許銳坤

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)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(diǎn)

與其他供電系統(tǒng)不同，地鐵供電系統(tǒng)有獨(dú)特的特點(diǎn)需要獨(dú)立設(shè)計(jì)。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(nèi)，如果主變電所和車險(xiǎn)變電所之間的距離大于4 km，一般會(huì)在中間設(shè)置區(qū)間變電所。但實(shí)際上，地鐵的變電所之間距離很短，因此一般的電路保護(hù)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(dú)特的。另外，地鐵的供電系統(tǒng)好壞將會(huì)直接影響地鐵的正常運(yùn)行，因此，當(dāng)變電所的一條供電線路損壞時(shí)，要確保同一變電所的另一條供電線路能夠正常運(yùn)行，滿足地鐵的負(fù)荷要求。供電系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)，繼電保護(hù)配置要保證在切斷故障部位時(shí)影響范圍較小，在安全的前提下保證地鐵的正常運(yùn)行，因此，對于地鐵供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)配置方案應(yīng)當(dāng)不斷優(yōu)化。

圖1 地鐵動(dòng)力供電系統(tǒng)示意圖

2.地鐵直流保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)

地鐵直流繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容與其他繼電保護(hù)系統(tǒng)不同，要符合地鐵運(yùn)行的特點(diǎn)，要保證地鐵在運(yùn)行過程中的安全。地鐵直流保護(hù)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容在于直流電在運(yùn)送的過程中保護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)收线M(jìn)行識(shí)別與處理，但是并不影響地鐵的正常運(yùn)行與供電，首先地鐵直流保護(hù)系統(tǒng)要能夠?qū)σ恍┨厥庑问较碌谋Ｗo(hù)進(jìn)行分析，比如屏蔽門與接觸短路故障、架空接地線與接觸網(wǎng)短路、隧道電纜支架與接觸網(wǎng)短路等等，這些重點(diǎn)位置的保護(hù)在保護(hù)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注，采取特殊的措施及手段進(jìn)行線路保護(hù)。其次，地鐵在正常運(yùn)行時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)誤跳閘的情況，且發(fā)生的概率較大，直流保護(hù)系統(tǒng)要能夠?qū)Φ罔F經(jīng)常出現(xiàn)的誤跳閘情況進(jìn)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(hù)系統(tǒng)各個(gè)保護(hù)功能進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，以便在電路輸送過程中發(fā)生故障時(shí)能夠第一時(shí)間切除故障，提高故障處理的效率。

3.主要保護(hù)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(fù)荷故障、過壓故障等等，其中經(jīng)常發(fā)生的應(yīng)當(dāng)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(fù)極短路，另一種則是正極對大地短路，直流系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)有針對短路故障專門設(shè)置的處理方法。直流保護(hù)系統(tǒng)中所設(shè)置的保護(hù)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(hù)的形式。

大電流脫扣保護(hù):大電流脫扣保護(hù)是直流保護(hù)系統(tǒng)中主要保護(hù)的一部分，一般是切除金屬性近端短路故障，這種保護(hù)形式是直流電保護(hù)系統(tǒng)中設(shè)置的固有保護(hù)形式，沒有延時(shí)性，這種保護(hù)性質(zhì)通保護(hù)系統(tǒng)中斷路器內(nèi)設(shè)置的脫扣器來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)通過斷路器的電流超過整定值時(shí)，脫扣器能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)跳閘。在這一保護(hù)過程中，電流整定值是通過計(jì)算與分析得來的，當(dāng)面臨大電流時(shí)可以保證自動(dòng)跳閘，切斷電路，避免大電流對整個(gè)電路產(chǎn)生影響。

電流上升率保護(hù):當(dāng)中、遠(yuǎn)端電路通過小電流發(fā)生故障時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)電流上升率保護(hù)，直流系統(tǒng)中設(shè)置的保護(hù)功能能夠自主區(qū)分是地鐵正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的短路故障，還是中遠(yuǎn)端電流發(fā)生了短路故障。大電流脫扣保護(hù)只能保護(hù)地鐵在正常運(yùn)行時(shí)發(fā)生的短路故障，而對于中遠(yuǎn)段地區(qū)的短路故障可以利用電流上升率保護(hù)措施。電流上升率是定值，當(dāng)超過這一定值時(shí)保護(hù)系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)跳閘。當(dāng)通過的電流超過電流上升率固定值時(shí)，其系統(tǒng)保護(hù)功能能夠快速有效地做出跳閘反應(yīng)措施，避免產(chǎn)生過大的風(fēng)險(xiǎn)故障。

定時(shí)限過流保護(hù):在一定時(shí)間內(nèi)通過電流的數(shù)值是在一定范圍之內(nèi)的，如果超過這個(gè)范圍，那么就會(huì)有發(fā)生短路的可能，影響到整個(gè)地鐵列車的行進(jìn)安全。因此，要保證一定時(shí)間內(nèi)通過電流的數(shù)量，即定時(shí)限過流保護(hù)，一般情況下，保護(hù)的電流整定值較小，當(dāng)通過的電流第一次超過定值時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)保護(hù)程序，當(dāng)通過的電流一直在超過定值時(shí)，可以認(rèn)為是短路電流，會(huì)觸動(dòng)跳閘。如果中間某一時(shí)刻通過的電流沒有超過定值，那么保護(hù)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)返回，等待下次重啟。

