李海翔

（福州地鐵集團(tuán)有限公司，福建 福州350000）

饋線作為地鐵供電系統(tǒng)中充當(dāng)信息傳輸功能線路，若直流牽引供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題，極易影響地鐵供電均衡性，致使地鐵無法保持穩(wěn)定的行進(jìn)秩序。據(jù)此，應(yīng)結(jié)合地鐵交通工具行車特征與系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律，制定科學(xué)的饋線保護(hù)方案，善于運(yùn)用多元化饋線保護(hù)技術(shù)，維持供電系統(tǒng)運(yùn)行安全，實(shí)現(xiàn)地鐵領(lǐng)域長遠(yuǎn)發(fā)展。

1 地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的特點(diǎn)與配置原則

1.1 特點(diǎn)

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)包含架空接觸網(wǎng)以及牽引變電站等結(jié)構(gòu)，具體細(xì)節(jié)如圖1 所示，因其連通地鐵，且具備獨(dú)立性，不容易受到外界干擾而引發(fā)地鐵營運(yùn)故障，故而在地鐵行駛期間發(fā)揮著重要作用。而針對供電系統(tǒng)饋線實(shí)施有效保護(hù)，能夠適當(dāng)降低誤動(dòng)率。同時(shí)，饋線保護(hù)還具有高變化率特征，即地鐵在其行進(jìn)過程中，最高電流變化率將呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢，而在饋線延長階段，故障電流變化率與電流變化率極限值比較略低。因此，饋線保護(hù)有利于維持供電系統(tǒng)平穩(wěn)。

圖1 地鐵直流牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 原則

在地鐵直流牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部配置饋線保護(hù)裝置或應(yīng)用饋線保護(hù)技術(shù)時(shí)，需秉承以下原則：第一，簡潔化，一般而言供電系統(tǒng)易發(fā)生短路故障、過流過壓故障、超負(fù)荷故障等。一旦發(fā)生故障，將導(dǎo)致地鐵出現(xiàn)故障障礙，以此影響正常運(yùn)營秩序。而在短路故障中，要求饋線保護(hù)技術(shù)的實(shí)施能夠高效的處理故障問題，促使供電系統(tǒng)及時(shí)恢復(fù)供電性能。故而要求饋線保護(hù)裝置的配置更加簡潔，避免加大地鐵系統(tǒng)維修方成本，又或是加大難度；第二，均衡性，饋線保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用具體是為了實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)傳輸信號的順暢性。因此，在為饋線保護(hù)中，還應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合供電系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律，為其選擇適宜的饋線保護(hù)方法，在均衡配合的條件下，保證供電系統(tǒng)故障問題能夠得到妥善解決?；诖?，饋線保護(hù)應(yīng)從上述兩個(gè)方向，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，使其持續(xù)獲得電能，以免因系統(tǒng)故障，干擾正常的地鐵調(diào)度。同時(shí)，還應(yīng)結(jié)合故障類型給出對應(yīng)的預(yù)警，提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性[1]。

2 地鐵直流牽引供電系統(tǒng)饋線保護(hù)技術(shù)要點(diǎn)

2.1 大電流脫扣保護(hù)技術(shù)

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中應(yīng)用饋線保護(hù)技術(shù)時(shí)，其中大電流脫扣保護(hù)指的是在系統(tǒng)中形成短路故障時(shí)，立即借助斷路器中的脫扣器，實(shí)現(xiàn)饋線中斷，以此保證斷路器在跳閘狀態(tài)下，免受危害。事實(shí)上，之所以要在供電系統(tǒng)中應(yīng)用饋線保護(hù)技術(shù)，主要是為了妥善應(yīng)對短路故障、超負(fù)荷以及過壓故障等。因其發(fā)生故障后，會對供電系統(tǒng)帶來破壞，致使地鐵無法獲取持續(xù)穩(wěn)定的供電電能，由此影響正常的運(yùn)行秩序。例如短路故障中，在正負(fù)極短路或者正極與大地短路故障中，會形成超高電流，出現(xiàn)供電不穩(wěn)定狀況[3]。一般在大電流脫扣保護(hù)技術(shù)中需要搭配脫扣器裝置，實(shí)現(xiàn)電流值的合理控制，一旦超出額定值，脫扣器將進(jìn)入啟動(dòng)環(huán)節(jié)，并在其操作下促使斷路器發(fā)生跳閘。至于額定值的確定往往需要結(jié)合短路試驗(yàn)以及相關(guān)計(jì)算得出具體值，且一般在地鐵常規(guī)啟動(dòng)電流與短路電流極限值之間。假設(shè)地鐵供電系統(tǒng)中的變壓器容量為1000kVA，短路試驗(yàn)中的短路電壓6%，其線路長度為100m。此時(shí)針對短路故障進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)其電流值判定斷路器脫扣器中需要達(dá)到的電流限定標(biāo)準(zhǔn)，即漏極電流與出線開關(guān)電流比值，并且參照下列關(guān)系式知曉脫扣保護(hù)原理：

