蔣維佳 陳鑫

摘要：隨著近年地鐵市場(chǎng)業(yè)務(wù)在各大城市的快速推廣，地鐵的安全可靠運(yùn)行也變得尤為重要。由于國(guó)內(nèi)直流供電起步較晚，直流保護(hù)技術(shù)發(fā)展相對(duì)較慢。因此，研究和開(kāi)發(fā)本地化的高可靠性、高智能化的保護(hù)技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。為此，本文圍繞地鐵供電系統(tǒng)，對(duì)常用的電流、電壓保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了分析和研究。

關(guān)鍵詞：地鐵牽引供電;保護(hù);短路

引言：通過(guò)檢測(cè)地鐵供電系統(tǒng)中電流、電壓等主要參量，根據(jù)保護(hù)策略來(lái)判斷地鐵供電系統(tǒng)中是否發(fā)生故障，如果發(fā)現(xiàn)有短路等故障存在，則要在規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)，采用系統(tǒng)的控制方法使斷路器跳閘，從而達(dá)到保護(hù)供電系統(tǒng)和自動(dòng)排除故障的目的。跳閘以后，按照控制要求，系統(tǒng)要能對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，判定故障是否依然存在，如果故障消失則自動(dòng)重合閘[1]。

1 地鐵直流牽引網(wǎng)短路電流特點(diǎn)及直流保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 地鐵直流牽引供電系統(tǒng)短路電流特點(diǎn)分析

相比地鐵列車起動(dòng)時(shí)的電流變化率持續(xù)時(shí)間，中遠(yuǎn)端短路電流變化率的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，其列車起動(dòng)電流及瞬時(shí)故障短路電流都可以模擬為指數(shù)函數(shù)。由于地鐵列車起動(dòng)的瞬時(shí)跳躍量，末端短路電流的瞬時(shí)跳躍量較高，而線路較長(zhǎng)時(shí)情況可能相反。相比較負(fù)荷電流變化率，通常短路電流的變化率要高，而遠(yuǎn)端短路電流變化率同地鐵起動(dòng)的最高電流變化率相一致，當(dāng)直流饋線不斷延長(zhǎng)時(shí)，末端故障電流變化率可能要低于負(fù)荷電流變化率。若車流密度及直流饋線距離達(dá)到一定值時(shí)，最高負(fù)荷電流可能會(huì)高于或等于末端短路電流。

1.2 地鐵直流保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

直流牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)，主要采用直流開(kāi)關(guān)設(shè)備實(shí)施保護(hù)。在系統(tǒng)中，依據(jù)功能狀況劃分為饋線回路與整流器回路。直流饋線回路主要是對(duì)饋線側(cè)的牽引供電控制和保護(hù)，主要是對(duì)變電所接觸網(wǎng)及直流電纜出現(xiàn)的故障及時(shí)切除;整流器回路主要用于對(duì)整流器側(cè)的直流輸出進(jìn)行控制和保護(hù)，主要是將整流器出現(xiàn)的直流輸出故障及時(shí)斷開(kāi)。直流保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)有：其一，分析部分特殊故障形勢(shì)下的保護(hù)，如屏蔽門與接觸網(wǎng)的短路故障、隧道電纜支架與接觸網(wǎng)的短路、架空接地線與接觸網(wǎng)的短路等。其二，直流保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)避免誤跳閘問(wèn)題以降低對(duì)地鐵運(yùn)行的影響，如：地鐵列車在經(jīng)過(guò)接觸網(wǎng)分段時(shí)的沖擊電流影響、地鐵起動(dòng)電流和電壓的影響等。其三，各類保護(hù)之間的配合，確保直流系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)故障能夠有效切除[2]。

2 地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的饋線保護(hù)技術(shù)

2.1 大電流脫扣保護(hù)

對(duì)于電流上升非常快的近端短路，大電流脫扣保護(hù)往往先于電流速斷保護(hù)動(dòng)作。大電流脫扣保護(hù)的整定依據(jù)主要是短路電流值和最大饋線電流值。以牽引整流機(jī)組容量為3000kW的1500Vdc牽引供電系統(tǒng)為例，其遠(yuǎn)端短路電流一般不低于20kA，最大饋線電流一般不超過(guò)3kA，而大電流脫扣保護(hù)整定范圍一般為4～12kA，整定值通常在6kA以上。按每列車前后兩端各設(shè)一個(gè)受電弓，列車的最大啟動(dòng)電流3kA考慮，當(dāng)列車前端受電弓通過(guò)圖1中節(jié)點(diǎn)A時(shí)，饋電電流I2的電流增量為750A左右，即使與最大饋線電流相加，也不會(huì)超過(guò)3kA，因此正常的地鐵運(yùn)行電流不會(huì)影響大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作的可靠性。

