羅健儒

（深圳地鐵有集團運營總部維修中心 ）

摘要：地鐵牽引供電系統(tǒng)各種各樣的故障均有可能發(fā)生，特別是短路引發(fā)的一系列故障危害性較大。因此，設置各類直流開關柜的保護配置，對直流牽引供電系統(tǒng)進行保護。本文主要對直流牽引供電系統(tǒng)饋線保護等進行探索。

關鍵詞： 地鐵；直流；保護

引言

城市軌道交通的直流牽引供電系統(tǒng)電氣保護配置是否完善、保護定值是否合理，直接關系到地鐵的運營安全。直流牽引供電系統(tǒng)包括牽引整流機組、直流母線、牽引網(wǎng)和電動客車等 4 部分電力設備 ，每一部分構成一個保護單元 ，形成一個包含主保護、后備保護、輔助保護的體系.其中牽引網(wǎng)部分由變電所饋出線、接觸網(wǎng)、行走軌和回流線構成，由于接觸網(wǎng)是向列車供電的唯一線路，長時間處于高速摩擦、振動等惡劣工作環(huán)境中，所以牽引網(wǎng)部分發(fā)生故障的可能性很高，這一部分的保護系統(tǒng)是否完善、可靠，在很大程度上決定著整個供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。牽引網(wǎng)保護通常稱作饋線保護，本文作者將對牽引供電系統(tǒng)的饋線保護進行較深入的分析研究。

一、地鐵直流牽引網(wǎng)短路電流特點

（1）地鐵直流牽引網(wǎng)短路電流特點

a.地鐵列車起動時的電流變化率時間以及中遠端短路電流變化率的時間較長；b.和負荷電流變化率比較，短路電流的變化率要高很多，而遠端短路電流變化率同地鐵起動的最高電流變化率相一致；c.若車流密度及直流饋線距離達到一定值時，最高負荷電流可能會高于或等于末端短路電流。

（2）地鐵直流保護系統(tǒng)設計要點

直流保護系統(tǒng)設計有以下要點：a.應分析部分特殊故障形勢下的保護，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。b.在地鐵的日常運行中，直流保護系統(tǒng)應避免誤跳閘問題以降低對地鐵運行的影響，其可能會產(chǎn)生的影響有地鐵列車在經(jīng)過接觸網(wǎng)分段時的沖擊電流影響和地鐵起動電流、電壓影響等。C.應加強各類保護之間的配合，以確保當直流系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時故障能夠有效切除。

二、牽引供電系統(tǒng)保護配置及其原理

（一）大電流脫扣保護

當電流超過整定門限，并達到規(guī)定的延時時立即跳閘。直流短路的特點是電流快速上升， 保護在短路電流到達峰值前觸發(fā)斷路器跳閘。對于電流上升非常快的近端短路，大電流脫扣保護往往先于電流速斷保護動作。

動作電流Idz的整定：

Idz=kIdmin

式中：k—可靠 系數(shù)，一般取1.5左右；Idmin—最小的短路電流值。

大電流脫扣保護的整定依據(jù)主要是短路電流值和最大饋線電流值。以牽引整流機組容量為 3000kW 的直流 1500V 牽引供電系統(tǒng)為例，其遠端短路電流一般不低于 20kA，最大饋線電流一般不超過 3kA， 而大電流脫扣保護整定范圍一般為4～12kA，整定值通常在 6kA 以上。按每列車前后兩端各設一個受電弓，列車的最大啟動電流 3kA 考慮，當列車前端受電弓通過圖1中節(jié)點 A 時，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，也不會超過 3kA，因此不會影響大電流脫扣保護動作的可靠性。

（二）di/dt 電流上升率及電流增量保護（DDL）

直流系統(tǒng)短路具有短路電流上升速度快， 短路電流大的特點，因此，di/dt 電流上升率及電流增量保護是直流系統(tǒng)重要的保護。

（1）DDL 保護為接觸網(wǎng)中、遠端保護，在牽引變電所近端短路時，該保護無法動作，即不能作為大電流脫扣的后備保護。

（2）DDL 保護分為 DDL+ΔI 與 DDL+ΔT保護，該保護通過分析饋線電流增量 ΔI 及時間t的關系來判斷故障。

保護不間斷監(jiān)測直流饋線電流If及電流變化率di/dt。當電流變化率 di/dt 高于設定值E時，該保護啟動；如電流變化率 di/dt 低于F且未有跳閘出口，則DDL保護停止。

如果測量到的電流增量 ΔI 高于參數(shù)設定 ΔImax 的時間大于或等于參數(shù) tΔImax，則 DDL+ΔI 保護動作，同時跳閘信號啟動。若保護出口動作前檢測到電流變化率 di/dt 低于 F，則整個保護復歸，相關參數(shù)清零。

如果 Δt 的測量值高于參數(shù) Tmax，同時 ΔI 的測量值高于參數(shù) ΔImin，則 DDL+ΔT 保護動作，同時跳閘信號啟動。 若保護出口動作前檢測到電流變化率 di/dt 低于 F， 則整個保護復歸，相關參數(shù)清零。