其中Idz、k、Idmin分別代表的是最大脫扣保護(hù)動(dòng)作電流、可靠性系數(shù)、短路最小保護(hù)電流。計(jì)算后可確定供電系統(tǒng)線路中在其瞬時(shí)電流超過可允許通過電流時(shí)，會立即啟動(dòng)脫扣器，由此達(dá)到饋線保護(hù)目的。

2.2 過流保護(hù)技術(shù)

過流保護(hù)也是為了有效實(shí)現(xiàn)短路故障下傳輸線的合理化保護(hù)，避免出現(xiàn)超高電流，致使系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障或引發(fā)更嚴(yán)重的問題。其中過流保護(hù)技術(shù)具體是采用延時(shí)保護(hù)與無延時(shí)保護(hù)兩種方式，實(shí)施饋線保護(hù)。其中與上述提到的脫扣保護(hù)技術(shù)具有一定的相似性，也是在電流高于額定值后，饋線開關(guān)將顯示啟動(dòng)狀態(tài)。而無延時(shí)保護(hù)實(shí)踐中無需設(shè)定延時(shí)動(dòng)作，且在電流超過安全范圍后，立即給出反饋，且保護(hù)定值略大。在演示過流保護(hù)技術(shù)操作中，常需要滿足下列不等式：

i＞Idtm

其中Idtm指的是允許通過最大電流值，i 為電路通行電流。

在系統(tǒng)中形成的電力數(shù)值在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)高于最大允許范圍，則啟動(dòng)繼電保護(hù)裝置，此時(shí)斷路器也會出現(xiàn)跳閘，以此消除短路故障。此外，在過流保護(hù)技術(shù)中還可搭配信息化饋線保護(hù)裝置，在保護(hù)模塊控制芯片以及電源監(jiān)控部件的輔助下，促使供電系統(tǒng)饋線保護(hù)展現(xiàn)出真正價(jià)值，且效率更高，此種信息化保護(hù)手段的操作流程，如圖2 所示。通過對系統(tǒng)中的電流值進(jìn)行采集，之后判定系統(tǒng)流經(jīng)電流是否超過安全范圍，此時(shí)可憑借判定結(jié)果決定是否啟動(dòng)饋線保護(hù)功能，這樣才能更加全面的實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)饋線的高效保護(hù)，其技術(shù)水平更高。

圖2 饋線保護(hù)裝置設(shè)計(jì)流程圖

2.3 電流增量保護(hù)技術(shù)

電流增量保護(hù)技術(shù)是采用電流上升率設(shè)定的方式，促使供電系統(tǒng)運(yùn)行期間，結(jié)合電流上升率的具體變化情況確定是否響應(yīng)饋線保護(hù)工作，一般對于短路故障較為適用。而在此項(xiàng)饋線保護(hù)技術(shù)中應(yīng)當(dāng)參照下列關(guān)系式判定是否啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作：

I 為電流，T 為時(shí)間，t 為電流上升率保護(hù)啟動(dòng)時(shí)刻。

隨著電流增量的調(diào)整，確定此時(shí)是否需要開啟饋線保護(hù)裝置。

此外，此種保護(hù)技術(shù)與電流上升率保護(hù)基本相同。其中在電流上升率饋線保護(hù)技術(shù)中，饋線保護(hù)裝置啟動(dòng)的唯一條件即為電流變化率超過定值，并且根據(jù)地鐵運(yùn)行時(shí)間的延長，電流上升率隨著自身降低，而逐漸恢復(fù)原有狀態(tài)，此時(shí)也將自動(dòng)返回饋線保護(hù)功能。因此，在饋線保護(hù)中的靈活性更加突出，但應(yīng)控制好引發(fā)故障的時(shí)間節(jié)點(diǎn)指標(biāo)，避免發(fā)生安全事故。

2.4 定時(shí)限過流保護(hù)技術(shù)