2.2電流增量保護(hù)與電流上升率保護(hù)

電流增量保護(hù)與電流上升率保護(hù)是地鐵直流饋線保護(hù)中的主保護(hù)，其不僅能夠?qū)⒔说亩搪冯娏髑谐€能將大電流脫扣保護(hù)未能切除的小故障電流的遠(yuǎn)端短路故障切除。此種保護(hù)的配置方式能有效避免單獨(dú)采用電流增量保護(hù)的拒動(dòng)問(wèn)題，以及單獨(dú)使用電流上升率保護(hù)的干擾誤動(dòng)問(wèn)題。其保護(hù)動(dòng)作通常分為瞬時(shí)跳閘和延時(shí)跳閘兩部分。當(dāng)瞬時(shí)電流超過(guò)整定門限，斷路器本體立即跳閘。延時(shí)跳閘元件主要用于對(duì)遠(yuǎn)端短路電流進(jìn)行識(shí)別并實(shí)施跳閘。此種保護(hù)的動(dòng)作原理為：第一，在直流系統(tǒng)正常工作中，保護(hù)裝置對(duì)電流上升率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，若電流上升率在既定時(shí)間內(nèi)比保護(hù)整定的電流上升率高時(shí)，則電流上升率保護(hù)動(dòng)作，進(jìn)入延時(shí)階段;如果在延時(shí)階段內(nèi)電流的上升率始終比保護(hù)設(shè)定值高，則啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作;若在延時(shí)階段內(nèi)，電流的上升率恢復(fù)到保護(hù)設(shè)定值范圍內(nèi)，則保護(hù)返回。第二，在電流上升率保護(hù)動(dòng)作開(kāi)始時(shí)，電流增量保護(hù)也會(huì)進(jìn)入保護(hù)延時(shí)階段，且保護(hù)以繼電器啟動(dòng)時(shí)刻的電流為基線對(duì)相對(duì)電流增量進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)電流上升率始終高于保護(hù)設(shè)定值時(shí)，當(dāng)滿足電流增量保護(hù)延時(shí)值時(shí)，電流增量同時(shí)也會(huì)高于保護(hù)設(shè)定值，此時(shí)電流增量保護(hù)動(dòng)作。

在運(yùn)行中，保護(hù)裝置不斷檢測(cè)電流上升率， 當(dāng)電流上升率高于保護(hù)設(shè)定的電流上升率時(shí)，保護(hù)啟動(dòng)， 進(jìn)入延時(shí)階段。若在整個(gè)延時(shí)階段，電流的上升率都高于保護(hù)設(shè)定值，那么保護(hù)出口跳閘;若電流上升率回落到保護(hù)設(shè)定值之下，那么保護(hù)返回。圖1反映了一個(gè)電流波形在兩種保護(hù)整定值下的動(dòng)作情況，分別用（1）和（2）來(lái)代表。在點(diǎn)a由于電流上升率高于di/dt整定值，保護(hù)啟動(dòng)。

情況（1）：在b點(diǎn)，電流達(dá)到保護(hù)延時(shí)整定，且在ab間電流上升率始終高于di/dt整定值，保護(hù)動(dòng)作。情況（2）：在c點(diǎn)，電流上升率回落到保護(hù)整定值下，而此時(shí)保護(hù)延時(shí)整定值尚未達(dá)到，保護(hù)返回。

