高云霞

0 引言

直流保護(hù)對(duì)地鐵直流牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性起著極其重要的作用。由于直流牽引供電系統(tǒng)和直流保護(hù)自身的特殊性，保護(hù)的整定計(jì)算復(fù)雜、配合困難，且沒(méi)有成熟的計(jì)算方法可以參考借鑒，如何才能得到理想的直流保護(hù)定值是地鐵供電系統(tǒng)繼電保護(hù)工作者長(zhǎng)期以來(lái)的研究課題。

1 直流短路故障特性

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)由整流機(jī)組、直流開(kāi)關(guān)柜、直流電纜、牽引網(wǎng)等部分組成。直流系統(tǒng)的短路分析方法是RL 回路的暫態(tài)響應(yīng)分析，基本理論是戴維南定理與疊加定理，短路電流I = U(1-e-t/τ)/R（時(shí)間常數(shù)τ = L/R），di/dt = Ue-t/τ/L。直流短路的顯著特征之一是回路電阻和電感參數(shù)的大小對(duì)短路電流的大小和特性影響非常大，因此接觸網(wǎng)近、中遠(yuǎn)端的故障電流特性有很大差別。

1.1 饋線近端短路特性

短路點(diǎn)距變電所越近，電流上升率越大，短路電流也越大。當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生近端短路時(shí)，預(yù)期短路電流峰值一般可達(dá)80 kA 以上，初始電流上升率di/dt 可達(dá)5 kA/ms 以上，如不快速切除，短路電流將在極短時(shí)間內(nèi)上升到最大值，對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備造成極大危害，因此必須在短路電流達(dá)到峰值之前快速切除。牽引變電所近端短路特性如圖1 所示。

圖1 牽引變電所近端短路特性示意圖

1.2 中遠(yuǎn)端短路特性

中遠(yuǎn)端的短路電流，由于線路電感的作用，τ值增大，短路電流變化相對(duì)緩慢，初始上升率較小，中遠(yuǎn)端短路特性示意圖略。

2 饋線的保護(hù)配置及原理

2.1 保護(hù)配置方案

由于近端和中遠(yuǎn)端的短路故障特性差異較大，單一的一種保護(hù)難以兼顧速動(dòng)性與選擇性的要求，需要根據(jù)直流系統(tǒng)近端以及中、遠(yuǎn)端的故障特征分別配置相應(yīng)的保護(hù)。直流饋線配備如下保護(hù)：大電流脫扣保護(hù)（斷路器本體DA 保護(hù)）；ΔI、di/dt 保護(hù)；熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)；雙邊聯(lián)跳保護(hù)。其中最重要的是大電流脫扣保護(hù)和ΔI、di/dt 保護(hù)，兩者分別作為接觸網(wǎng)近端和中遠(yuǎn)端的主保護(hù)。

2.2 保護(hù)原理

直流快速斷路器本體的大電流脫扣保護(hù)，作為接觸網(wǎng)近端短路的主保護(hù)，采用磁脫扣原理，其機(jī)械響應(yīng)時(shí)間和全分?jǐn)鄷r(shí)間（燃弧熄滅時(shí)間）均與電流變化率有關(guān)，當(dāng)直流短路電流上升率達(dá)到5 kA/ms 時(shí)，直流快速斷路器的機(jī)械響應(yīng)時(shí)間只有3～4 ms，全分?jǐn)鄷r(shí)間（燃弧熄滅時(shí)間）為25 ms左右。斷路器能在短路電流達(dá)到峰值之前快速切斷以限制短路電流。近端短路斷路器分?jǐn)嚯娏鞑ㄐ稳鐖D2 所示。

圖2 近端短路斷路器分?jǐn)嚯娏鞑ㄐ螆D

對(duì)于中遠(yuǎn)端短路故障，由于短路電流上升率di/dt 較小，大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，靈敏度也不高，直流饋線配備采用微處理器構(gòu)成的反應(yīng)電流增量的ΔI 保護(hù)和電流上升率的di/dt 保護(hù)，分別作為接觸網(wǎng)中、遠(yuǎn)距離短路故障的主保護(hù)。

