牽引電流考慮了正常供電、單臺整流機組運行、通過越區隔離開關大雙邊供電，通過直流母線大雙邊供電4 種情況下的饋線最大負荷電流，但未考慮正線非端部牽引所解列，相鄰牽引所單邊供電的情況。

Imax的電流保護配置需要考慮正線某座牽引所解列、相鄰牽引所單邊或是大雙邊供電條件下整流機組輸出的最大電流值。本文以下著重討論非端部牽引變電所，保證安全的條件下，從供電系統設計、直流保護整定取值、運營檢測手段等方面進行局部修正，盡量避免以上列車停運事故的發生。

2.1 既有線保護定值的設置

保護整定要滿足速動性、靈敏性、可靠性、選擇性的要求。從可靠性來說，就是要從保護的整定上區分各種非故障的運行情況和故障運行情況，保證非故障運行情況下不誤動，故障情況下可靠動作。對于速動性、靈敏性和選擇性來說，這三者是相互矛盾相互制約的，在保證可靠性的前提下，為提高速動性，必然要降低電流的整定值（跳閘延時一定的情況下），靈敏性同時提高了，但是犧牲了選擇性，可能出現越級跳閘的情況，反之亦然。因此，需要在這三者之間找到一個平衡點，同時兼顧速動性、靈敏性、選擇性。

直流饋線Imax的整定，是以供電牽引計算模擬出的最大饋線電流結果為基礎進行配置的，同時考慮1.05 的可靠系數；另外還要躲開保護區外的誤跳，即大于正常雙邊供電末端短路t= 20 ms 時的短路電流。在綜合考慮以上2 個因素的基礎上，為便于對定值的錄入和管理，筆者對所有的定值進行了歸整。

經校驗，不管是在正常運行方式下、單臺整流機組工作方式下，通過越區隔離開關“大雙邊”越區供電方式下，還是在通過直流母線“大雙邊”越區供電方式下，牽引所直流1 500 V 饋線的Imax整定值均滿足以上整定原則和要求。之所以出現L站212 饋線Imax跳閘的情況，是由于N 站隔離開關2141 合閘不到位造成了N 站—L 站實際單邊供電運行的情況，該運行方式與規范中設定條件相差較大，不在以目前標準為前提的設計考慮范圍。

2.2 保護定值可能的解決措施

雖然目前既有線的設定滿足規范要求，但從保證行車的角度出發，站在運營的立場考慮，在確保系統運行安全的前提下，考慮現場的情況應有一定的包容性，因此在具體設計過程中，整定計算時要考慮非端部牽引所單邊供電的情況，并應對提高Imax整定值的可行性和風險進行分析。

2.3 整定值計算

原則1：整定值應高于預期的饋線峰值電流。

Imax1= 1.05×Ifmax= 1.05×6.32= 6.64 kA

式中，Ifmax為根據供電計算提供的最大負荷電流值，6.32 kA。

原則2：整定值保證相鄰區間近端短路的選擇性，應由故障區間近端的直流斷路器的電流速斷保護清除故障，同時應避免在保護范圍之外故障情況下斷路器跳閘；即大于正常雙邊供電末端短路t= 20 ms 時的短路電流，考慮1.05 的可靠系數。

Imax2= 1.05×ISC×(1 - EXP(-20/T))= 1.05× 13.32×[1 - EXP（-20/64.48）]= 3.73 kA

式中，ISC為穩態短路電流，計算值為13.32 kA；T為時間常數, 計算值為64.48 ms。

最終計算值Imax＝MAX（Imax1, Imax2）=6.64 kA

2.4 整定值計算調整

根據本文2.3.2 節中單列車最大啟動電流表，L站下行單列車最大啟動電流為3 724 A，按2 列列車同時啟動的情況考慮，將Imax的最終整定值調整為7 500 A，經詳細核算得出L 站直流饋線保護整定值調至7 500 A 后，正常運行工況下末端短路的靈敏系數為1.74，能滿足系統運行要求。

2.5 對運營部門的要求

該定值調整后，如果運營人員不能及時發現上網隔離開關故障，列車雖然不會由于跳閘停運，但是容易長期帶故障運行，設備和電纜等易長期處于高負荷運行狀態，對設備的壽命考驗苛刻。因此，需要維修部門密切關注設備的運行狀態，避免出現變電所長期帶故障運行。

3 結語

通過上述論述可知，對于非端部牽引變電所，為避免設備可能故障導致單邊供電時，造成列車啟動跳閘的情況，在確保系統安全運行的條件下，結合牽引電流計算和保護整定，可以將非端部車站牽引所直流1 500 V 饋線Imax保護整定值均上調至 7 500 A。該建議一般適用于一個供電臂上最多有2列列車啟動的情況。在定值調整后，需要運營部門密切關注設備的運行狀態。

[1]高云霞.直流牽引供電系統繼電保護整定計算方法[J].電氣化鐵道，2011，22（4）：40-42.