（三）電流保護（Imax+、Imax++）

由于 DDL 保護動作范圍在E值與F值之間，且無法作為大電流脫扣保護的后備。如果短路故障發(fā)生在E與機車di/dt之間時，DDL 保護便起不到保護作用。此時只能啟動電流保護，即電流保護用作上述兩種保護的后備保護，主要通過分析饋線電流識別故障。

SEPCOS-NG電流保護分為定時限過流保護（Imax+）和電流速斷保護（Imax++）。電流速斷保護（Imax++）作為直流短路近端保護的主保護， 按牽引變電所近端短路時流過饋線斷路器的最小短路電流進行整定。

保護裝置不間斷監(jiān)測當前電流最大值。如果該電流大于整定值并超過整定時間，保護啟動與相應輸出激活。如電流小于整定值則保護返回。

（四）低電壓保護

用于機車的正常工作電壓保護。按機車運行所允許的最低工作電壓考慮， 時間應大于交流側可能出現(xiàn)的故障投切造成的停電間隔，還應考慮作為其它饋線保護的后備保護。

保護裝置不斷檢測饋線電壓，如饋線電壓低于 UlMin 且延時時間大于等于 TULMin，則保護出口。

（五）熱過負荷保護

該保護主要用于接觸網(wǎng)的熱過負荷保護。當系統(tǒng)電流 di/dt 值小于機車 di/dt值時，由于保護已無法區(qū)分與正常負荷電流相當?shù)亩搪冯娏鳎?或長期持續(xù)超過接觸網(wǎng)的耐受電流值時，用熱過負荷作為接觸網(wǎng)的保護。

熱過負荷保護以流過饋出線電纜和接觸網(wǎng)的電流計算接觸網(wǎng)的發(fā)熱量，再根據(jù)接觸網(wǎng)的熱負荷特性、環(huán)境條件等，得出接觸網(wǎng)的饋線溫度進行整定。

（六）框架泄漏保護

框架泄漏保護是針對直流設備特性而特別設置的， 其原理是當直流設備的正極對柜體外殼發(fā)生絕緣損壞時， 快速切除故障，保證系統(tǒng)安全運行。 框架泄漏保護分為電流保護和電壓保護。

直流設備正常運行時，電流檢測回路是沒有電流通過的。當直流設備的正極對柜體外殼發(fā)生絕緣損壞時， 電流通過電流元件流入地網(wǎng)。當電流達到整定值時，框架泄漏保護的電流元件動作， 整流機組 35kV 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經(jīng) 4S 延時，即可通過 PSCADA遠方復歸故障信號或在變電所內(nèi)由人工復歸故障信號后投入該斷路器。故障變電所不能通過 PSCADA 遠方復歸故障信號，必須在現(xiàn)場故障排除以后，由人工復歸故障信號，各斷路器才能重新投入。

框架泄漏保護的電壓元件根據(jù)人體耐受電壓-時間特性曲線進行整定，其由兩段組成：Ⅰ段報警，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，電壓元件作為電流元件的后備保護。由于鋼軌對地的泄漏電阻大小不可控， 若鋼軌對地絕緣良好，接地電流較小，電流元件有可能不動作，此時電壓元件可以檢測到故障發(fā)生時大地對鋼軌的電壓差，從而引發(fā)保護動作。但是在排流柜投入使用時，應將電壓元件撤除。

（七）雙邊聯(lián)跳保護

為了更加安全地向接觸網(wǎng)供電， 地鐵供電系統(tǒng)還設置了雙邊聯(lián)跳保護，確保在故障情況下，相鄰變電所可靠跳閘。正常情況下， 兩相鄰牽引變電所同時向同一段接觸網(wǎng)供電。故障發(fā)生時，保護單元檢測到保護動作信號，則會通過硬結點向相鄰變電所對應直流開關發(fā)送跳閘信號， 從而引發(fā)該直流開關跳閘。

（八）自動重合閘？

當直流系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時，保護裝置動作，待短路故障排除后需將斷路器進行合閘才能使系統(tǒng)恢復運行。通常直流牽引網(wǎng)的短路故障都具有瞬時性特點，當故障排除以后供電系統(tǒng)應能在短時間內(nèi)快速恢復供電。自動重合閘正好能夠滿足此項要求。其動作原理為：自動重合閘的基本功能是在排除直流牽引網(wǎng)的瞬時性故障后使斷路器重新合閘，保證系統(tǒng)恢復供電的可靠性與高效性。自動重合閘應保證自身不存在任何故障，以避免斷路器因分合閘次數(shù)過多而大致壽命縮短，或造成斷路器主觸頭損壞，所以在重合閘前應先測試故障線路，保障故障排除后再進行合閘。如果重合閘次數(shù)高于整定值，則將故障診斷為系統(tǒng)永久性故障，將重合閘回路關閉。

在自動重合閘中，若線路故障診斷為永久性故障則重合閘不發(fā)生動作；若變電所是被聯(lián)跳分閘，則應先將變電所合閘再開啟重合閘；若是手動分閘，則自動重合閘不發(fā)生動作。

三、結束語

目前，地鐵供電系統(tǒng)配置的各種直流保護，基本上能夠快速、準確切除大多數(shù)短路故障，但小電流短路故障與正常運行電流仍不易區(qū)分，可能導致以上各種保護均無法正確動作。這就需要對該種情況進行大量的分析研究， 從而使其能夠準確地被保護裝置所識別。

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