地鐵直流牽引供電系統(tǒng)保護(hù)配合的探討

張洪松

摘要：地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的電氣保護(hù)是否完善、保護(hù)定值是否合理，是關(guān)系到地鐵運(yùn)營(yíng)安全、人命關(guān)天的大事。本文對(duì)地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)配合進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：地鐵;直流牽引;供電系統(tǒng);保護(hù)配合

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行是由直流供電控制和保護(hù)裝置提供保障。在保證牽引供電系統(tǒng)安全可靠地向列車(chē)供電方面，直流牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)發(fā)揮了極其重要的作用。

一、牽引供電系統(tǒng)概述

地鐵供電系統(tǒng)的電源一般取自地方110kV電源，并通過(guò)地鐵供電系統(tǒng)內(nèi)部的主變電所進(jìn)行電壓變換，然后通過(guò)高壓供電到各個(gè)牽引變電所變壓整流為直流供車(chē)輛使用。它是地鐵供電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)降壓，整流和饋電等重要部分，并負(fù)責(zé)對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)車(chē)輛提供電能。

二、直流牽引供電系統(tǒng)保護(hù)配合的意義

直流供電系統(tǒng)包括直流開(kāi)關(guān)柜、控制和保護(hù)系統(tǒng)、直流電纜、接觸網(wǎng)等。其中控制和保護(hù)系統(tǒng)對(duì)確保軌道交通的安全、可靠的運(yùn)行具有舉足輕重的作用。它一方面確保向地鐵列車(chē)提供安全可靠的供電，減少甚至消除不必要的停電時(shí)間，從而提高經(jīng)濟(jì)效益;另一方面在直流牽引供電系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，應(yīng)有選擇性地迅速切除故障，以保證列車(chē)、設(shè)備和旅客的人身安全。除可靠性要求外，直流牽引供電保護(hù)系統(tǒng)必須在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)快速、準(zhǔn)確地切除故障，同時(shí)還要避免列車(chē)正常運(yùn)行時(shí)一些電氣參數(shù)的變化引起保護(hù)裝置誤跳閘。

三、地鐵直流牽引供電保護(hù)的內(nèi)容及原理

1、能適用于所有線(xiàn)路供電方案，變動(dòng)靈活，如單邊供電，雙邊供電供電等。

2、應(yīng)充分考慮各種保護(hù)之間的相互配合關(guān)系，以保證在直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，能可靠地切斷故障。

3、能正確可靠地區(qū)分牽引電流和故障電流、基本保護(hù)和后備保護(hù)。直流保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)保證列車(chē)在正常運(yùn)行時(shí)，不會(huì)誤跳閘而影響列車(chē)運(yùn)行，例如：列車(chē)啟動(dòng)時(shí)造成的短時(shí)間起動(dòng)電流過(guò)大、電壓下降的影響，列車(chē)過(guò)接觸網(wǎng)分段時(shí)由于車(chē)頭內(nèi)濾波電容充電引起的di/dt、沖擊變化的影響。

4、直流保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)充分考慮某些特殊的故障形式下的保護(hù)，如接觸網(wǎng)與架空接地線(xiàn)的短路、接觸網(wǎng)與隧道內(nèi)電纜支架的短路故障等。

四、直流牽引系統(tǒng)保護(hù)配置原則

對(duì)不同的地鐵牽引供電系統(tǒng)，直流牽引系統(tǒng)的保護(hù)配置可能不相同，但保護(hù)的作用相同。只要能滿(mǎn)足保護(hù)要求，保證系統(tǒng)安全可靠地供電，系統(tǒng)應(yīng)盡量少配置一些保護(hù)，因保護(hù)裝置配置得太多，一方面增大了系統(tǒng)投資，另一方面會(huì)增加保護(hù)配合的難度。

