地鐵DC1500 V牽引供電系統(tǒng)繼電保護方案分析

許銳坤

（廣州地鐵集團有限公司運營事業(yè)總部OCC控制中心，廣東 廣州 510000）

1.地鐵供電系統(tǒng)特點

與其他供電系統(tǒng)不同，地鐵供電系統(tǒng)有獨特的特點需要獨立設計。目前，地鐵供電系統(tǒng)變電站以集中供電為主，建立主變電所和車站變電所，一般情況下，主變電所和車站變電所之間的距離在4 km以內，如果主變電所和車險變電所之間的距離大于4 km，一般會在中間設置區(qū)間變電所。但實際上，地鐵的變電所之間距離很短，因此一般的電路保護方案并不適用于地鐵供電系統(tǒng)，所以，地鐵的供電系統(tǒng)都是獨特的。另外，地鐵的供電系統(tǒng)好壞將會直接影響地鐵的正常運行，因此，當變電所的一條供電線路損壞時，要確保同一變電所的另一條供電線路能夠正常運行，滿足地鐵的負荷要求。供電系統(tǒng)在發(fā)生故障時，繼電保護配置要保證在切斷故障部位時影響范圍較小，在安全的前提下保證地鐵的正常運行，因此，對于地鐵供電系統(tǒng)的繼電保護配置方案應當不斷優(yōu)化。

圖1 地鐵動力供電系統(tǒng)示意圖

2.地鐵直流保護系統(tǒng)的設計重點

地鐵直流繼電保護系統(tǒng)設計內容與其他繼電保護系統(tǒng)不同，要符合地鐵運行的特點，要保證地鐵在運行過程中的安全。地鐵直流保護系統(tǒng)中設計的重點內容在于直流電在運送的過程中保護系統(tǒng)能夠對故障進行識別與處理，但是并不影響地鐵的正常運行與供電，首先地鐵直流保護系統(tǒng)要能夠對一些特殊形式下的保護進行分析，比如屏蔽門與接觸短路故障、架空接地線與接觸網短路、隧道電纜支架與接觸網短路等等，這些重點位置的保護在保護系統(tǒng)中的設計需要重點關注，采取特殊的措施及手段進行線路保護。其次，地鐵在正常運行時可能會出現(xiàn)誤跳閘的情況，且發(fā)生的概率較大，直流保護系統(tǒng)要能夠對地鐵經常出現(xiàn)的誤跳閘情況進行有效的防治，避免其影響直流電流正常的輸送功能和地鐵的正常供電。最后，對保護系統(tǒng)各個保護功能進行優(yōu)化升級，以便在電路輸送過程中發(fā)生故障時能夠第一時間切除故障，提高故障處理的效率。

3.主要保護的原理

在地鐵直流1500V牽引供電系統(tǒng)中發(fā)生故障是常見的，主要故障類型有短路故障、過負荷故障、過壓故障等等，其中經常發(fā)生的應當是短路故障，地鐵直流系統(tǒng)中短路故障主要有兩種類型，一種是正極對負極短路，另一種則是正極對大地短路，直流系統(tǒng)中設計的保護系統(tǒng)應當有針對短路故障專門設置的處理方法。直流保護系統(tǒng)中所設置的保護工作多半是為了切斷第一種故障，而對第二種故障則是采取框架保護的形式。

大電流脫扣保護:大電流脫扣保護是直流保護系統(tǒng)中主要保護的一部分，一般是切除金屬性近端短路故障，這種保護形式是直流電保護系統(tǒng)中設置的固有保護形式，沒有延時性，這種保護性質通保護系統(tǒng)中斷路器內設置的脫扣器來實現(xiàn)。當通過斷路器的電流超過整定值時，脫扣器能夠實現(xiàn)自動跳閘。在這一保護過程中，電流整定值是通過計算與分析得來的，當面臨大電流時可以保證自動跳閘，切斷電路，避免大電流對整個電路產生影響。

電流上升率保護:當中、遠端電路通過小電流發(fā)生故障時，就會啟動電流上升率保護，直流系統(tǒng)中設置的保護功能能夠自主區(qū)分是地鐵正常運行時產生的短路故障，還是中遠端電流發(fā)生了短路故障。大電流脫扣保護只能保護地鐵在正常運行時發(fā)生的短路故障，而對于中遠段地區(qū)的短路故障可以利用電流上升率保護措施。電流上升率是定值，當超過這一定值時保護系統(tǒng)就會自動跳閘。當通過的電流超過電流上升率固定值時，其系統(tǒng)保護功能能夠快速有效地做出跳閘反應措施，避免產生過大的風險故障。

定時限過流保護:在一定時間內通過電流的數(shù)值是在一定范圍之內的，如果超過這個范圍，那么就會有發(fā)生短路的可能，影響到整個地鐵列車的行進安全。因此，要保證一定時間內通過電流的數(shù)量，即定時限過流保護，一般情況下，保護的電流整定值較小，當通過的電流第一次超過定值時，保護系統(tǒng)會自動啟動保護程序，當通過的電流一直在超過定值時，可以認為是短路電流，會觸動跳閘。如果中間某一時刻通過的電流沒有超過定值，那么保護系統(tǒng)會自動返回，等待下次重啟。

