脈沖技術在城軌直流饋線保護中的作用

尹 科，徐銀飛

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脈沖技術在城軌直流饋線保護中的作用

尹 科1，徐銀飛2

（1. 株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南株洲 412000；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

介紹了城軌直流控制系統短路形式及特點。對城軌用直流斷路器各分閘方式的固有動作時間進行對比，論證了脈沖脫扣保護的優勢。

城軌直流控制系統 固有動作時間 脈沖脫扣保護

0 引言

隨著我國城鎮化步伐的加快，城市軌道交通的顯著優勢越來越被人們重視。現代化的服務、可靠的運行時間使其成為人們出行的首選。因此城軌交通正成為全國多個城市交通發展的首選。

我國城軌交通所采用的直流牽引系統主要有750 V和1500 V兩種電壓等級。由城市電網經過變壓器、整流器等到達直流電網，再向軌道機車供電。整個直流牽引系統由很多電器元件組成，而各個電器的短耐能力各有不同。為防止短路故障對牽引系統造成較大范圍破壞，牽引系統由多級短路保護組成。

城軌交通牽引供電系統直流側容易出現短路故障，隨牽引系統的結構復雜程度，短路工況經常也表現出其復雜性，其造成的破壞程度也不一樣。短路故障狀態的不同、系統電流與短路電流的識別等都對系統保護提出較高的選擇性與速動性要求。短路電流通常可達到系統電流的10到20倍，甚至更高，其嚴重影響城軌交通的可靠運行。短路電流參數不確定，直流側短路工況最早起保護作用的是直流斷路器，而目前直流斷路器一般只有過流保護，其保護較單一。而脈沖配合綜保系統可以使直流保護更加完善，其意義對直流牽引系統非常重要。

1 直流牽引系統組成及短路形式分析

1.1 牽引系統組成

直流牽引供電系統因外部電源方案不同，電壓制式有所不同。外部電源方案有集中式供電、分散式供電、混合式供電，這里以集中式供電進行說明。

所謂集中式供電方案，是指由專門設置的主變電所集中為牽引變電所及降壓變電所供電的外部供電方式，每個主變電所有兩路獨立進線電源。外部電源110 kV經變壓器降壓后變成35 kV或10 kV，即中壓網絡，再由降壓所和牽引變電所降壓整流后，變成低壓直流電，滿足城軌機車使用。低壓直流電再經過進饋線柜輸入接觸網。其結構如圖1。

1.2 短路形式分析

城市軌道交通短路故障主要有接觸網對地短路和接觸網對走行鋼軌短路。可理解為正極對地短路和正極對負極短路[1]。

直流牽引系統中，直流供電設備除了采用對地絕緣安裝方式外，還需要在設備金屬外殼和地之間設置直流框架泄露保護。當供電設備和柜體間發生電流泄露時，就會造成變電所正極對柜體外殼短路，形成牽引網正極對地短路故障。三軌絕緣支架如果發生絕緣老化后，也會造成接觸軌對地短路故障。

接觸網對走行軌短路，一般是由機車故障造成。當發生這種短路故障時，隨短路點到牽引變電所的距離不同，短路電流會有很大的差別。當發生近端短路時，短路電流會對系統產生很大的沖擊，其d/d很大。當發生遠端短路時，短路電流曲線接近于指數函數曲線，d/d較小，電流幅值也小，其發生過程和最大負載下一個分區內多部列車連續啟動時的電流形態非常相似，所以甄別遠端短路和列車啟動電流是牽引變電所直流保護的難點。

圖1 集中式供電方案結構圖

1.3 短路故障甄別

短路故障的甄別主要指保護系統區分遠端短路故障和列車啟動電流。因遠端短路故障電流上升率，峰值都比較小，通常與列車啟動或通過牽引網分段時的電流瞬時值比較接近，甚至小于該電流，所以遠端短路故障的區分是牽引系統直流保護的難點。

對遠端短路故障的甄別一般是利用饋線電流的電流變化率、電流增量及時間的變化，對短路電流和列車啟動電流進行區分，使饋線開關在線路發生最小短路電流時跳閘，而列車啟動時保護不動作[3]。