對(duì)以第三接觸軌供電方式的地鐵供電系統(tǒng)，由于供電電壓為直流750V，因供電距離短但回路電阻相對(duì)較大，短路電流相對(duì)較小，有時(shí)會(huì)存在短路電流很難與列車(chē)牽引負(fù)荷電流區(qū)分開(kāi)的情況。由于早期直流保護(hù)系統(tǒng)缺少性能優(yōu)越的保護(hù)裝置，一般僅設(shè)電流速斷和過(guò)電流保護(hù)裝置來(lái)切斷故障，保護(hù)的效果往往不太理想。為了解決以上問(wèn)題，一種方法是增加直流雙邊聯(lián)跳保護(hù)。因直流牽引系統(tǒng)正常情況下采用雙邊供電，當(dāng)雙邊供電線(xiàn)路上出現(xiàn)短路故障時(shí)，往往相對(duì)于某一側(cè)的牽引變電所為近端故障，短路電流較大，容易使電流保護(hù)動(dòng)作，而對(duì)另一側(cè)為遠(yuǎn)端故障，其短路電流往往不能引起直流斷路器跳閘。若采用直流雙邊聯(lián)跳保護(hù)，則另一側(cè)的直流斷路器也會(huì)立即跳閘。另一種方法是采用直流雙邊聯(lián)跳保護(hù)與低電壓保護(hù)相配合，因?yàn)榘l(fā)生短路情況，總會(huì)引起直流電壓下降。這樣當(dāng)電流大而過(guò)電流保護(hù)不能動(dòng)作時(shí)，低電壓保護(hù)可做為上述保護(hù)的后備保護(hù)。

對(duì)采用架空接觸網(wǎng)的牽引供電系統(tǒng)，供電電壓為直流1500V。在牽引變電所近端發(fā)生故障時(shí)，短路電流大，電流速斷和過(guò)電流保護(hù)裝置可切斷故障。但當(dāng)故障發(fā)生在中、遠(yuǎn)端時(shí)，由于線(xiàn)路阻抗變大，短路電流相對(duì)變小，電流速斷和過(guò)電流保護(hù)可能不會(huì)動(dòng)作，目前一般采用能反應(yīng)故障電流上升率di/dt和電流增量的保護(hù)裝置來(lái)使斷路器跳閘。所以，若在直流牽引供電系統(tǒng)中，配備大電流脫扣保護(hù)、電流上升率di/dt和電流增量保護(hù)、直流雙邊聯(lián)跳保護(hù)和低電壓保護(hù)，無(wú)論怎樣的牽引供電方式，直流系統(tǒng)保護(hù)均能保證安全、可靠供電的要求。

因此，地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中的保護(hù)配置應(yīng)結(jié)合供電系統(tǒng)的實(shí)際情況、直流快速斷路器的性能及直流保護(hù)裝置的功能，針對(duì)性地加以選擇。

五、地鐵直流供電系統(tǒng)的保護(hù)方法

1、大電流脫扣保護(hù)。大電流脫扣保護(hù)是一種基于電流大小的保護(hù)，屬于斷路器本體自帶的機(jī)械保護(hù)，作用于切斷例如金屬性短路的短路電流。當(dāng)金屬性短路故障發(fā)生時(shí)，尤其是近端金屬性短路故障發(fā)生時(shí)，接觸網(wǎng)/接觸軌將被短路電流造成巨大的損壞，故此類(lèi)短路電流出現(xiàn)必須立即切斷，并且必須在其到達(dá)電流峰值前進(jìn)行切斷。所以，該保護(hù)一般作為近端金屬性短路的主保護(hù)，對(duì)金屬性短路故障中的近端短路尤為靈敏和有效。

當(dāng)檢測(cè)到電流瞬時(shí)超過(guò)大電流脫扣保護(hù)整流電流值時(shí)，其大電流脫扣裝置即動(dòng)作使開(kāi)關(guān)切斷分閘。大電流脫扣保護(hù)裝置的固有動(dòng)作時(shí)間僅10毫秒以下，故大電流脫扣保護(hù)非常迅速、靈敏。對(duì)近端金屬性短路，電流上升往往較快，而大電流保護(hù)先于電流上升率及電流增量保護(hù)動(dòng)作，故該保護(hù)在金屬性短路故障中靈敏度最高。

2、電流上升率di/dt和電流增量保護(hù)。電流上升率di/d t和電流增量保護(hù)，為接觸網(wǎng)中、遠(yuǎn)端保護(hù)，該保護(hù)應(yīng)確定E值（起動(dòng)值），F(xiàn)值（返回值），值（電流上升率di/dt保護(hù)的延遲時(shí)間），電流增量定值及電流增量保護(hù)的延遲時(shí)間t。