低電壓保護(hù):低電壓保護(hù)欲定時(shí)限過流保護(hù)作用一樣，是電流上升率保護(hù)的后備保護(hù)，與定時(shí)限過流保護(hù)不同的是，低電壓保護(hù)一般情況下要與其他保護(hù)形式共同作用，相互配合，單獨(dú)作用下并不會(huì)讓總電站發(fā)生跳閘。這種保護(hù)模式下也有整定值，而它的整定值必須與列車正常運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行情況相互配合。當(dāng)?shù)碗妷罕Ｗo(hù)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)考慮最大負(fù)載下列車的啟動(dòng)電流和啟動(dòng)時(shí)間，同時(shí)還要考慮在一個(gè)變站內(nèi)多輛列車同時(shí)運(yùn)行連續(xù)啟動(dòng)的情況。

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

框架保護(hù):在上文中提到，短路發(fā)生時(shí)，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(hù)就是針對正極對大地或者是接觸網(wǎng)對架空地線短路時(shí)。在正常沒有短路的情況下，負(fù)極與地的絕緣良好，不會(huì)有電流產(chǎn)生，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)會(huì)產(chǎn)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(dòng)框架保護(hù)。因此，電流檢測元件是框架保護(hù)的主保護(hù)，電壓檢測元件是作為后備保護(hù)的?？蚣鼙Ｗo(hù)的好處是能夠迅速跳開同一個(gè)變電站的所有直流開關(guān)，以及鄰所其他直流開關(guān)，而且需要人工復(fù)位后才會(huì)繼續(xù)運(yùn)行。

圖2 接觸網(wǎng)對架空地線短路

接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護(hù):接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護(hù)，其實(shí)是消除熱過負(fù)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(wǎng)的電阻，計(jì)算電流值，從而計(jì)算出接觸網(wǎng)的發(fā)熱量，通過接觸網(wǎng)的熱負(fù)荷特性以及當(dāng)時(shí)的環(huán)境可以計(jì)算出電纜的溫度，當(dāng)電纜溫度超過一定值時(shí)就會(huì)跳閘，使直流開關(guān)處于閉合狀態(tài)。而當(dāng)溫度逐漸冷卻時(shí)，直流開關(guān)又會(huì)自動(dòng)打開，呈現(xiàn)一個(gè)控制電纜溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

4.存在的問題

關(guān)于多輛列車短時(shí)間內(nèi)相繼啟動(dòng):地鐵內(nèi)不可能只有一輛列車運(yùn)行，當(dāng)一輛列車運(yùn)行時(shí)直流電路可能不會(huì)發(fā)生故障，同一時(shí)間內(nèi)如果另一輛列車運(yùn)行那么可能會(huì)導(dǎo)致直流電路短路，這種可能性是存在的，雖然在實(shí)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(hù)中應(yīng)當(dāng)考慮多輛列車短時(shí)間內(nèi)相繼啟動(dòng)時(shí)的電流，避免發(fā)生短路故障。

關(guān)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(huì)發(fā)生的問題，而小電流故障是因?yàn)楣收宵c(diǎn)距離牽引所很遠(yuǎn)。當(dāng)短路點(diǎn)靠近其中一個(gè)牽引所時(shí)，近端短路往往很容易檢測到短路故障。而當(dāng)短路點(diǎn)位于兩個(gè)牽引所中間位置時(shí)，小電流短路故障可能不會(huì)被檢測到。另外，短路點(diǎn)的電弧過大也會(huì)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(jìn)行研究，給電弧的電流建立一個(gè)模型，避免發(fā)生小電流短路故障。

關(guān)于框架保護(hù)的選擇性:框架保護(hù)一般適用于小電流發(fā)生短路故障時(shí)，而對于電流過大引起短路故障時(shí)，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(hù)系統(tǒng)的一個(gè)難題，尋找準(zhǔn)確的定位點(diǎn)才可以針對短路故障進(jìn)行研究與探索，解決發(fā)生短路故障的問題。

5.結(jié)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(dú)特的特點(diǎn)，同時(shí)，由于每個(gè)城市在建立地鐵運(yùn)行系統(tǒng)時(shí)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)它的特點(diǎn)采取獨(dú)特設(shè)計(jì)。地鐵直流供電保護(hù)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)在于發(fā)生短路故障時(shí)應(yīng)當(dāng)如何處理，針對不同的短路故障發(fā)生原因其保護(hù)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(shí)又針對發(fā)生短路故障的原因設(shè)計(jì)直流保護(hù)系統(tǒng)，在發(fā)生故障時(shí)能夠自動(dòng)解決。本文列舉了七種保護(hù)方案，在面對不同原因短路故障時(shí)系統(tǒng)是如何進(jìn)行保護(hù)處理的。最后，又提出了當(dāng)前地鐵直流供電保護(hù)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(hù)，能進(jìn)一步保證地鐵的正常運(yùn)行，地鐵作為一種城市交通工具，也因?yàn)槭窃诘叵逻\(yùn)行，因此而得名，地鐵在運(yùn)行中如果發(fā)生故障，其后果是不堪設(shè)想的，而直流保護(hù)系統(tǒng)的研究可以進(jìn)一步提高地鐵運(yùn)行的安全性，讓地鐵成為一個(gè)安全，值得人們信任的交通工具，同時(shí)也能促進(jìn)我國直流供電保護(hù)系統(tǒng)的研究水準(zhǔn)。