地鐵直流牽引供電系統饋線保護技術研究

蘭州市軌道交通有限公司運營分公司 張 鑫

1 地鐵直流牽引供電系統特點與保護要求

1.1 特點

地鐵直流牽引供電系統主要包括牽引變電站、架空接觸網。由于該供電系統直接與地鐵相連接，同時具有一定的獨立性，因而受到外界干擾因素的影響較小，引發地鐵運營事故的可能性也隨之降低。在實際的地鐵運行中具有重要的作用。加強對供電系統中的饋線保護，有助于降低誤動率。加之饋線保護的高變化率，使得地鐵在運行中能保證最高電流的穩定性。地鐵直流牽引供電系統內部進行配置相應的饋線保護裝置過程中，需要遵循以下原則：

保證裝置的簡潔性。供電系統由于長時間運行容易發生短路、過流過壓以及超負荷問題，當故障發生后容易造成地鐵無法正常運轉而引發一系列的問題。對于短路故障來說，應保證饋線保護技術在應用過程中能對故障問題進行科學、合理的解決，從而確保供電系統能在最短時間內恢復正常供電，保證地鐵正常運行。因此需饋線保護裝置更加簡潔、方便，進一步降低地鐵系統的維修和保養成本。

保證系統裝置的均衡性。饋線保護裝置的主要應用目的在于保持供電系統信號傳輸的流暢。在進行饋線保護時，需與供電系統的運行規律相結合，從而確保饋線保護裝置使用更準確，在保證均衡性的同時有效解決供電系統故障問題。使得供電系統能穩定持久地獲得所需電能，降低故障發生的概率，影響地鐵的正常調度。能對故障類型進行有效判定進而實現提前預警，有效提升系統運行的有效性和可靠性。

1.2 要求

1.2.1 設計要求

供電系統在地鐵的實際運行中需要重視對電流和電壓的科學保護。在實際操作時，地鐵直流牽引供電控制系統應主要依據整體功能和系統的實際運行方式和狀態實現對直流斷路器的科學劃分，通常情況下，直流斷路器的劃分方式可分為整流器回路斷路器、饋線回路斷路器兩種。其中，直流饋線回路斷流器可對牽引供電系統進行科學控制，而整流器回路斷流器則能進行系統的有效保護。在實際的供電系統設計過程中，需從以下方面入手：

如地鐵在實際運行中發生跳閘等問題時，此時的接觸網電流和電壓則較大，影響地鐵的正常運行。所以在進行地鐵牽引直流供電系統設計時，應將重點放在系統跳閘問題上；實現各類保護裝置間的配合，防止直流系統出現短路問題；做好系統特殊故障的保護工作，在供電系統運行中不僅容易發生常規性的系統故障問題，還容易產生特殊故障問題。例如，屏蔽門和接觸網也容易發生短路，所以在進行地鐵牽引直流供電系統設計過程中，應做好特殊故障的保護工作[1]。

1.2.2 保護要求

地鐵的運行效率受到直流牽引供電系統設備、地鐵運行方式及繼電保護裝置的影響，通常地鐵直流牽引系統的饋線保護分為電流類保護、電壓類保護、框架類保護等。需注意的是，地鐵直流牽引系統饋線保護方式種類較多，通常情況下能通用，當前使用最廣泛的保護方式為電流類保護。由于地鐵直流牽引供電系統在實際運行中發生最多的故障為短路問題。當地鐵直流牽引供電系統發生短路問題時，容易導致電流迅速增大，電壓隨之降低，造成整個供電系統的混亂。因此在對地鐵直流牽引供電體系進行保護時，首先應最大程度降低牽引供電系統發生故障的可能性，進一步提升系統的靈敏性和可靠性，其次采取有效的保護措施，使其能有效滿足不同的供電方案。最后，采用智能化的電流故障識別裝置，有效保護供電系統。