2 城軌牽引供電系統直流側短路保護形式

城市軌道交通直流牽引系統直流保護形式有多種，而主要的執行元件是進線或者饋線斷路器。短路工況比較復雜，且危害性較大，除了綜合保護裝置要準確可靠的判斷出短路故障，斷路器也要迅速進行短路切除。

2.1 短路工況的復雜性

城市軌道交通直流牽引供電系統短路工況比較復雜，這主要可以從以下幾點進行解釋[2]：

1）供電電源多。城市軌道交通直流牽引供電系統，由多個牽引變電所與牽引網共同構成一個多電源的網絡，當接觸網發生短路時，并非只有靠近短路點的兩座牽引變電所而是全線的牽引變電所都通過牽引網向短路點進行供電。

2）供電方式多。根據運營要求，每個供電分區都可以進行單邊供電、雙邊供電或大雙邊供電。

3）供電回路多。城市軌道交通直流牽引供電系統，因供電電源多、供電方式多，必然導致供電回路多、網絡復雜化。

4）回路參數多。因電源多、方式多、回路多，決定了供電網絡中回路參數多。

同時短路形式又有多種，且短路故障和正常運營的部分特殊時段工況又比較近似，這就要求保護系統要比較靈敏、可靠性要高。短路電流危害性比較大，一旦確認短路故障，保護執行元件需要迅速動作切斷故障回路。

2.2 短路保護形式

城市軌道交通牽引系統目前都是采用的微機綜合保護裝置，簡稱綜保。綜保裝置通過軟件來實現保護功能，其軟件對供電系統中的各種復雜故障具有很強的綜合分析能力和判斷能力。綜保裝置可以實時對系統進行檢測，并迅速地進行采用計算，反復精確地校核。在供電系統發生故障的暫態時期內，能正確判斷故障，當故障發生變化時，也能及時做出判斷和自我修正。

除斷路器本體大電流脫扣保護外，借助于綜保裝置的強大功能，可以實現多種保護形式。這些保護形式多作為斷路器主保護的后備保護，而且各保護之間也存在備用關系。保護層次多樣化，可以對各種不同的短路形式進行判定，且針對不同的牽引供電系統也可以選擇不同的保護配合。這些保護形式主如表1。

2.3 斷路器分閘方式比較

短路保護最終執行元件為斷路器，目前城市軌道交通牽引系統使用的直流斷路器具有的分閘方式主要有：1)緊急手分，2)大電流脫扣，3)分勵線圈分閘，4)脈沖脫扣動作分閘。

表1 保護形式

安全起見，地鐵運營時，變電所內一般不允許有人員在所內活動，所以緊急手分在系統發生短路故障時，基本不會形成分閘保護；大電流脫扣是完全有可能啟動的，當短路電流大于整定值時，大電流脫扣保護形成斷路器分斷保護。按快速直流斷路器定義，其大電流脫扣固有動作時間為5 ms以內。但是大電流脫扣保護功能是呆滯的，只有電流大于整定電流時，才會起保護作用。而面對種類繁多的短路形式，其保護顯得比較局限；分勵線圈分閘，即由斷路器本身分閘機構產生分閘力，實現分閘保護。但缺點是，一般斷路器分閘機構為電磁機構，其固有動作時間比較長，一般可達到10 ms甚至更高，且由控制系統給出分閘命令仍需要時間，這對短路保護的迅速性非常不利；脈沖脫扣，脈沖脫扣動作非常迅速，可達到3 ms以內，且其通過晶閘管控制電容放電，從得到命令到放電完成基本不到1 ms。其固有動作時間比較如下表2。

表2 固有動作時間比較

實際運營過程中，除斷路器本體大電流脫扣外，其他保護形式均以綜合保護裝置與分勵線圈分閘保護配合或者以綜合保護裝置與脈沖脫扣配合來實現。從以上時間分析，可以看出以脈沖脫扣為保護動作輸出的后備保護具有明顯的速動優勢。

