直流牽引供電系統熱過負荷保護研究

胡佳駿

摘 要：本文對直流牽引設備的饋線保護功能進行了簡單介紹，對U-MLE保護裝置的熱過負荷保護基礎參數和計算方法進行了論述。通過深入了解保護裝置的熱過負荷參數定義，結合接觸網的運行工況，提出U-MLE保護裝置的熱過負荷整定值和計算依據。研究成果可為相關應用與研究提供參考。

關鍵詞：牽引供電；熱過負荷；整定

中圖分類號：TM922.3 文獻標志碼：A

0 引言

城市軌道交通的牽引供電系統采用直流供電方式，其中直流饋線一般配置過流延時、過流速斷、電流上升率、電流增量等保護功能，一旦饋線段發生過流故障，保護裝置將發出跳閘命令，使直流高速斷路器分閘，迅速切斷饋線段故障電流。對于架空接觸網（架空接觸網分為柔性或剛性兩大類）方式供電的線路，還會設置熱過負荷保護，通過保護裝置計算熱量累積值，其主要功能是為了防止接觸網過熱而張力降低，導致接觸網性能下降，影響行車的正常運行。

當熱過負荷保護發生動作時，將會使斷路器跳閘并在一定時間內持續閉鎖合閘，斷路器跳閘后，電流降為0A，熱量逐步降低到整定值之下，才允許斷路器再次合閘。這樣就造成一旦發生熱過負荷保護動作，短時間內無法解決該回路停電狀態，從而影響正常行車。熱過負荷保護的曲線為反時限曲線，由于負載電流的不斷變化，熱量累積值也在不停地變化。設定整定值時，需要考慮與接觸網熱特性的匹配，其數學模型公式的計算也較為復雜，很難精確計算熱量值，這樣不僅使得設計人員的工作量大大增加，還增大了設定整定值的難度。熱過負荷保護的定值不可設置過小，會造成誤動作，也不可設置過大，會失去對接觸網的保護。因此，用更為簡單的計算方法，合理設定熱過負荷保護的整定值，保證其動作的可靠性，是一個重要的課題。

本文簡要分析U-MLE保護裝置的熱過負荷保護的計算方法，經過簡化運算，提出具有參考性的整定值設定依據。

1 主回路構成

配有U-MLE保護裝置的直流饋線設備，主要由直流斷路器（Q0）、分流器（R0）、電流變送器（U1、U2），電壓變送器（U3）等組成。以額定電流為4000A的饋線設備為例，保護裝置所需的電量采集回路結構如圖1所示。

U-MLE保護裝置具有1倍額定電流（即4000A）和10倍額定電流（即40000A）的電流采集通道，通過2只電流變送器，將對應的電流量轉換成20mA的模擬量信號接入保護裝置中，保護裝置的1倍和10倍電流通道可自動進行無極切換，在保證測量精度下，可以采集-40000A～40000A的電流；通過一臺電壓變送器，采集額定電壓，將對應的電壓量也轉換成20mA的模擬量信號送入保護裝置中。

直流饋線配置的過流延時、過流速斷、電流上升率、電流增量和熱過負荷等保護功能，主要是通過電量的大小以及時間配合進行判斷，達到定值后動作，發出跳閘命令。

2 電流保護功能介紹

直流饋線中的U-MLE保護裝置一般配置5種電流保護功能：1I>延時過流保護、3I>瞬時過流保護、1DI電流增量保護、1di/dt電流上升率和熱過負荷保護。本節簡單介紹各電流保護的主要保護功能：

1I>延時過流保護：定時限曲線，通過電流和時間兩個參數作為判斷依據，一旦電流達到整定值時保護起動，在一定時間內電流值持續達到整定值或之上，則保護發出跳閘指令，主要是對線路過流的保護。

3I>瞬時過流保護：定時限曲線，具有斷路器合閘瞬間判斷電流的功能，若斷路器合閘瞬間出現大于整定值的電流，則保護無延時發出跳閘指令，3I>的其余功能與1I>延時過流保護相同，但在整定值的大小方面，其電流值設定更大，時間設定更短。