電流增量保護(hù)需設(shè)置如下4項(xiàng)參數(shù)：跳閘整定值延時(shí)整定值、返回延時(shí)整定值、斜率。在電流上升率保護(hù)啟動(dòng)的同時(shí)，電流增量保護(hù)也啟動(dòng)，進(jìn)入保護(hù)延時(shí)階段， 從電流增量保護(hù)啟動(dòng)的時(shí)刻起，繼電器開(kāi)始以啟動(dòng)時(shí)刻的電流作為基準(zhǔn)點(diǎn)來(lái)計(jì)算相對(duì)電流增量值。若電流上升率一直維持在電流增量保護(hù)要求的斜率整定值之上且在達(dá)到額定延時(shí)后，電流增量值達(dá)到跳閘整定值，則保護(hù)動(dòng)作。在計(jì)算電流增量的過(guò)程中，允許電流上升率在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)回落到斜率整定值之下，只要這段時(shí)間不超過(guò)電流上升率的返回延時(shí)整定值，保護(hù)不返回;反之，保護(hù)返回。圖2反映了電流增量保護(hù)針對(duì)4種典型電流的動(dòng)作情況[3]。

情況（1）：保護(hù)未動(dòng)作，電流增量雖然超過(guò)跳閘整定值，但延時(shí)時(shí)間不足。

情況（2）：保護(hù)動(dòng)作，電流增量超過(guò)跳閘整定值，延時(shí)時(shí)間滿足。

情況（3）：保護(hù)動(dòng)作，電流增量超過(guò)跳閘整定值，延時(shí)時(shí)間滿足。在電流上升的過(guò)程中，雖然電流上升率曾經(jīng)回落到斜率整定值（di/dt整定值）以下，但未達(dá)到返回延時(shí)值，因此保護(hù)未返回。

情況（4）：保護(hù)未動(dòng)作，在電流上升的過(guò)程中，電流上升率回落到斜率整定值以下，且超過(guò)返回延時(shí)值，因此保護(hù)返回，在e點(diǎn)保護(hù)重新起動(dòng)，并以e點(diǎn)作為新基準(zhǔn)點(diǎn)。

2.3 框架泄漏保護(hù)

框架泄漏保護(hù)是針對(duì)直流設(shè)備特性而特別設(shè)置的，其原理是當(dāng)直流設(shè)備的正極對(duì)柜體外殼發(fā)生絕緣損壞時(shí)，快速切除故障，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。框架泄漏保護(hù)分為電流保護(hù)和電壓保護(hù)。直流設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，電流檢測(cè)回路是沒(méi)有電流通過(guò)的。當(dāng)直流設(shè)備的正極對(duì)柜體外殼發(fā)生絕緣損壞時(shí)，電流通過(guò)電流元件流入地網(wǎng)。當(dāng)電流達(dá)到整定值時(shí)，框架泄漏保護(hù)的電流元件動(dòng)作，整流機(jī)組中壓斷路器及所有直流斷路器跳閘，且聯(lián)跳相鄰變電所內(nèi)向相同供電區(qū)段供電的直流斷路器。聯(lián)跳所的直流饋出斷路器在跳閘后，可通過(guò)PSCADA遠(yuǎn)方復(fù)歸故障信號(hào)或在變電所內(nèi)由人工復(fù)歸故障信號(hào)后投入該斷路器。故障變電所不能通過(guò)PSCADA遠(yuǎn)方復(fù)歸故障信號(hào)，必須在現(xiàn)場(chǎng)故障排除以后，由人工復(fù)歸故障信號(hào)，各斷路器才能重新投入?？蚣苄孤┍Ｗo(hù)的電壓元件根據(jù)人體耐受電壓-時(shí)間特性曲線進(jìn)行整定，其由兩段組成：Ⅰ段報(bào)警，Ⅱ段跳閘。為減少雜散電流，供電系統(tǒng)中配置有排流柜。排流柜未投入使用時(shí)，電壓元件作為電流元件的后備保護(hù)，排流柜投入使用時(shí)，應(yīng)將電壓元件撤除[4]。

結(jié)論：

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的核心是直流供電的控制和保護(hù)技術(shù)，它直接關(guān)系到地鐵安全可靠的運(yùn)行。本文通過(guò)對(duì)地鐵常用大電流脫扣、電流增量及上升率等保護(hù)的研究，對(duì)國(guó)產(chǎn)地鐵直流供電相關(guān)技術(shù)具有理論價(jià)值和借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

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[2]董斌.地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中的di/dt和ΔI保護(hù)[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2018，13（14）：74-75.

[3]周捷，宋云翔，徐勁松，等.直流牽引供電系統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)測(cè)控探討[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016，12（29）：62-63.

[4]王曉紅.地鐵直流饋線保護(hù)研究[D].西南交通大學(xué)，2016，05（35）：57-58.