2 地鐵直流牽引供電系統控制功能及原理

2.1 分合閘操作

在供電控制系統中，保護裝置的分合閘可分為兩種，即電保持型斷路器、磁保持型斷路器。上述兩種分合閘能實現合閘線圈通電時間的有效控制工作。其中電保持型斷路器能保持合閘線圈的長期性通電，在輸出1s 脈沖后，合閘線圈會隨之得到一定的電流。在此過程中，利用逐步降低電流得到保持電流的方式確保斷路器準確停留在合閘位置上。而磁保持型斷路器則為短時期的通電，在輸出1s 脈沖后，此時的合閘線圈同樣會得到一定的電流，促使斷路器能立即發生合閘，此時線圈失去電流。需要注意的是，自動合閘不得進行故障試合閘，避免因分合閘此時增加而導致斷路器的過度損耗[2]。

2.2 聯跳

聯跳功能主要是指利用聯跳電纜和兩側的變電所直流開關中的繼電器實現相互動作保護。當聯跳發送相應的回路信號后，通過聯跳繼電器和相鄰變電所的電纜將其發送給相鄰的變電所的饋線柜中，當相鄰變電所的饋線接收柜接收到信號后，通過繼電器實現聯跳信號的接收，再進行各類聯跳動作的保護和控制。當相鄰變電所的饋線柜在同一時間內進行饋線區供電時，當發生饋線短路和過流時，兩個變電所的饋線柜需要及時進行雙邊聯跳，當其中任意一個變電所發生框架故障時，變電所中的饋線需要聯動跳閘。

如跳閘是因框架保護動作時相應的保護裝置能進行自動識別，不僅能有效控制跳閘饋線斷路器，還能進行聯跳的同時及時斷開相鄰變電所的斷路器。該功能作為保護裝置中的保護動作，此時需進行外接線的加入。但需要注意的是，如饋線斷路器由于變電所出現啟動時，保護裝置能及時的顯示聯跳信息。

2.3 線路測試系統

線路測試是常用的測試系統，因而存在不同的饋線柜中，因此合閘動作前需對線路段進行測試，避免斷路器和近端短路故障進行聯通。通常情況下，如實際操作過程中的電阻值比額定值低時無法進行合閘。通常情況下，線路測試的次數和測試時間間隔都可依據實際情況進行合理的調整。

3 地鐵直流牽引供電系統饋線保護技術要點分析

3.1 大電流脫扣保護技術

在地鐵直流牽引供電系統中危害最大、發生頻率最高的短路電流故障對供電控制系統影響也最大。所以，在實際的饋線保護過程中應提高對短路故障的重視程度，大電流脫扣保護技術的有效應用可充分解決短路故障，同時由于大電流脫扣保護直接存在直流饋線回路斷路器中，所以當供電系統發生短路時，能立即跳閘，對饋線進行有效保護。其中對大電流脫扣保護裝置來說，其基本公式為Idz＞kIdmin，在該公式中，k代表可靠性系數，Idz則代表最大脫扣保護電流，而Idmin則代表短路時產生的最小保護電流。從上述公式中可得出，當直流斷路器檢測到的電流比定值電流大時會及時進行脫扣和跳閘，因而有效的應用大電流脫扣技術，能科學地解決控制系統中的近端短路故障問題。

3.2 過流保護技術

之所以采用過流保護技術，原因在于能在短路故障發生后對傳輸線進行有效保護，防止超高電流現象的發生，導致系統發生運行問題。在過流保護技術中主要有延時和無延時兩種，從而對饋線實現有效地保護。與大電流脫扣保護技術相比，過流保護技術也是當電流超過一定范圍后饋線開關顯示斷開狀態。其中，無延時保護在未設定延時動作、電流超過一定范圍時，能迅速做出反饋，此時的保護定值略高于額定數值。

在實際的過流保護技術中需符合下列不等式要求：i＞Idtm，其中，Idtm代表可通過的最大電流值，i 則代表電路所能通過的電流值。在地鐵直流牽引供電保護系統中，電流值往往在某一個時間范圍內高于最大可通過數值，此時將啟動相應的繼電保護裝置，斷路器則迅速跳閘，解決短路故障問題。此外，過流保護技術能與信息化饋線保護裝置相結合，通過利用保護模塊的控制芯片、電源監控部件使得饋線保護實現積極的價值，同時該種保護技術的效率也更高。在進行系統電流值的有效采集后，對流經該系統的電流進行合理判斷，確保其滿足一定的安全范圍，依據判定結果進行饋線保護功能的啟動，實現供電系統的饋線全面保護。