3 脈沖原理及保護優勢

脈沖脫扣本質為電磁斥力機構。電磁斥力機構作為一種快速操動機構，其各方面性能均優于普通彈簧機構和永磁機構[4]，其在電力系統故障限流、電能質量控制等諸多領域具有廣闊的應用前景[5]。將脈沖技術應用于直流牽引系統中，必然會使城市軌道交通直流牽引系統的保護達到更好的效果。

3.1 脈沖原理

脈沖技術所使用的電磁斥力機構并不復雜，其主要組成部分如圖2所示：

圖2 機構主要組成部分

斥力盤通常為銅或者鋁，呈圓盤狀，其與下側的線圈間距越小產生的電磁沖擊斥力越大。線圈有效載流線徑較大的銅芯漆包線，線圈電阻極小，匝數較多，可以瞬間產生非常大的感應電磁通。通路開關需要采用晶閘管導通，可以保證開通回路盡量少的消耗時間。電磁斥力機構不可以采用恒流源等一般電源作為線圈電源，需要采用較大的電容進行放電，因為電容放電能夠達到納秒級別，且放電容量可以控制。

斥力機構需要有放電觸發控制系統，可將K作為斥力機構對放電控制系統的接口。當控制系統接收到綜合保護裝置發送的命令后，控制系統將K閉合，導通放電回路，電容對線圈放電。線圈中瞬間產生非常大的電磁場，變化的電磁場在上方金屬盤中產生渦流，渦流產生的磁場與電磁線圈產生的磁場作用，將巨大的電能轉換為機械能，使斥力盤受到非常大的斥力而往上運動。在實際應用中，只需要將斷路器鎖扣機構與斥力盤進行連接，利用其運動將鎖扣機構脫扣，即可實現快速分閘。

3.2 脈沖保護優勢

直流短路保護分斷電壓電流原理如圖3，ss為穩態短路電流值，d/d為電流上升率，c為短路電流時間常數cut off是斷路器切斷電流，cut off’是脈沖脫扣保護時的切斷電流，arc’是脈沖脫扣保護時的弧壓。直流保護中一個重要的參數為限流系數，限流系數為切斷電流與穩態短路電流的比值，限流系數表明保護系統性能。限流系數小表明保護系統越早切除故障電流，使短路電流對回路系統的危害降為最低。

圖3 直流短路保護分斷電壓電流原理

短路工況下，當綜保將保護命令發送給斷路器，并由斷路器實現分閘保護。不論何種保護形式，保護切斷時間最終都由執行元件斷路器決定。斷路器執行分閘動作又有多種形式，可以與綜保配合的有分勵線圈分閘和脈沖脫扣分閘。由以上分析可知，當短路保護采用脈沖脫扣作為分閘執行操作時，耗時最短。

4 結論

以上所述，城軌交通直流牽引系統，采用脈沖脫扣技術作為短路保護中斷路器分閘執行器時，可以有效地切斷短路電流，限流系數比由分勵線圈分閘更小，保護性能更優越，適合大范圍推廣使用。

[1] 張永祥, 劉巖. 牽引供電系統直流側斷路器故障分析[J]. 實用技術推廣, 2014(23): 176-177.

[2] 于松偉, 楊興山, 韓連祥, 張巍. 城市軌道交通供電系統設計原理與應用[M]. 成都: 西南交通大學出版社, 2008.

[3] 魯小兵. 城市軌道交通遠端短路電流鑒別研究[D]. 成都: 西南交通大學電氣工程, 2012.

[4] 董恩源, 李博, 鄒積巖. 超高速斥力機構與永磁機構的實驗性能對比分析[J]. 高壓電器, 2007, 43(2):125-126.

[5] 董力, 李慶民, 肖茂友等. 兩次電流轉移型短路電流限制器的研究[J]. 電工技術學報, 2004, 19(3): 21-24.

The Role of Pulse Stripping Technology in DC Feeder Protection of Urban Rail

Yin Ke1, Xu Yinfei2

(1. Zhuzhou CRRC Times Elertric Co., Ltd, ZhuZhou 412000, Hunan, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

A

1003-4862（2019）05-0030-03

TM773

2018-12-10

尹科（1982-），男，工程師。研究方向: 牽引系統與信息化。E-mail: yinke@teg.cn