李金明

摘 要：現(xiàn)代社會(huì)科技化進(jìn)程的不斷加快，在為供電系統(tǒng)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)的同時(shí)，也使得人們對(duì)于供電安全問題的關(guān)注不斷上升。直流保護(hù)裝置作為供電系統(tǒng)的重要防護(hù)設(shè)備，其整定參數(shù)的計(jì)算在一定程度上影響了保護(hù)裝置的運(yùn)行效率。為此，相關(guān)單位應(yīng)結(jié)合直流系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)保護(hù)裝置的整定數(shù)值進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，為電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行夯實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：短路故障特性；整定參數(shù)；大電流脫扣

直流保護(hù)裝置的合理應(yīng)用，在一方面可以降低故障電流對(duì)供電系統(tǒng)安全運(yùn)轉(zhuǎn)的不利影響，控制故障影響范圍；另一方面也能夠提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。但在直流牽引的實(shí)際供電過程中，由于保護(hù)裝置的使用特性與故障電流的位置不同，使得保護(hù)裝置的整定值計(jì)算存在一定的難度。在此基礎(chǔ)上，本文從觸電網(wǎng)故障電流發(fā)生位置的不同，電流上升速率、電流數(shù)值的差異等方面出發(fā)，對(duì)保護(hù)定值的科學(xué)計(jì)算方式進(jìn)行系統(tǒng)的闡述。

一、直流供電系統(tǒng)的故障特性

直流牽引系統(tǒng)主要構(gòu)成部分包括：整流機(jī)組、牽引網(wǎng)、直流開關(guān)以及電纜等幾部分。分析故障發(fā)生原因的主要方法是暫態(tài)響應(yīng)法，其基本的理論依據(jù)來(lái)源于戴維南、疊加定理?；芈冯娮枰约半姼袇?shù)對(duì)短路斷流的重要影響是直流短路故障的主要特性之一，因此，故障電流所處位置不同，短路特性也有所差別，接觸網(wǎng)的近端與中遠(yuǎn)端的短路特性就有著較大的差別。

1、近端短路故障的特性

如果線路的短路故障發(fā)生在變電所的近端位置，則電流的上升幅度越大，所流經(jīng)的短路電流也相應(yīng)增強(qiáng)。接觸網(wǎng)的近端部分出現(xiàn)短路情況，短路電流的預(yù)期值能夠達(dá)到80kA以上，而電路初始數(shù)值的上升率超過5kA/ms。在這一過程中，如果無(wú)法快速的切斷短路電流，電流將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，不僅會(huì)對(duì)供電設(shè)備與系統(tǒng)造成較大的危害，還會(huì)在一定程度上降低供電系統(tǒng)的安全系數(shù)，引發(fā)事故。為此，應(yīng)在短路電流上升到最大值之前，及時(shí)開啟保護(hù)裝置，切斷電流。實(shí)際的短路當(dāng)電流變化如圖一所示，電流在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到曲線頂端。

2、中遠(yuǎn)端短路故障的特性

在供電系統(tǒng)中，距離接觸網(wǎng)較遠(yuǎn)的短路電流由于輸送線路的電感作用τ值會(huì)出現(xiàn)加大的情況，因此，短路的電流數(shù)值變化相對(duì)緩和，初始階段的電流上升率較低，對(duì)直流設(shè)備的影響相較于近段電流小。

二、保護(hù)裝置的方案設(shè)計(jì)及技術(shù)原理

1、保護(hù)裝置的方案設(shè)計(jì)

根據(jù)饋線近端與中遠(yuǎn)端線路故障的特性差異，單一的幾點(diǎn)保護(hù)裝置很難實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)的全面防護(hù)，在此基礎(chǔ)上，為兼顧供電系統(tǒng)防護(hù)裝置速動(dòng)性與安全性的需求，需要根據(jù)饋線位置的不同分別設(shè)置保護(hù)裝置。主要的饋線保護(hù)設(shè)備主要包括以下幾種：大電流脫扣保護(hù)（斷路器本體DA保護(hù)）；△I、di/dt保護(hù)；熱過負(fù)荷保護(hù)；雙邊聯(lián)跳保護(hù)。其中，脫扣防護(hù)裝置以及△I、di/dt裝置是防護(hù)的關(guān)鍵，分別為饋線近端、中遠(yuǎn)端防護(hù)的主裝置。

2、繼電保護(hù)配置的技術(shù)原理

大電流脫扣的防護(hù)裝置是一種直流短路設(shè)備，主要作用于饋線近端的短路電流，作為主保護(hù)系統(tǒng)，采用的是磁脫扣的技術(shù)原理，根據(jù)電流變化程度，實(shí)現(xiàn)機(jī)械響應(yīng)或者全分段時(shí)間，一旦短路電流的速率超過5kA/ms臨界值時(shí)，斷路器的機(jī)械響應(yīng)時(shí)間為三到四秒之間，燃弧熄滅的時(shí)間達(dá)到了二十五秒左右。大電流脫扣的防護(hù)裝置可以在短路電流到達(dá)頂點(diǎn)前切斷電路，在限制電流數(shù)值的同時(shí)，降低故障造成的影響。與此同時(shí)，對(duì)于饋線中遠(yuǎn)端的故障問題，由于電流的上升的速率相對(duì)較小，大電流脫扣裝置的的反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，斷電效果不強(qiáng)，因此主要采用微控制處理器來(lái)對(duì)短路電流進(jìn)行限制。具體來(lái)講，主要通過△I、di/dt進(jìn)行防護(hù)，△I反應(yīng)電流的數(shù)值，di/dt反應(yīng)電流的上升速率，兩者分別是饋線中、遠(yuǎn)端防護(hù)裝置的主保護(hù)系統(tǒng)。