在地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行期間，饋線保護(hù)還可運(yùn)用定時(shí)限過流保護(hù)，實(shí)現(xiàn)故障遠(yuǎn)程切除，避免因饋線保護(hù)響應(yīng)周期較長，引起不必要的麻煩。其中定時(shí)限過流保護(hù)是結(jié)合饋線最大負(fù)荷設(shè)定電流整定值。隨著動(dòng)作延時(shí)的持續(xù)，地鐵可在其啟動(dòng)或制動(dòng)期間不引起饋線保護(hù)動(dòng)作，這樣才能相應(yīng)減少誤操作現(xiàn)象。例如某地區(qū)的電流整定值設(shè)計(jì)在3kA，且具有長達(dá)30s 的延時(shí)。在供電系統(tǒng)運(yùn)行中，若電流超過整定值的時(shí)間達(dá)到了30s，此時(shí)將啟動(dòng)饋線保護(hù)動(dòng)作。若未達(dá)到30s 延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，則視為未發(fā)生短路故障，也不會引起斷路器跳閘。因此，定時(shí)限過流保護(hù)在地鐵直流牽引供電系統(tǒng)饋線保護(hù)中，其適用范圍廣泛，利用延時(shí)達(dá)到精準(zhǔn)化饋線保護(hù)目的，防止頻繁誤動(dòng)，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.5 框架泄漏保護(hù)技術(shù)

在地鐵供電系統(tǒng)中所發(fā)生的框架故障主要體現(xiàn)在開關(guān)設(shè)備柜處，在其出現(xiàn)過流現(xiàn)象時(shí)，會隨著電流驟增，導(dǎo)致開關(guān)設(shè)備規(guī)出現(xiàn)損壞風(fēng)險(xiǎn)。因此，針對框架泄露進(jìn)行饋線保護(hù)時(shí)，則從專門針對此處短路故障，提供必要的饋線保護(hù)，以此保證開關(guān)設(shè)備柜狀態(tài)良好。首先，需要加強(qiáng)電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測，判斷是否出現(xiàn)電流變化，一旦超出事先設(shè)定好的電流標(biāo)準(zhǔn)范圍，則啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，用于對電力設(shè)備連接導(dǎo)線實(shí)施可靠的保護(hù)。若在其運(yùn)行過程中，供電系統(tǒng)未在監(jiān)測環(huán)節(jié)出現(xiàn)過流現(xiàn)象，而設(shè)備開關(guān)柜出現(xiàn)異常，此時(shí)應(yīng)當(dāng)將產(chǎn)生的電流導(dǎo)入地下，即連接接地網(wǎng)，由此產(chǎn)生輔助效果，加快饋線保護(hù)啟動(dòng)速度，直到斷路器跳閘，才能真正達(dá)到饋線保護(hù)目的，也能防止后續(xù)損壞加重。

2.6 低電壓保護(hù)技術(shù)

地鐵供電系統(tǒng)中除了因電流引發(fā)的短路故障外，還包含電壓故障。據(jù)此，應(yīng)在系統(tǒng)饋線保護(hù)中應(yīng)用低電壓保護(hù)技術(shù)。其中滿足饋線保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)條件為：可允許最低電壓產(chǎn)生時(shí)間高于系統(tǒng)中斷時(shí)間，在其出現(xiàn)故障時(shí)，若持續(xù)時(shí)長低于最低電壓工作周期，將進(jìn)入低電壓保護(hù)環(huán)節(jié)，確保故障出現(xiàn)以后，能夠借此對其它饋線進(jìn)行有效保護(hù)。

在U＜Umin時(shí)，U 為系統(tǒng)輸出電壓，Umin為最小電壓。供電系統(tǒng)饋線保護(hù)環(huán)節(jié)將呈現(xiàn)出延時(shí)趨勢，且始終將輸出電壓控制在最小電壓范圍內(nèi)，并給出啟動(dòng)饋線保護(hù)動(dòng)作的信號，用于保證供電系統(tǒng)傳輸信號通暢。基于此，地鐵要想在行進(jìn)階段保持穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)針對供電系統(tǒng)實(shí)施饋線保護(hù)，根據(jù)不同故障進(jìn)行有效處理，便于優(yōu)化地鐵供電系統(tǒng)性能。

3 結(jié)論

綜上所述，地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中，若能應(yīng)用饋線保護(hù)技術(shù)，可有利于強(qiáng)化地鐵運(yùn)營效果，維持系統(tǒng)穩(wěn)定性。據(jù)此，應(yīng)從大電流脫扣保護(hù)、過流保護(hù)、電流增量保護(hù)、定時(shí)限過流保護(hù)、框架泄漏保護(hù)、低電壓保護(hù)等技術(shù)手段，促使供電系統(tǒng)在饋線保護(hù)技術(shù)輔助下，保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，繼而保障地鐵平穩(wěn)行進(jìn)。