地鐵DC1500V牽引系統增量保護定值分析

黃佩揚 黃嘉琳 孫俊明

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州510380）

1 直流供電系統簡介

地鐵直流供電系統主要由主變電所、牽引變電所、接觸軌、電力監控、供電纜網等組成。采用集中供電方式，由城市110kV電壓等級電網向地鐵主變電所供電，主所為全線33kV電壓等級環網供電，再向地鐵的牽引變電所和降壓變電所供電，組成完整的供電網絡系統。牽引變電所的間隔一般為2～3km，并按其所需的總容量設置兩組整流機組并列運行。沿線任一牽引變電所故障，則由兩側相鄰的牽引變電所承擔其供電任務。

2 直流饋線開關保護運行分析

2.1 非運營期間接觸軌單邊送電情況下單臺列車取流波形分析

根據列車重載試驗電流曲線圖，在額定負荷AW2下單列列車取流最大值為2700A左右。列車在加速過程中，到達35km/h時速時取流最大后，將開始采用調頻加速使取流下降至1800A左右。列車從0加速到85km的最短時間為32s。

接觸軌單邊送電情況下單臺列車取流波形分析情況：單臺列車取流波形，一天內最大的負荷電流為2000A左右，具體如圖1所示。

圖1 單臺列車取流波形

以每秒采集1k個數據點的情況下，將列車啟動取流時尖峰波形放大觀察，列車取流時沒有抖動或鋸齒波的現象，對接觸網設備及列車運行設備基本無影響，如圖2所示。

圖2 尖峰電流

2.2 運營期間單臺直流開關的最大負荷數據測試分析

針對直流供電區運行時刻可能出現3部車在同一供電臂內，對應的開關是A牽引所的214開關、B牽引所的212開關。同時對應現場跟蹤高峰電流情況，觀察到負荷電流最大開關柜為A牽引所214開關，所以對A牽引所214開關掛錄波器監測電流數據：

行車列車數為37列的情況下，以每秒采集1k個數據點采集電流波形，由波形數據可以看到列車啟動電流大體在2400A左右，記錄到最大電流值為3860A（晚高峰時段唯一一次超過3400A，高峰時刻其他的啟動電流峰值在3200A左右）。

行車列車數為42列的情況下，以每秒采集1k個數據點采集電流波形，由波形數據可以看到列車啟動電流大體在2700A左右，記錄到最大電流值為3414A（晚高峰期間多次超過3400A，其他高峰時刻的啟動電流峰值達到3100A左右）。同時，可較明顯看到晚高峰期間列車啟動密度較大，峰值電流較高。

增大采樣密度，每秒采集20k個數據點，行車列車數為37列、42列的情況下，記錄高峰時段電流波形。從兩個波形圖中均沒有看到電流有抖動、鋸齒波的現象。

行車列車數為42列，增大采樣密度，每秒采集200k個數據點，沒有看到列車取流有抖動、鋸齒波的現象，列車從開始取流到取流峰值時間為26s；峰值為3030A，電流斜率di/dt為0.12A/ms，具體如圖3所示。

圖3 列車啟動波形（采樣為200k/s）

3 定值匹配性分析

3.1 單一供電臂內同時允許多車啟動的模式分析

線路高峰期共有42列列車上線運營，線路來回共用時115min，高峰時刻每車間隔為2′44″左右。從行車距離、每個區間、每個供電臂幾個方面分析供電臂內列車數量：

（1）行車距離：線路全長共32km（來回程共64km），每列車之間平均距離為1.52km。查閱設計文件，線路最長的供電臂為3.299km。從以上計算得出現階段可能出現同一供電臂內列車達到3列。

（2）每個區間：線路有48個區間（含折返線區間），平均到每個區間的列車數為0.875列，五號線每個供電臂內最多3個區間，所以從區間角度計算出每個供電臂內最多行車2.625列，也就是可能超過2列。

（3）每個供電臂：線路共有26個供電臂，所以平均到每個供電臂的列車數為1.62列。

綜上所述，在現階段42列車的情況下，正常行車時，每個供電臂內的列車可能存在超過2列的情況，其中，供電臂距離長、區間多的會出現每個供電臂內有3臺車的情況。

3.2 現階段保護定值匹配性分析

現階段在運行的DC1500V開關柜為西門子生產的SITRAS8MF型開關柜，配UR40-82S斷路器，測控保護裝置為西門子的DPU96裝置。DC1500V饋線開關柜DPU96裝置設有保護：電流速斷Imax、ΔI保護、過電流UMZ保護、電流變化率di/dt保護、熱過負荷保護；開關本體設置大電流脫扣保護。根據分析，42列車上線運行的情況下，每個供電臂內近期最大可能同時存在3臺列車，因此，以下定值分析均以每個供電臂3臺列車、單邊供電為條件來進行。

3.2.1 開關本體大電流脫扣保護匹配分析

根據列車重載試驗電流曲線圖，在額定負荷AW2下單列列車取流最大值為2700A，現整定為9000A，在極端的單邊供電情況下，按照區間內3臺列車重載全速啟動計算：2700×3=8100A≤9000A。現階段該整定值符合運行要求。

3.2.2 電流變化率di/dt、電流增量ΔI保護整定匹配分析

單臺列車啟動電流平均di/dt取0.125A/ms，在極端的單邊供電情況下，按照區間內3臺列車重載全速啟動計算：0.125×3=0.375A/ms≤50A/ms，取流電流增量2700×3=8100A≥4000A，但列車取流時間16s≥0.005s，現階段該整定值符合運行要求。

3.2.3 Imax+保護整定匹配分析

Imax+電流整定值為8500A，時間為1ms。考慮到在極端的單邊供電情況下，按照區間內3臺列車重載全速啟動計算，則2700×3=8100A≤8500A，故該整定值符合現階段的運行要求。

3.2.4 熱過負荷保護整定值匹配分析

整定依據為接觸網和饋線電纜的熱特性及其載流量，不需與其他保護配合。根據對現運行的直流開關柜運行情況觀測得知：對于饋線開關電流經常出現超過2000A的電纜熱過負荷計算溫度一般在42℃左右，而饋線開關負荷不大的一般只有38℃左右（計算的參考溫度為35℃），而開關的跳閘溫度值為80℃，系統裕度很大，故其滿足現階段的正常運行。在極端的單邊供電情況下，按照區間內3臺列車重載全速啟動考慮，由于列車持續運行時間較短（單車一般超過2000A電流不超過16s時間），故不需要考慮該保護的整定。

3.2.5 過電流UMZ保護整定值匹配分析

過電流整定值為5905A，時間為25s。考慮到在極端的單邊供電情況下，按照區間內3臺列車重載全速啟動計算，則2700×3=8100A≥5905A，但是考慮到列車重載全速啟動時電流值大于2000A的時間不超過16s（圖1），而該保護是延時為25s，故該整定值符合現階段的運行要求。

4 結語

在供電系統正常運行的情況下，DC1500V饋線開關現行保護定值完全滿足現有列車（42列）啟動取流及系統故障保護的需要，可以充分實現現有保護功能，無需調整。在某個牽引所整流機組退出運行后，即大雙邊供電或大單邊供電時，需注意調整行車數量及啟動模式，避免列車啟動取流造成直流饋線開關保護誤動作。

［參考文獻］

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