淺探地鐵直流牽引供電系統饋線的保護技術

李海翔

（福州地鐵集團有限公司，福建 福州350000）

饋線作為地鐵供電系統中充當信息傳輸功能線路，若直流牽引供電系統出現故障問題，極易影響地鐵供電均衡性，致使地鐵無法保持穩定的行進秩序。據此，應結合地鐵交通工具行車特征與系統運行規律，制定科學的饋線保護方案，善于運用多元化饋線保護技術，維持供電系統運行安全，實現地鐵領域長遠發展。

1 地鐵直流牽引供電系統的特點與配置原則

1.1 特點

地鐵直流牽引供電系統包含架空接觸網以及牽引變電站等結構，具體細節如圖1 所示，因其連通地鐵，且具備獨立性，不容易受到外界干擾而引發地鐵營運故障，故而在地鐵行駛期間發揮著重要作用。而針對供電系統饋線實施有效保護，能夠適當降低誤動率。同時，饋線保護還具有高變化率特征，即地鐵在其行進過程中，最高電流變化率將呈現穩定趨勢，而在饋線延長階段，故障電流變化率與電流變化率極限值比較略低。因此，饋線保護有利于維持供電系統平穩。

圖1 地鐵直流牽引供電系統結構示意圖

1.2 原則

在地鐵直流牽引供電系統內部配置饋線保護裝置或應用饋線保護技術時，需秉承以下原則：第一，簡潔化，一般而言供電系統易發生短路故障、過流過壓故障、超負荷故障等。一旦發生故障，將導致地鐵出現故障障礙，以此影響正常運營秩序。而在短路故障中，要求饋線保護技術的實施能夠高效的處理故障問題，促使供電系統及時恢復供電性能。故而要求饋線保護裝置的配置更加簡潔，避免加大地鐵系統維修方成本，又或是加大難度；第二，均衡性，饋線保護技術的應用具體是為了實現供電系統傳輸信號的順暢性。因此，在為饋線保護中，還應當充分結合供電系統的運行規律，為其選擇適宜的饋線保護方法，在均衡配合的條件下，保證供電系統故障問題能夠得到妥善解決?；诖?，饋線保護應從上述兩個方向，實現供電系統的安全穩定運行，使其持續獲得電能，以免因系統故障，干擾正常的地鐵調度。同時，還應結合故障類型給出對應的預警，提升系統運行可靠性[1]。

2 地鐵直流牽引供電系統饋線保護技術要點

2.1 大電流脫扣保護技術

地鐵直流牽引供電系統中應用饋線保護技術時，其中大電流脫扣保護指的是在系統中形成短路故障時，立即借助斷路器中的脫扣器，實現饋線中斷，以此保證斷路器在跳閘狀態下，免受危害。事實上，之所以要在供電系統中應用饋線保護技術，主要是為了妥善應對短路故障、超負荷以及過壓故障等。因其發生故障后，會對供電系統帶來破壞，致使地鐵無法獲取持續穩定的供電電能，由此影響正常的運行秩序。例如短路故障中，在正負極短路或者正極與大地短路故障中，會形成超高電流，出現供電不穩定狀況[3]。一般在大電流脫扣保護技術中需要搭配脫扣器裝置，實現電流值的合理控制，一旦超出額定值，脫扣器將進入啟動環節，并在其操作下促使斷路器發生跳閘。至于額定值的確定往往需要結合短路試驗以及相關計算得出具體值，且一般在地鐵常規啟動電流與短路電流極限值之間。假設地鐵供電系統中的變壓器容量為1000kVA，短路試驗中的短路電壓6%，其線路長度為100m。此時針對短路故障進行分析時，應根據其電流值判定斷路器脫扣器中需要達到的電流限定標準，即漏極電流與出線開關電流比值，并且參照下列關系式知曉脫扣保護原理：

其中Idz、k、Idmin分別代表的是最大脫扣保護動作電流、可靠性系數、短路最小保護電流。計算后可確定供電系統線路中在其瞬時電流超過可允許通過電流時，會立即啟動脫扣器，由此達到饋線保護目的。