1DI電流增量保護：一般作為近端至中端范圍的保護（根據設定值也可作為中端至遠端范圍的保護），若電流上升率達到整定值時保護起動，在延時時間結束后計算電流增量，若達到整定值或之上，則保護發出跳閘指令，使斷路器跳閘。

1di/dt電流上升率：一般作為中端至遠端范圍的保護（根據設定值也可作為近端至中端范圍的保護），若電流上升率達到整定值保護起動，在延時時間結束后計算平均電流上升率，若達到整定值或之上，則保護發出跳閘指令，使斷路器跳閘。

熱過負荷保護：反時限曲線，通過電流和時間的函數關系，根據熱量運算法則計算累積熱量，主要是保護負載不被過負荷電流造成損壞。

通過上述各種電流保護的相互配合，將保證整個直流饋線的供電安全，防止電流事故擴大，造成人員受傷或設備損壞，使直流牽引供電系統能更加穩定可靠地運行。

3 電流保護配合

直流饋線柜中的U-MLE保護裝置配有多個過流保護，其中定時限過流保護有1I>延時過流保護和3I>瞬時過流保護，它們與斷路器本體大電流脫扣形成了三重極差保護。筆者提出定時限過流保護與斷路器本體大電流脫扣的參數配合建議。參數配合如圖2所示。

由圖2可知，斷路器本體大電流脫扣最為迅速，設定區間一般是額定電流的2.5倍以上，動作速度（延時不可設）在10ms內（根據電流上升率大小不同，本體脫扣的動作速度會有所不同）；3I>瞬時過流保護速度次之，設定區間一般是額定電流的1.5倍以上，動作延時（可設）在10ms～60ms；1I>延時過流保護速度最慢，設定區間一般是額定電流的0.6倍以上，動作延時（可設）在60ms以上。直流饋線柜的1I>延時過流保護、3I>瞬時過流保護與斷路器本體大電流脫扣的三重極差保護，在設定整定值時應考慮覆蓋所有的短路故障范圍值。

1DI電流增量和1di/dt電流上升率分別是保護機車在近端至中端、中端至遠端的短路保護，作為加快短路故障跳閘的保護功能，能在短路故障前期迅速切斷故障電流，此兩項參數在設計整定值時，需考慮機車類型、取流大小和運行間隔等，應避免設置過小而誤動作，在本文不做討論。

熱過負荷保護是反時限曲線，即電流越大動作時間越短，與定時限過流、電流增量和電流上升率的短路電流保護功能不同，它主要是對負載“架空接觸網”的過負荷保護，隨著負載“架空接觸網”的電流變化，計算出的熱量累積值也會發生變化。U-MLE保護裝置對熱過負荷保護中參數整定的條件要求較高，需專業設計人員根據現場情況和負載能力進行核算，而熱保護的數學模型公式較為復雜，計算耗時耗力。在某些項目中，有直接或間接引用其他型號保護裝置整定值的情況，引用的整定值在U-MLE保護裝置中的含義與其他裝置并不完全相同，甚至不適用，這樣的整定值對熱過負荷保護的動作結果會有較大差異，影響設備的正常運行。筆者通過對U-MLE保護裝置的熱過負荷保護研究，提出較為簡單的整定值計算方式，供設計人員參考，在下文將做詳細論述。

