摘要 文章通過對繼電保護理論和實踐數(shù)據(jù)研究的分析，論述了軌道交通牽引供電系統(tǒng)常設交直流系統(tǒng)繼電保護種類、動作原理、整定計算原則和繼電保護試驗，便于供電技術人員高效開展供電系統(tǒng)運營維護、預防性試驗、故障研判及應急處置。充分體現(xiàn)了繼電保護動作選擇性、速動性、靈敏性、可靠性等特點，正確運用繼電保護對供電系統(tǒng)安全運行、避免造成重大經(jīng)濟損失具有極其重要意義。

關鍵詞 軌道交通；交流系統(tǒng)；直流系統(tǒng)；繼電保護

中圖分類號 TM862 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）04-0021-03

0 引言

軌道交通供電系統(tǒng)是將電力系統(tǒng)110 kV電源經(jīng)電壓變換把電力輸送到地鐵車輛及動力、照明負荷的輸變電系統(tǒng)。交流系統(tǒng)的保護主要設置階段式電流保護、零序電流保護、線路縱聯(lián)差動保護、變壓器瓦斯保護等。直流系統(tǒng)通常設置大電流脫扣保護、逆流保護、電流速斷和定時限過流、框架保護等。具體分析如下。

1 階段式電流保護

階段式電流保護包含電流速斷保護、限時電流速斷保護、定時限過電流保護三段。電流速斷保護以躲過線路末端最大短路電流為原則整定計算動作值，該保護在電流增大至動作值時瞬時動作，由動作值保證其選擇性，可以無延時保護該線路一部分，因此不是一個完整的電流保護^[1]。

限時電流速斷保護依靠動作電流和動作時間共同保證其選擇性和靈敏性。限時電流速斷保護能夠保護電路全長且動作帶有延時，與電流速斷保護共同構成被保護線路主保護，同時作為電流速斷保護的后備保護。

定時限過電流保護可作為本線路近后備保護和相鄰下一線路遠后備保護，按躲過最大負荷電流來整定計算動作值，靈敏度比電流速斷保護、限時電流速斷保護要高，通過靈敏度和動作時限相互配合，保證其選擇性，從而保護本線路和相鄰下一線路全長。

2 零序電流保護

利用對稱分量法，可將三相系統(tǒng)的電壓、電流分解成正序、負序和零序三個分量，其中零序分量：

3 線路縱聯(lián)差動保護

線路縱聯(lián)差動保護具有絕對的選擇性，利用光纖傳輸將線路兩頭的保護裝置縱向聯(lián)結，將環(huán)網(wǎng)進出線的電氣量（如電流、功率方向等）傳送到對端，并通過兩頭的電氣量比較，判斷故障的具體位置（在本線路范圍外還是在范圍內(nèi)），并且有選擇性地切斷被保護線路^[2]。

此外，實踐表明電容電流會造成保護誤動作，一般可通過提高定值、加短延時、進行電容電流補償?shù)却胧┙鉀Q。

4 變壓器瓦斯保護

對于大型變壓器（容量在0.8 MVA以上）都是采用變壓器油作為絕緣和散熱的，當變壓器內(nèi)部故障時，由于短路電流和電弧的作用，故障點附近的絕緣物和變壓器油分解而產(chǎn)生氣體，同時由于氣體的上升和壓力的增大會引起油流的變化^[3]。利用這個特點構成的保護為瓦斯保護。通常情況下，變壓器本體和有載調(diào)壓部分均設有瓦斯保護，瓦斯保護又分為重瓦斯和輕瓦斯，重瓦斯動作于跳閘，輕瓦斯動作于報警。

瓦斯保護主要由瓦斯繼電器、信號繼電器和保護出口繼電器等構成，瓦斯繼電器安裝在變壓器油箱和油枕的連接管上。在安裝帶有瓦斯繼電器的變壓器時，變壓器頂蓋沿瓦斯繼電器方向應有1%～1.5%的升高坡度，連接管朝油枕方向應有2%～4%的升高坡度，主要是使變壓器內(nèi)的氣體容易往瓦斯繼電器內(nèi)跑，以提高靈敏度。

5 逆流保護

逆流保護即反向電流保護，當整流機組內(nèi)部或整流機組至直流開關柜間電源電纜發(fā)生故障時，為防止外界向上述故障點反送故障電流，設置逆流保護。逆流保護的特點是需要測量一次回路中電流的大小和方向，電流大小、方向的測量分別由測量放大器輸入端兩線之間的電壓差、正負極性變化來實現(xiàn)^[4]。

