地鐵直流牽引供電系統常用保護技術研究

蔣維佳 陳鑫

摘要：隨著近年地鐵市場業務在各大城市的快速推廣，地鐵的安全可靠運行也變得尤為重要。由于國內直流供電起步較晚，直流保護技術發展相對較慢。因此，研究和開發本地化的高可靠性、高智能化的保護技術，具有廣泛的應用前景。為此，本文圍繞地鐵供電系統，對常用的電流、電壓保護技術進行了分析和研究。

關鍵詞：地鐵牽引供電;保護;短路

引言：通過檢測地鐵供電系統中電流、電壓等主要參量，根據保護策略來判斷地鐵供電系統中是否發生故障，如果發現有短路等故障存在，則要在規定的時間周期內，采用系統的控制方法使斷路器跳閘，從而達到保護供電系統和自動排除故障的目的。跳閘以后，按照控制要求，系統要能對供電系統進行測試，判定故障是否依然存在，如果故障消失則自動重合閘[1]。

1 地鐵直流牽引網短路電流特點及直流保護系統設計要點

1.1 地鐵直流牽引供電系統短路電流特點分析

相比地鐵列車起動時的電流變化率持續時間，中遠端短路電流變化率的持續時間較長，其列車起動電流及瞬時故障短路電流都可以模擬為指數函數。由于地鐵列車起動的瞬時跳躍量，末端短路電流的瞬時跳躍量較高，而線路較長時情況可能相反。相比較負荷電流變化率，通常短路電流的變化率要高，而遠端短路電流變化率同地鐵起動的最高電流變化率相一致，當直流饋線不斷延長時，末端故障電流變化率可能要低于負荷電流變化率。若車流密度及直流饋線距離達到一定值時，最高負荷電流可能會高于或等于末端短路電流。

1.2 地鐵直流保護系統設計要點

直流牽引供電系統的保護，主要采用直流開關設備實施保護。在系統中，依據功能狀況劃分為饋線回路與整流器回路。直流饋線回路主要是對饋線側的牽引供電控制和保護，主要是對變電所接觸網及直流電纜出現的故障及時切除;整流器回路主要用于對整流器側的直流輸出進行控制和保護，主要是將整流器出現的直流輸出故障及時斷開。直流保護系統的設計要點有：其一，分析部分特殊故障形勢下的保護，如屏蔽門與接觸網的短路故障、隧道電纜支架與接觸網的短路、架空接地線與接觸網的短路等。其二，直流保護系統應避免誤跳閘問題以降低對地鐵運行的影響，如：地鐵列車在經過接觸網分段時的沖擊電流影響、地鐵起動電流和電壓的影響等。其三，各類保護之間的配合，確保直流系統出現短路故障時故障能夠有效切除[2]。

2 地鐵直流牽引供電系統的饋線保護技術

2.1 大電流脫扣保護

對于電流上升非常快的近端短路，大電流脫扣保護往往先于電流速斷保護動作。大電流脫扣保護的整定依據主要是短路電流值和最大饋線電流值。以牽引整流機組容量為3000kW的1500Vdc牽引供電系統為例，其遠端短路電流一般不低于20kA，最大饋線電流一般不超過3kA，而大電流脫扣保護整定范圍一般為4～12kA，整定值通常在6kA以上。按每列車前后兩端各設一個受電弓，列車的最大啟動電流3kA考慮，當列車前端受電弓通過圖1中節點A時，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，也不會超過3kA，因此正常的地鐵運行電流不會影響大電流脫扣保護動作的可靠性。

2.2電流增量保護與電流上升率保護

電流增量保護與電流上升率保護是地鐵直流饋線保護中的主保護，其不僅能夠將近端的短路電流切除，還能將大電流脫扣保護未能切除的小故障電流的遠端短路故障切除。此種保護的配置方式能有效避免單獨采用電流增量保護的拒動問題，以及單獨使用電流上升率保護的干擾誤動問題。其保護動作通常分為瞬時跳閘和延時跳閘兩部分。當瞬時電流超過整定門限，斷路器本體立即跳閘。延時跳閘元件主要用于對遠端短路電流進行識別并實施跳閘。此種保護的動作原理為：第一，在直流系統正常工作中，保護裝置對電流上升率進行實時監測，若電流上升率在既定時間內比保護整定的電流上升率高時，則電流上升率保護動作，進入延時階段;如果在延時階段內電流的上升率始終比保護設定值高，則啟動保護動作;若在延時階段內，電流的上升率恢復到保護設定值范圍內，則保護返回。第二，在電流上升率保護動作開始時，電流增量保護也會進入保護延時階段，且保護以繼電器啟動時刻的電流為基線對相對電流增量進行計算。當電流上升率始終高于保護設定值時，當滿足電流增量保護延時值時，電流增量同時也會高于保護設定值，此時電流增量保護動作。