2.2 過流保護技術

過流保護也是為了有效實現短路故障下傳輸線的合理化保護，避免出現超高電流，致使系統出現運行故障或引發更嚴重的問題。其中過流保護技術具體是采用延時保護與無延時保護兩種方式，實施饋線保護。其中與上述提到的脫扣保護技術具有一定的相似性，也是在電流高于額定值后，饋線開關將顯示啟動狀態。而無延時保護實踐中無需設定延時動作，且在電流超過安全范圍后，立即給出反饋，且保護定值略大。在演示過流保護技術操作中，常需要滿足下列不等式：

i＞Idtm

其中Idtm指的是允許通過最大電流值，i 為電路通行電流。

在系統中形成的電力數值在某個時間段內高于最大允許范圍，則啟動繼電保護裝置，此時斷路器也會出現跳閘，以此消除短路故障。此外，在過流保護技術中還可搭配信息化饋線保護裝置，在保護模塊控制芯片以及電源監控部件的輔助下，促使供電系統饋線保護展現出真正價值，且效率更高，此種信息化保護手段的操作流程，如圖2 所示。通過對系統中的電流值進行采集，之后判定系統流經電流是否超過安全范圍，此時可憑借判定結果決定是否啟動饋線保護功能，這樣才能更加全面的實現供電系統饋線的高效保護，其技術水平更高。

圖2 饋線保護裝置設計流程圖

2.3 電流增量保護技術

電流增量保護技術是采用電流上升率設定的方式，促使供電系統運行期間，結合電流上升率的具體變化情況確定是否響應饋線保護工作，一般對于短路故障較為適用。而在此項饋線保護技術中應當參照下列關系式判定是否啟動保護動作：

I 為電流，T 為時間，t 為電流上升率保護啟動時刻。

隨著電流增量的調整，確定此時是否需要開啟饋線保護裝置。

此外，此種保護技術與電流上升率保護基本相同。其中在電流上升率饋線保護技術中，饋線保護裝置啟動的唯一條件即為電流變化率超過定值，并且根據地鐵運行時間的延長，電流上升率隨著自身降低，而逐漸恢復原有狀態，此時也將自動返回饋線保護功能。因此，在饋線保護中的靈活性更加突出，但應控制好引發故障的時間節點指標，避免發生安全事故。

2.4 定時限過流保護技術

在地鐵供電系統運行期間，饋線保護還可運用定時限過流保護，實現故障遠程切除，避免因饋線保護響應周期較長，引起不必要的麻煩。其中定時限過流保護是結合饋線最大負荷設定電流整定值。隨著動作延時的持續，地鐵可在其啟動或制動期間不引起饋線保護動作，這樣才能相應減少誤操作現象。例如某地區的電流整定值設計在3kA，且具有長達30s 的延時。在供電系統運行中，若電流超過整定值的時間達到了30s，此時將啟動饋線保護動作。若未達到30s 延時標準，則視為未發生短路故障，也不會引起斷路器跳閘。因此，定時限過流保護在地鐵直流牽引供電系統饋線保護中，其適用范圍廣泛，利用延時達到精準化饋線保護目的，防止頻繁誤動，破壞系統穩定性。

2.5 框架泄漏保護技術

在地鐵供電系統中所發生的框架故障主要體現在開關設備柜處，在其出現過流現象時，會隨著電流驟增，導致開關設備規出現損壞風險。因此，針對框架泄露進行饋線保護時，則從專門針對此處短路故障，提供必要的饋線保護，以此保證開關設備柜狀態良好。首先，需要加強電力設備狀態監測，判斷是否出現電流變化，一旦超出事先設定好的電流標準范圍，則啟動保護動作，用于對電力設備連接導線實施可靠的保護。若在其運行過程中，供電系統未在監測環節出現過流現象，而設備開關柜出現異常，此時應當將產生的電流導入地下，即連接接地網，由此產生輔助效果，加快饋線保護啟動速度，直到斷路器跳閘，才能真正達到饋線保護目的，也能防止后續損壞加重。

2.6 低電壓保護技術

地鐵供電系統中除了因電流引發的短路故障外，還包含電壓故障。據此，應在系統饋線保護中應用低電壓保護技術。其中滿足饋線保護動作啟動條件為：可允許最低電壓產生時間高于系統中斷時間，在其出現故障時，若持續時長低于最低電壓工作周期，將進入低電壓保護環節，確保故障出現以后，能夠借此對其它饋線進行有效保護。

在U＜Umin時，U 為系統輸出電壓，Umin為最小電壓。供電系統饋線保護環節將呈現出延時趨勢，且始終將輸出電壓控制在最小電壓范圍內，并給出啟動饋線保護動作的信號，用于保證供電系統傳輸信號通暢。基于此，地鐵要想在行進階段保持穩定狀態，應針對供電系統實施饋線保護，根據不同故障進行有效處理，便于優化地鐵供電系統性能。

3 結論

綜上所述，地鐵直流牽引供電系統中，若能應用饋線保護技術，可有利于強化地鐵運營效果，維持系統穩定性。據此，應從大電流脫扣保護、過流保護、電流增量保護、定時限過流保護、框架泄漏保護、低電壓保護等技術手段，促使供電系統在饋線保護技術輔助下，保持良好的運行狀態，繼而保障地鐵平穩行進。