正常運行時，逆流保護工作回路不斷測量一次回路的逆流值，當此測量值達到逆流定值時，開始計時。如果在延時時間外，測量值均大于逆流定值，則保護出口；如果在延時時間內(nèi)，測量值小于逆流定值，則保護返回，繼續(xù)監(jiān)測。

逆流保護動作后，由保護裝置發(fā)出跳閘命令，并聯(lián)跳相應35 kV整流機組柜，切斷故障點，使整流元件得到保護。逆流保護動作條件遵循進線斷路器在合位、對應35 kV整流變饋線斷路器在合位、整流機組聯(lián)跳開關在投入位、進線柜逆流保護達到保護動作值。

6 大電流脫扣保護

大電流脫扣保護主要用于直流近端短路保護，無延時性，與電客車保護相配合，能夠躲過電客車斷路器的大電流脫扣保護。該保護是直流開關柜主保護，與交流系統(tǒng)中的速斷保護原理類似，主要用于切斷金屬性近端短路故障。通過計算和短路試驗獲得整定值（通常進線柜大電流脫扣定值為12 000 A，正線饋線柜大電流脫扣定值為8 000 A，場段饋線柜大電流脫扣定值為7 000 A，能饋柜大電流脫扣定值按最小整定值設置，但不得低于2 000 A），大于最大負荷下電客車正常啟動的電流值且小于近端最大短路電流^[5]。

7 電流速斷和定時限過流保護

電流速斷和定時限過流保護，電流設定值小于大電流脫扣保護定值，可作為大電流脫扣保護的后備保護使用，該保護主要通過分析饋線電流判別故障。

電流速斷保護的定值包括兩個方面：電流定值和時間定值。監(jiān)測當前正向電流最大值，如果電流測量值（如圖2所示）I大于電流定值I_max++時間定值超過T₊₊，保護啟動跳閘，發(fā)出跳閘命令。如果電流小于設定值則保護返回。定時限過流保護和電流速斷的工作原理類似，它們的區(qū)別在于電流定值和時間定值的大小不同。

8 框架保護

1 500 V直流開關柜、整流器柜、負極柜等直流設備采用絕緣安裝，從而減少對鋼軌、鋼筋等金屬體的電化學腐蝕，減少雜散電流泄漏途徑。框架保護包含電流型框架保護和電壓型框架保護，電壓型框架保護可作為電流型框架保護的后備保護使用。該保護是針對正極與柜體發(fā)生短路故障（達到80 A泄漏電流動作值或設定動作電壓時）能夠迅速發(fā)出報警或跳閘信號，切除故障設備，避免對直流供電設備造成重大損失。

8.1 電流型框架保護

電流型框架保護是通過電流繼電器檢測框架對地之間的電流，當檢測到的電流值達到整定值時，電流型框架保護會啟動。電流型框架保護通常分為整流器柜框架保護（對應電流型保護元件FP-1）和直流開關柜框架保護（對應電流型框架保護元件FP-2）。

直流系統(tǒng)正常運行過程中設備絕緣良好，未發(fā)生外殼放電或短路故障，電流型框架保護電流回路無電流，負極柜保護裝置不動作。當直流設備框架絕緣發(fā)生變化（低于0.5兆歐），設備對柜體外殼放電或短路電流達到整定值（80 A，無延時），電流型框架保護動作，發(fā)出跳閘命令，并閉鎖自動重合閘。通常整流器柜框架保護動作跳開本所35 kV整流機組柜及直流進線開關柜；直流開關柜框架保護動作跳開本所35 kV整流機組柜、直流進線、饋線開關柜及相鄰牽混所相應供電分區(qū)直流饋線開關柜。

8.2 電壓型框架保護

城市軌道交通牽引供電直流設備和鋼軌均采用絕緣安裝，鋼軌對地絕緣電阻隨著絕緣材料的性能而不斷變化，因此電流型框架保護的電流回路的電阻具有不確定性，當電阻R很大時，可能會造成電流回路檢測值達不到整定值的要求，會導致設備發(fā)生絕緣下降而電流型框架保護未及時動作切除故障電氣設備的情況，通過設置電壓型框架保護可在一定程度上彌補此缺陷。

電壓型框架保護是通過一個電壓繼電器檢測框架對負極之間的電壓，并傳輸至PLC保護裝置，當檢測到的電壓達到動作設定值，并達到動作設定延時后，電壓型框架保護會啟動，并發(fā)出報警或跳閘信號。通常跳開本所35 kV整流機組柜及直流進線、饋線開關柜，并閉鎖重合閘。此外，框架電壓保護還與鋼軌電位限制裝置緊密配合，作為鋼軌電位限制裝置的后備保護使用。