低電壓保護:低電壓保護欲定時限過流保護作用一樣，是電流上升率保護的后備保護，與定時限過流保護不同的是，低電壓保護一般情況下要與其他保護形式共同作用，相互配合，單獨作用下并不會讓總電站發(fā)生跳閘。這種保護模式下也有整定值，而它的整定值必須與列車正常運行時的運行情況相互配合。當?shù)碗妷罕Ｗo系統(tǒng)啟動時，應考慮最大負載下列車的啟動電流和啟動時間，同時還要考慮在一個變站內多輛列車同時運行連續(xù)啟動的情況。

雙邊聯(lián)跳保護:在某些列車供電系統(tǒng)中，是兩個變電站對其共同供電，采用的是雙邊供電的接觸網，這種情況在實際生活中很常見，也是常見的一種保護模式，當其中一個變電站的供電線路發(fā)生故障時是會發(fā)生聯(lián)跳反應，引起另一個變電站直流電路器發(fā)生跳閘。這種雙邊聯(lián)跳的保護模式可以盡量保證是兩個變電站的地鐵列車在發(fā)生故障時不會影響到另一個變電站的正常工作，在事故發(fā)生時可以保證接觸網短路電流的保護。

框架保護:在上文中提到，短路發(fā)生時，正極對大地短路是常見的容易引起短路的位置。而框架保護就是針對正極對大地或者是接觸網對架空地線短路時。在正常沒有短路的情況下，負極與地的絕緣良好，不會有電流產生，當發(fā)生短路時會產生電流，如果使用電流檢測元件是可以檢測到電流的，那么就要啟動框架保護。因此，電流檢測元件是框架保護的主保護，電壓檢測元件是作為后備保護的。框架保護的好處是能夠迅速跳開同一個變電站的所有直流開關，以及鄰所其他直流開關，而且需要人工復位后才會繼續(xù)運行。

圖2 接觸網對架空地線短路

接觸網熱過負荷保護:接觸網熱過負荷保護，其實是消除熱過負荷故障，而不是短路故障。其主要的工作原理是通過測量接觸網的電阻，計算電流值，從而計算出接觸網的發(fā)熱量，通過接觸網的熱負荷特性以及當時的環(huán)境可以計算出電纜的溫度，當電纜溫度超過一定值時就會跳閘，使直流開關處于閉合狀態(tài)。而當溫度逐漸冷卻時，直流開關又會自動打開，呈現(xiàn)一個控制電纜溫度的自動調節(jié)系統(tǒng)。

4.存在的問題

關于多輛列車短時間內相繼啟動:地鐵內不可能只有一輛列車運行，當一輛列車運行時直流電路可能不會發(fā)生故障，同一時間內如果另一輛列車運行那么可能會導致直流電路短路，這種可能性是存在的，雖然在實際中還沒有發(fā)生過，并不代表它不存在。因此，在今后的直流電路保護中應當考慮多輛列車短時間內相繼啟動時的電流，避免發(fā)生短路故障。

關于小電流短路故障:小電流短路故障是地鐵供電系統(tǒng)中可能會發(fā)生的問題，而小電流故障是因為故障點距離牽引所很遠。當短路點靠近其中一個牽引所時，近端短路往往很容易檢測到短路故障。而當短路點位于兩個牽引所中間位置時，小電流短路故障可能不會被檢測到。另外，短路點的電弧過大也會引起發(fā)生故障，對于電弧過大造成的電流短路故障，可能需要針對電弧的特性進行研究，給電弧的電流建立一個模型，避免發(fā)生小電流短路故障。

關于框架保護的選擇性:框架保護一般適用于小電流發(fā)生短路故障時，而對于電流過大引起短路故障時，小電流短路故障無法像大電流短路故障一樣容易被發(fā)現(xiàn)，一直以來都是困擾地鐵供電保護系統(tǒng)的一個難題，尋找準確的定位點才可以針對短路故障進行研究與探索，解決發(fā)生短路故障的問題。

5.結語

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)是地鐵眾多系統(tǒng)中的一種，與普通變電所不同，地鐵變電所具有獨特的特點，同時，由于每個城市在建立地鐵運行系統(tǒng)時所處的環(huán)境和地理位置不同，因此，地鐵直流牽引供電系統(tǒng)在設計時應當它的特點采取獨特設計。地鐵直流供電保護系統(tǒng)在設計時重點內容應當在于發(fā)生短路故障時應當如何處理，針對不同的短路故障發(fā)生原因其保護處理過程又是不同的。本文在介紹了多種引起短路故障的可能性，同時又針對發(fā)生短路故障的原因設計直流保護系統(tǒng)，在發(fā)生故障時能夠自動解決。本文列舉了七種保護方案，在面對不同原因短路故障時系統(tǒng)是如何進行保護處理的。最后，又提出了當前地鐵直流供電保護系統(tǒng)中可能存在的問題，這些問題還有待解決的空間。研究地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的保護，能進一步保證地鐵的正常運行，地鐵作為一種城市交通工具，也因為是在地下運行，因此而得名，地鐵在運行中如果發(fā)生故障，其后果是不堪設想的，而直流保護系統(tǒng)的研究可以進一步提高地鐵運行的安全性，讓地鐵成為一個安全，值得人們信任的交通工具，同時也能促進我國直流供電保護系統(tǒng)的研究水準。