3.3 電流增量保護技術

在地鐵直流牽引供電保護系統中，電流增量保護技術的應用原理在于有效提升電流的上升率，使得供電系統能在實際的運行過程中與電流上升率進行有機融合，對饋線保護工作進行合理、科學判定，電流增量保護技術主要應用于短路故障中。電流增量保護技術需要依據di/dt＞Fdi/dt，△i=i-i1＞△Imax且t＞T 以及t＞T 且△i=i-i1＞△Imin三個公式判定保護動作的開啟。其中，I 代表電流，T代表時間，t 代表電流上升率的保護啟動時間。當電流不斷調整時，進行饋線保護裝置的開啟。

此外，電流增量保護技術和電流上升率的保護技術原理相似，當電流上升率饋線保護裝置啟動時，此時電流變化率高于定值，地鐵運行時間也隨之延長，電流上升率逐漸降低后恢復為正常狀態，返回饋線保護功能中。所以，電流增量保護技術也更加靈活、方便，但在應用該技術的過程中需對故障時間節點進行有效控制，防止安全事故的發生。

3.4 定時限過流保護技術

供電系統在實際的運行中，饋線保護能有效地應用于定時限過流保護技術，從而遠程解決故障問題，防止由于饋線保護相應時間較長而產生更嚴重的問題。在定時限過流保護中，能有效地與饋線最大負荷設定電流有機結合，當動作持續發生延時地鐵可通過啟動降低操作失誤的頻率。如，某市的地鐵電流的定值設為3kA，同時伴隨25s 的延時。在實際的供電系統中，當故障電流持續時間高于定值時間25s 時，饋線將立即啟動保護動作，如電流未到達25s 的延時時間，則認定未發生故障、不引發跳閘。可得出：定時限過流保護技術的應用范圍較廣，能精確地利用延時對饋線進行精準化的保護，避免頻繁誤動，影響系統的穩定性。

3.5 框架泄漏保護技術

地鐵直流牽引供電系統中的框架故障主要發生在開關設備柜中，當發生短路問題時，電流在上升的過程中發生開關的損壞。所以在進行框架泄漏饋線保護過程中，需采取針對性地解決措施，采取有效的饋線保護技術，提升開關設備柜的應用效率。在此過程中應不斷加強電力設備的監測能力，從而做出科學判斷，避免電流發生變化，通過該監測后發現電流超過額定電流范圍時能迅速啟動保護動作，實現電力設備的有效保護。當設備運行中供電系統未發生短路問題，但設備開關柜卻發生異常帶電現象時，需及時將電流導入地下進行地網的連接，確保饋線保護能得到迅速地啟動，當斷路器發生跳閘時，實現饋線的保護，有效避免后續的損失[3]。

3.6 低電壓保護技術

電壓故障也是地鐵直流牽引供電系統中常見的故障問題，需重視饋線保護的低電壓保護技術的有效應用。在應用該保護技術時，饋線保護動作啟動的條件為最低電壓產生的時間高于系統的中斷時間后發生故障，如故障發生時間低于電壓的工作周期，此時將進入低電壓的保護狀態，當監測到故障已發生時，通過低電壓保護進行實現對饋線的保護。當U ＜Umin時，U 代表系統的輸出電壓，Umin則代表最小的電壓。

在進行饋線保護時會表現出持續延時現象，電壓會長期處于最小電壓內，發出啟動饋線保護動作的相應信號，實現地鐵直流牽引供電系統的信號傳輸順暢。因此，地鐵如要實現階段性的穩定、可靠，需依據供電系統進行合理饋線保護技術的選擇，依據故障的不同進行科學處理，進而不斷完善地鐵直流牽引供電系統的整體性能。

總之，地鐵直流牽引供電系統的正常運轉需重視饋線保護技術的有效應用，從而有效提升地鐵的運營效率，保持供電系統的穩定性和可靠性。因此需積極采取相應的保護技術措施，通過大電流脫扣保護、過流保護、電流增量保護、定時限過流保護等保護手段，使得地鐵直流牽引供電系統能在饋線保護技術的幫助下實現良好的運行，保持地鐵運行的安全、穩定。