ΔI 保護(hù)是在電流上升率di/dt 高于整定值的條件下檢測(cè)電流增量，在到達(dá)峰值電流之前檢測(cè)到短路。當(dāng)di/dt 高于整定值，保護(hù)裝置啟動(dòng)，并開(kāi)始計(jì)算ΔI，保護(hù)裝置啟動(dòng)時(shí)刻的電流作為基值。達(dá)到ΔI 延時(shí)后，若ΔI 達(dá)到ΔI 整定值（ΔItrip），則保護(hù)裝置動(dòng)作。ΔI 保護(hù)裝置動(dòng)作特性及跳閘邏輯如圖3所示。圖中曲線2 和曲線3 滿足動(dòng)作條件，保護(hù)裝置判斷為故障，動(dòng)作跳閘；曲線1和4 都不滿足動(dòng)作條件，因此不跳閘。

di/dt 保護(hù)通過(guò)檢測(cè)di/dt 檢測(cè)到遠(yuǎn)端短路。當(dāng)di/dt 高于整定值，保護(hù)裝置啟動(dòng)，若di/dt 持續(xù)超過(guò)定值一段時(shí)間（di/dt 延時(shí)）后，則保護(hù)出口跳閘。di/dt 保護(hù)裝置動(dòng)作特性及跳閘邏輯如圖4 所示。圖中第1 種情況滿足跳閘條件，出口跳閘；第2 種情況不滿足跳閘條件，因此不跳閘。

不同廠家的保護(hù)裝置動(dòng)作原理和整定參數(shù)稍有不同，但沒(méi)有本質(zhì)差別。

圖3 ΔI 保護(hù)裝置動(dòng)作特性曲線圖

圖4 di/dt 保護(hù)動(dòng)作特性曲線圖

3 整定配合計(jì)算方法

整定值是否適用是直流保護(hù)裝置能否發(fā)揮作用的關(guān)鍵因素之一。為得到理想的保護(hù)定值，必須進(jìn)行短路計(jì)算和保護(hù)校核計(jì)算。

3.1 直流短路計(jì)算

短路計(jì)算目的是確定直流饋線保護(hù)定值并進(jìn)行靈敏度校驗(yàn)。主要計(jì)算直流牽引供電系統(tǒng)在各種運(yùn)行方式下接觸網(wǎng)-回流軌和接觸網(wǎng)-架空地線短路在某一時(shí)刻的短路電流I 及其變化率di/dt。采用的基本理論和方法是戴維南定理與疊加定理，及RL動(dòng)態(tài)回路的暫態(tài)響應(yīng)分析方法。短路計(jì)算的關(guān)鍵是回路總電阻R 和總電感L 的確定。因接觸網(wǎng)-回流軌和接觸網(wǎng)-架空地線2 種故障的短路電流流回牽引變電所的路徑不同，R 和L 的計(jì)算有所不同。

3.2 饋線保護(hù)的整定計(jì)算

3.2.1 大電流脫扣（DA 直接脫扣保護(hù)）整定

（1）首先按躲開(kāi)饋線最大負(fù)荷電流計(jì)算整定初值。

（2）為保證選擇性，DA 定值還應(yīng)與相鄰供電區(qū)間近端短路時(shí)的保護(hù)配合，不致越區(qū)跳閘。

（3）供電臂兩側(cè)的饋線保護(hù)定值應(yīng)相同。取同時(shí)滿足以上幾個(gè)條件的最大值作為饋線的DA保護(hù)定值。

3.2.2 di/dt 保護(hù)（di/dt、di/dtduration）整定

（1）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。

（2）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），（L 為濾波回路與線路的總電感）。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。