在運行中，保護裝置不斷檢測電流上升率， 當電流上升率高于保護設定的電流上升率時，保護啟動， 進入延時階段。若在整個延時階段，電流的上升率都高于保護設定值，那么保護出口跳閘;若電流上升率回落到保護設定值之下，那么保護返回。圖1反映了一個電流波形在兩種保護整定值下的動作情況，分別用（1）和（2）來代表。在點a由于電流上升率高于di/dt整定值，保護啟動。

情況（1）：在b點，電流達到保護延時整定，且在ab間電流上升率始終高于di/dt整定值，保護動作。情況（2）：在c點，電流上升率回落到保護整定值下，而此時保護延時整定值尚未達到，保護返回。

電流增量保護需設置如下4項參數：跳閘整定值延時整定值、返回延時整定值、斜率。在電流上升率保護啟動的同時，電流增量保護也啟動，進入保護延時階段， 從電流增量保護啟動的時刻起，繼電器開始以啟動時刻的電流作為基準點來計算相對電流增量值。若電流上升率一直維持在電流增量保護要求的斜率整定值之上且在達到額定延時后，電流增量值達到跳閘整定值，則保護動作。在計算電流增量的過程中，允許電流上升率在相對較短的時間內回落到斜率整定值之下，只要這段時間不超過電流上升率的返回延時整定值，保護不返回;反之，保護返回。圖2反映了電流增量保護針對4種典型電流的動作情況[3]。

情況（1）：保護未動作，電流增量雖然超過跳閘整定值，但延時時間不足。

情況（2）：保護動作，電流增量超過跳閘整定值，延時時間滿足。

情況（3）：保護動作，電流增量超過跳閘整定值，延時時間滿足。在電流上升的過程中，雖然電流上升率曾經回落到斜率整定值（di/dt整定值）以下，但未達到返回延時值，因此保護未返回。

情況（4）：保護未動作，在電流上升的過程中，電流上升率回落到斜率整定值以下，且超過返回延時值，因此保護返回，在e點保護重新起動，并以e點作為新基準點。

2.3 框架泄漏保護

框架泄漏保護是針對直流設備特性而特別設置的，其原理是當直流設備的正極對柜體外殼發生絕緣損壞時，快速切除故障，保證系統安全運行。框架泄漏保護分為電流保護和電壓保護。直流設備正常運行時，電流檢測回路是沒有電流通過的。當直流設備的正極對柜體外殼發生絕緣損壞時，電流通過電流元件流入地網。當電流達到整定值時，框架泄漏保護的電流元件動作，整流機組中壓斷路器及所有直流斷路器跳閘，且聯跳相鄰變電所內向相同供電區段供電的直流斷路器。聯跳所的直流饋出斷路器在跳閘后，可通過PSCADA遠方復歸故障信號或在變電所內由人工復歸故障信號后投入該斷路器。故障變電所不能通過PSCADA遠方復歸故障信號，必須在現場故障排除以后，由人工復歸故障信號，各斷路器才能重新投入。框架泄漏保護的電壓元件根據人體耐受電壓-時間特性曲線進行整定，其由兩段組成：Ⅰ段報警，Ⅱ段跳閘。為減少雜散電流，供電系統中配置有排流柜。排流柜未投入使用時，電壓元件作為電流元件的后備保護，排流柜投入使用時，應將電壓元件撤除[4]。

結論：

地鐵直流牽引供電系統的核心是直流供電的控制和保護技術，它直接關系到地鐵安全可靠的運行。本文通過對地鐵常用大電流脫扣、電流增量及上升率等保護的研究，對國產地鐵直流供電相關技術具有理論價值和借鑒作用。

參考文獻：

[1]徐勁松，高勁，江平，等.淺析地鐵直流牽引變電所的保護原理[J].電氣化鐵道，2017，06（10）：61-62.

[2]董斌.地鐵直流牽引供電系統中的di/dt和ΔI保護[J].機車電傳動，2018，13（14）：74-75.

[3]周捷，宋云翔，徐勁松，等.直流牽引供電系統的微機保護測控探討[J].電網技術，2016，12（29）：62-63.

[4]王曉紅.地鐵直流饋線保護研究[D].西南交通大學，2016，05（35）：57-58.