（1）△I保護(hù)裝置

△I保護(hù)技術(shù)是當(dāng)di/dt超過整定值時(shí)，檢測(cè)電流實(shí)際增量，通過增量的變化對(duì)電路電路情況進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)。一旦電流上升的速率超過標(biāo)準(zhǔn)值，△I保護(hù)將啟動(dòng)保護(hù)裝置，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算△I，裝置啟動(dòng)時(shí)刻測(cè)算的電流為基礎(chǔ)數(shù)值。達(dá)到？I延時(shí)后，若△I達(dá)到△I整定值（△Itrip），則保護(hù)裝置動(dòng)作。

（2）di/dt保護(hù)裝置

di/dt保護(hù)裝置主要是通過對(duì)di/dt的檢測(cè)，對(duì)遠(yuǎn)端短路電流進(jìn)行控制。如果di/dt超出整定值，啟動(dòng)di/dt保護(hù)裝置，如果di/dt的持續(xù)時(shí)間超過定值，保護(hù)裝置出口將會(huì)跳閘。

盡管不同供電單位保護(hù)裝置的實(shí)際工作原理與整定值的設(shè)定有所不同，但基本的技術(shù)要點(diǎn)大致相同。

三、整定參數(shù)的計(jì)算

整定參數(shù)的計(jì)算是直流供電保護(hù)裝置能否有效控制短路電流的決定性因素，為保證整定值計(jì)算的科學(xué)性與合理性，應(yīng)通過短路計(jì)算與校核計(jì)算來(lái)得到精準(zhǔn)的整定參數(shù)。

1、短路計(jì)算

短路計(jì)算的根本目的在于確定饋線的相關(guān)保護(hù)定值以及保護(hù)裝置的靈敏度。計(jì)算的主要內(nèi)容包括計(jì)算牽引供電程序在接觸網(wǎng)以及回流軌、接觸網(wǎng)和架空地線之間運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的短路電流及電流的上升速率。通過戴維南、疊加定理，分析RL動(dòng)態(tài)回路的實(shí)際情況。在計(jì)算的過程中，關(guān)鍵點(diǎn)在于總電阻、總電感的計(jì)算、確定。由于接觸網(wǎng)與回流軌、架空電線兩種短路電流運(yùn)行的路徑不同，因此總電阻與總電感的計(jì)算方式也有所差別。

2、整定計(jì)算

（1）大電流脫扣保護(hù)裝置的整定值計(jì)算

首先，計(jì)算饋線承受電流的最大值，算出初始整定值。為保證保護(hù)裝置的選擇性，DA定值結(jié)合近端的短路時(shí)間，避免出現(xiàn)越區(qū)跳閘的情況。與此同時(shí)，供電臂兩側(cè)的整定值應(yīng)該保持一致。在滿足所有條件的數(shù)值中選取最大值，作為近端保護(hù)裝置的整定值。

（2）di/dt保護(hù)裝置的整定值計(jì)算

di/dt初始定值。該值應(yīng)大于機(jī)車啟動(dòng)時(shí)的最大電流變化率，同時(shí)應(yīng)小于越區(qū)供電時(shí)區(qū)間末端短路t時(shí)刻的短路電流變化率di/dt│t=di/dtduration。延時(shí)時(shí)間（di/dtduration）定值。di/dt保護(hù)范圍至下一相鄰供電區(qū)間末端，為保證選擇性，其延時(shí)時(shí)間應(yīng)與相鄰供電區(qū)間的保護(hù)配合。同時(shí)，還應(yīng)考慮機(jī)車內(nèi)LC濾波回路充電時(shí)（如受電弓的離線導(dǎo)致濾波器充電）可能引起的di/dt保護(hù)裝置誤動(dòng)。di/dt延時(shí)時(shí)間定值應(yīng)大于T/2（T為濾波回路充電電流變化率的諧振周期）。取上述2種計(jì)算結(jié)果中的較大值作為延時(shí)時(shí)間的定值。

（3）△I保護(hù)裝置的整定值計(jì)算

△I保護(hù)整定的主要參數(shù)為di/dt、△I、△Idelay、di/dtduration。其中di/dt、di/dtduration為△I保護(hù)元件的參數(shù)，不同于di/dt保護(hù)元件的參數(shù)?！鱅保護(hù)同樣要考慮與機(jī)車特性配合，躲過機(jī)車啟動(dòng)或機(jī)車濾波器充電導(dǎo)致的△I保護(hù)裝置誤動(dòng)。另外為保證選擇性，還要考慮與相鄰供電區(qū)間的保護(hù)配合，不致越區(qū)跳閘。在該原則下，不同廠家的△I保護(hù)可以有多種整定方法，可以用△I定值配合，也可用di/dt定值配合。

結(jié)語(yǔ)：直流供電環(huán)節(jié)的保護(hù)裝置整定值計(jì)算是保證保護(hù)設(shè)備運(yùn)行效率的重中之重。為此，相關(guān)供電單位應(yīng)采取科學(xué)、合理的計(jì)算方法，結(jié)合短路電流的實(shí)際運(yùn)行特征，提升整定參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性。根據(jù)短路電流流經(jīng)路線、位置的不同，按照近端、中遠(yuǎn)端短路電流上升速率、相同時(shí)間內(nèi)增值的差別，計(jì)算出總電阻與總電感的數(shù)值，從而為保護(hù)裝置的合理應(yīng)用夯實(shí)基礎(chǔ)。

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