3.2.3 ΔI 保護(hù)整定

ΔI 保護(hù)整定的主要參數(shù)為di/dt、ΔI、ΔIdelay、di/dtduration。其中di/dt、di/dtduration為ΔI 保護(hù)元件的參數(shù)，不同于di/dt 保護(hù)元件的參數(shù)。

ΔI 保護(hù)同樣要考慮與機(jī)車特性配合，躲過(guò)機(jī)車啟動(dòng)或機(jī)車濾波器充電導(dǎo)致的ΔI 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ΔI 保護(hù)可以有多種整定方法，可以用ΔI 定值配合，也可用di/dt 定值配合（若ΔI 保護(hù)元件的di/dt 與di/dt 保護(hù)元件的di/dt 可單獨(dú)整定），也可用ΔI 延時(shí)時(shí)間（ΔIdelay）配合，不論用哪種方法整定，ΔI和di/dt、ΔIdelay定值之間是相互關(guān)聯(lián)的。

（1）用ΔI 定值與相鄰供電區(qū)間保護(hù)配合：

a.di/dt 定值。di/dt 定值可與di/dt 元件的di/dt定值相同，也可高于該值。

b.ΔI 定值。第1 步，首先按躲開(kāi)機(jī)車濾波器最大充電電流整定；第2 步，與大電流脫扣的DA定值相似，與相鄰供電區(qū)間近端短路時(shí)的保護(hù)配合。ΔI 定值取上述2 個(gè)計(jì)算結(jié)果的較大值。

c.ΔI 延時(shí)時(shí)間（ΔIdelay）定值。由于ΔI 定值已考慮了配合，ΔIdelay取值可以盡可能的小，一般取1～3 ms 即可。

（2）用di/dt 定值與相鄰供電區(qū)間保護(hù)配合。用該方法整定的前提條件是ΔI 元件的di/dt 與di/dt元件的di/dt 可單獨(dú)整定：

a.ΔI 元件的di/dt 定值。di/dt 躲開(kāi)區(qū)間末端短路電流初始變化率。

b.ΔI 定值。由于di/dt 已考慮了與相鄰區(qū)間的短路配合，ΔI 定值可不必再考慮與相鄰區(qū)間的保護(hù)配合，僅按躲開(kāi)機(jī)車牽引濾波器最大充電電流整定即可。

c.ΔI 延時(shí)時(shí)間（ΔIdelay）定值。由于di/dt 定值已考慮了配合，ΔIdelay取值可以盡可能的小，一般取1～3 ms 即可。

（3）用ΔIdelay與相鄰供電區(qū)間保護(hù)配合。di/dt定值按躲開(kāi)機(jī)車啟動(dòng)、ΔI 定值按躲開(kāi)機(jī)車牽引濾波器最大充電電流整定，ΔIdelay與相鄰區(qū)間短路保護(hù)配合，ΔIdelay取40 ms 即可。

3.2.4 熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)

根據(jù)接觸網(wǎng)和饋線電纜的熱特性及其載流量進(jìn)行整定，不需與其他保護(hù)配合，在此不做贅述。

3.3 饋線保護(hù)定值的校核

初始定值確定后，應(yīng)在系統(tǒng)所有運(yùn)行方式下對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行校核計(jì)算，驗(yàn)證各種保護(hù)的保護(hù)范圍和靈敏度，確保配置的保護(hù)系統(tǒng)能夠相互配合，對(duì)直流供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全范圍的有選擇性短路保護(hù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

雖然地鐵直流保護(hù)的整定、配合困難，但并非無(wú)“法”可依，采用科學(xué)的計(jì)算方法是得到理想定值的前提條件和必要途徑，本文提出了地鐵直流保護(hù)的幾種整定計(jì)算方法，對(duì)于地鐵供電系統(tǒng)的直流保護(hù)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。該“計(jì)算方法”應(yīng)用于廣州地鐵的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)短路試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)營(yíng)的驗(yàn)證，得到了理想的預(yù)期效果，并被上海、北京、南京等多個(gè)城市地鐵工程設(shè)計(jì)廣泛采用。