4 熱過負荷保護參數含義

U-MLE保護裝置的熱過負荷有以下參數設定，見表1。

Enab.投退：保護功能的投退選項。一般架空接觸網選擇投入，接觸軌選擇退出。

Tal溫升報警：溫升報警門限。其單位%Tn為計算的溫升率，當Tn≥Tal值時，熱過負荷報警持續動作；當Tn

Tres溫升復位：溫升恢復的門限。根據保護裝置說明書和驗證測試，可知單位Tb的計算公式，如式（1）：

Tb=（Is）2（Tb單位：%Tn） （1）

Is持續允許電流：允許長期運行的電流，當運行電流I≥Is值時，熱過負荷保護在一定時間的延時后會動作；當運行電流I

Kt時間系數：負載熱負荷時間常數。Kt值影響熱保護的動作時間。

從式（1）中，將額定電流In的倍數代入公式中，可得Tb值

當Is=0.5×In時，Tb=（0.5）2=25%Tn；

當Is=1×In時，Tb=（1）2=100%Tn；

當Is=1.1×In時，Tb=（1.1）2=121%Tn；

當Is=1.2×In時，Tb=（1.2）2=144%Tn，以此類推。

5 熱過負荷保護計算方法

為了較為準確地得到熱過負荷保護的整定值，通過公式和已知數據，簡化計算出U-MLE保護裝置中熱過負荷保護的設定參數整定值。

根據架空接觸網的專業數據，地面接觸網的持續總載流量為3025A，高架接觸網的持續總載流量為2562A。以地面接觸網線路為例，為方便計算，取Is=3000A（即0.75In，其中In=4000A）。

由式（1），得式（2）

Tb=（Is）2=（0.75）2≈56%Tn （2）

即，實際計算的溫升率Tn達到56%時，熱過負荷保護發出跳閘命令。

一般設置熱過負荷保護的報警值Tal為跳閘值Tb的90%，如式（3）

Tal=Tb·90%=56%Tn·90%≈50%Tn （3）

由式（3）可知，Tal=50%Tn

一般設置熱過負荷保護的溫升復位值Tres為跳閘值Tb的85%，即Tres=85%Tb

U-MLE保護裝置中，熱過負荷保護的跳閘時間函數公式，如式（4）：

t為保護裝置發出跳閘的時間；

Kt為負載熱負荷時間常數（U-MLE保護裝置內的整定值）；

I為實際負載電流，取值為≥Is的值；

In為系統額定電流；

Is為持續允許電流（U-MLE保護裝置內的整定值）；

Ip為過載前的穩態電流，取值為

ln為自然對數。

將式（4）化簡，得式（5）

從式（5），可以看出，熱過負荷保護跳閘時間t是流入負載電流“I”的一個函數，它取決于發熱時間常數“Kt”，原先的熱過負荷狀態“Ip”以及最大允許持續電流“Is”，與系統額定電流In無關。

根據接觸網的相關測試數據可知，接觸網的通電電流由0A上升至7600A且持續29s，接觸網的溫度可達80℃，此時熱過負荷保護應動作，跳閘斷路器。因此，取I=7600A，t=29s，同時電流上升的過程時間與整個保護動作時間相比小到可忽略不計，為了方便計算，取Ip=0A。

將上述已知條件代入式（5）中，得式（6）：

通過式（6）可知，U-MLE保護裝置的持續允許電流設定為Is=3000A，并且負載熱負荷時間常數設定為Kt=2.87min，若接觸網的通電電流由0A上升至7600A且持續29s，熱過負荷保護將動作，跳閘斷路器，使接觸網在該條件下能夠正常使用。

由上述計算方式，可得到地面接觸網線路的U-MLE熱過負荷參數設定，見表2。

根據公式計算，筆者建議將表2的整定值作為U-MLE保護裝置對地面接觸網的基準熱過負荷保護定值，供設計人員參考。U-MLE保護裝置對高架接觸網的熱過負荷保護的整定值，同樣可通過上述計算方式得出。

結語

隨著城市軌道交通建設步伐的加快，完善直流供電系統的保護整定值配置以及運營維保人員的校準檢測方案，提升運營穩定性，變得越來越重要。

本文對直流牽引供電系統的熱過負荷保護功能進行了作詳細的論述，從計算和速查方法，得到較為合理的熱過負荷保護整定值，供設計人員參考。隨著城市軌道交通的發展，技術人員的專業知識深入，會有更多合理可靠的計算和測試方案被提出，提高運營穩定，增加設備運行的可靠性。

參考文獻

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