電流上升率di/dt的設(shè)定，一般應(yīng)大于機(jī)車(chē)電流的變化率和小于最小短路電流的變化率。由于機(jī)車(chē)電流的最大變化率遠(yuǎn)小于最小短路電流的變化率，因此設(shè)定值選取范圍較大，為了避免機(jī)車(chē)啟動(dòng)時(shí)引起該保護(hù)的誤動(dòng)作，E值的選取為t等于零時(shí)di/dt的值，而F值選為機(jī)車(chē)啟動(dòng)電流的變化率。

保護(hù)應(yīng)在大電流脫扣跳閘裝置后動(dòng)作，一般情況，為了避免誤動(dòng)作，的設(shè)定，應(yīng)盡可能高，但由于設(shè)置太高，不能保護(hù)遠(yuǎn)端，所以保護(hù)的設(shè)定還要根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況來(lái)選用合適的值。

（電流上升率di/dt保護(hù)的延遲時(shí)間）的設(shè)定和電流增量保護(hù)的延遲時(shí)間t的設(shè)定，由于機(jī)車(chē)內(nèi)有濾波器，帶有電感和電容，當(dāng)機(jī)車(chē)受電弓過(guò)接觸網(wǎng)分段絕緣器時(shí)，濾波器有一個(gè)充電過(guò)程，這時(shí)有可能啟動(dòng)di/dt和保護(hù)。所以di/dt和保護(hù)動(dòng)作延遲時(shí)間應(yīng)大于由于機(jī)車(chē)內(nèi)有濾波器而引起諧振的誤動(dòng)時(shí)間。由于在諧振周期內(nèi)半個(gè)周期時(shí)諧振波將過(guò)零點(diǎn)，使得di/dt在過(guò)零點(diǎn)時(shí)因小于F值而返回。所以，只要保證和t大于半個(gè)機(jī)車(chē)諧振周期即可避免di/dt和保護(hù)不受機(jī)車(chē)諧振的影響。另外，在設(shè)定時(shí)間時(shí)還需考慮一個(gè)誤差值。

3、定時(shí)限過(guò)流保護(hù)。若直流饋線(xiàn)大電流脫扣保護(hù)、di/dt和保護(hù)不能動(dòng)作時(shí)，則可依靠過(guò)電流保護(hù)做為上述兩種保護(hù)的后備保護(hù)。為了擴(kuò)大保護(hù)的范圍，過(guò)電流保護(hù)的設(shè)定值應(yīng)盡量小，時(shí)間應(yīng)盡量長(zhǎng)，并應(yīng)大于上述兩種保護(hù)的延遲動(dòng)作時(shí)間，還需考慮接觸網(wǎng)過(guò)負(fù)荷特性。一般，電流設(shè)定應(yīng)按照饋線(xiàn)最大負(fù)荷計(jì)算，延遲時(shí)間應(yīng)根據(jù)機(jī)車(chē)啟動(dòng)時(shí)電流峰值時(shí)間和接觸網(wǎng)電流與時(shí)間曲線(xiàn)來(lái)確定。

4、低電壓保護(hù)。低電壓保護(hù)作為饋線(xiàn)的后備保護(hù)，其保護(hù)設(shè)定應(yīng)低于機(jī)車(chē)受電回路低電壓保護(hù)裝置的設(shè)定。動(dòng)作時(shí)間應(yīng)考慮機(jī)車(chē)啟動(dòng)時(shí)電壓下降時(shí)間、直流饋線(xiàn)斷路器主保護(hù)跳閘時(shí)間，以免斷路器誤動(dòng)作。

5、逆流保護(hù)。一旦直流進(jìn)線(xiàn)整流器回路出口短路，短路電流很大，則逆流保護(hù)應(yīng)瞬時(shí)動(dòng)作，因正常運(yùn)行時(shí)逆流很小，因此可按小于斷路器額定電流的50%來(lái)設(shè)定。

六、結(jié)語(yǔ)

隨著地鐵系統(tǒng)的快速發(fā)展，直流牽引供電系統(tǒng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，地鐵牽引供電系統(tǒng)普遍采用直流系統(tǒng)，為了保證列車(chē)正常運(yùn)行和在故障情況下保障設(shè)備及人身安全，需對(duì)直流供電系統(tǒng)配置詳備的保護(hù)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]董斌.地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中的di/dt和保護(hù)[J].機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2015（03）.

[2]丁復(fù)華.地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的電氣保護(hù)與定值[J].都市快軌交通，2015（09）.