9 直流饋線柜線路測試實例分析

直流饋線斷路器在合閘前首先通過線路測試功能檢查線路是否有短路故障，防止斷路器合閘到故障線路上。以賽雪龍SEPCOS保護為例，線路測試分析如下：

（1）U_r>U_flow（1 000 V），U_f>U_flow（1 000 V），直接合閘（母線帶電，接觸網(wǎng)已通過臨站帶電）。

（2）U_rresidue（450 V），U_f>U_flow（1 000 V），直接合閘（母線不帶電，接觸網(wǎng)已通過臨站帶電）。

（3）U_r>U_flow（1 000 V），U_fresidue（450 V），合線路測試接觸器，若測量到的線路電阻R≥R_min（2.5Ω），則斷路器合閘（母線帶電，接觸網(wǎng)不帶電）。

（4）其他情況均閉鎖斷路器合閘。

注：U_r——母線電壓；U_f——饋線電壓；U_flow——線路最小工作電壓；U_residue——線路殘壓；R_min——線路最小電阻。

（5）正常情況下，線路測試回路接觸器線圈不得電，常開輔助觸點打開，變送器通過采樣模塊測量饋線電壓，并輸入給SEPCOS保護裝置，保護裝置通過內(nèi)部換算得出饋線電壓值。

（6）保護裝置啟動線路測試時，保護裝置輸出高電平，線路測試回路接觸器線圈得電，常開輔助觸點1-2、3-4兩對接點閉合。

（7）接觸網(wǎng)正常情況下，接觸網(wǎng)對地電阻近似為無窮大，回路電流I=1 700/（10 000+2 650+R_負地）≈0.13 A，流過采樣模塊采樣電阻R兩端的計算電壓為8.6 V，經(jīng)采樣模塊穩(wěn)壓整流輸入變送器中，變送器輸入電壓超量程，輸出5 V，保護裝置判斷結果為接觸網(wǎng)正常。

（8）如果接觸網(wǎng)短路，假設接地電阻為1Ω，回路總電流I=1 700/2 651=0.64 A，流過電阻R的電流約為64 μA，R兩端電壓為4 mV，經(jīng)采樣模塊穩(wěn)壓整流輸入變送器中，變送器輸出電壓非常小，保護裝置判斷結果為線路故障。保護裝置通過測量電阻R兩端的電壓確定線路最小電阻值，來判斷接觸網(wǎng)是否存在故障，進而決定斷路器能否合閘。

10 繼電保護試驗實例分析

以某地鐵35 kV開關柜動力變過流保護試驗為例。將繼保儀電流輸出端子Ia、Ib、Ic、In用四色線黃、綠、紅、黑對應接入，試驗線另一端黃、綠、紅、黑對應接入開關柜內(nèi)電流端子用于給保護裝置加入測試電流。在繼保儀的開入量輸入口A，用紅、黑線接入，試驗線另一端用線夾接入開關柜內(nèi)保護出口端子，用于測量保護裝置動作時間。繼保儀開機后選用“電壓/電流（交流）”菜單，設置選項基本為“變量選擇”和“電壓電流”項?！白兞窟x擇”項內(nèi)“第一變量”步長設為0.01 A，“程控/手控”選為“程控”，“返回方式”選為“動作返回”，“每步前復歸”選為“單程復歸”。

過流保護試驗時，A、B、C三相均需進行設置。①A相：“變量選擇”項內(nèi)“第一變量”選擇“Ia幅值”，“變化范圍”起點設為比整定值小0.01，終點比整定值大一倍，“每步時間”設為0.35，其余不變?！半妷弘娏鳌表梼?nèi)電流值Ia為自動，角度值設為0，Ib電流值設為比整定值小0.1，角度值設為180，Ic相電流值設為0，角度值設為0，其余不變。即可進行試驗。②B相：“變量選擇”項內(nèi)“第一變量”選擇“Ib幅值”，其余不變?！半妷弘娏鳌表梼?nèi)將Ia電流值設為比整定值小0.1，其余不變。即可進行試驗。③C相：“變量選擇”項內(nèi)“第一變量”選擇“Ic幅值”，其余不變。“電壓電流”項內(nèi)將Ia電流值設為0，角度值設為0，Ib電流值設為比整定值小0.1，角度值180，其余不變。

11 結束語

綜上所述，軌道交通交直流系統(tǒng)繼電保護技術含量高，隨著科技的發(fā)展和不斷更新升級，工程技術人員需不斷學習新知識、新技術，并深入研究保護動作原理及整定計算原則，才能更好地服務于地鐵供電設備運行、檢修、試驗技術管理，有效控制安全事件發(fā)生，保障地鐵運營行車安全和供電設備安全。

參考文獻

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收稿日期：2023-12-04

作者簡介：蘇春明（1986—），男，本科，工程師，研究方向：城市軌道交通供電。