劉勝祥

摘 要：地鐵牽引網(wǎng)是直流牽引供電系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)，加強(qiáng)牽引網(wǎng)運(yùn)行保護(hù)視為改善地鐵運(yùn)輸安全。目前，直流牽引網(wǎng)中經(jīng)常出現(xiàn)未知產(chǎn)生機(jī)理的振蕩電流，雖然不是故障電流但其頻繁造成饋線主保護(hù)誤動(dòng)，并已嚴(yán)重影響到行車安全。因此，有必要在詳細(xì)分析該振蕩電流本質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，研究出一種能高時(shí)效躲避振蕩電流的新型牽引網(wǎng)饋線保護(hù)方法。

關(guān)鍵詞：地鐵牽引網(wǎng);饋線保護(hù);DDL;振蕩閉鎖

1 緒論

1.1 背景及意義

城市交通是城市經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的生命線，世界各大城市歷來(lái)高度關(guān)注所轄區(qū)內(nèi)的公共交通問(wèn)題。地鐵的“公交化”運(yùn)行方式和傳統(tǒng)習(xí)慣導(dǎo)致地鐵牽引網(wǎng)具有如下運(yùn)行特點(diǎn)：1）牽引負(fù)荷是典型的間歇式負(fù)荷（負(fù)荷的有功功率變動(dòng)量ΔP與有功功率P相等）;2）較高的故障率;3）較大的負(fù)荷電流，且負(fù)荷電流與牽引網(wǎng)末端的短路電流幾乎相等[1]。牽引網(wǎng)永久性短路的威脅性極大且無(wú)備份，這對(duì)牽引網(wǎng)饋線保護(hù)提出極高的要求，因而通過(guò)理論研究及技術(shù)分析來(lái)完善地鐵牽引網(wǎng)主保護(hù)，對(duì)保障地鐵的運(yùn)行安全至關(guān)重要。

1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

為保障地鐵運(yùn)輸安全，通常為地鐵牽引網(wǎng)配置了多種保護(hù)措施，其中大電流脫扣保護(hù)和DDL保護(hù)（di/dt-Δi組合保護(hù)）都是主保護(hù)，分別用于牽引網(wǎng)近端保護(hù)和中遠(yuǎn)端保護(hù)。DDL保護(hù)是所有保護(hù)的核心，其理論基礎(chǔ)為：牽引網(wǎng)短路瞬間，短路電流表現(xiàn)為一階RL電路的零狀態(tài)響應(yīng)。這說(shuō)明牽引網(wǎng)短路電流在幅值特征上可能接近于常見(jiàn)負(fù)荷電流，但其上升率遠(yuǎn)大于常見(jiàn)負(fù)荷電流，因此DDL保護(hù)在躲開(kāi)常見(jiàn)負(fù)荷電流上非常有效。

2 地鐵牽引供電系統(tǒng)及其饋線保護(hù)

2.1 地鐵牽引供電系統(tǒng)

地鐵牽引供電系統(tǒng)臨近生活區(qū)和辦公區(qū)，為保障居民和乘客的人身安全，地鐵和輕軌在最初選擇了低壓直流供電制式。直流牽引變電所和城市電網(wǎng)之間，一般需要再設(shè)置主降壓變電站（Main Step-down Substation），其功能是將城市電網(wǎng)所提供的高壓交流電降低到適合直流牽引變電所需要的電壓。

2.2 牽引網(wǎng)饋線保護(hù)的基本任務(wù)與要求

（1）基本任務(wù)。牽引網(wǎng)饋線保護(hù)的基本任務(wù)是：能夠快速準(zhǔn)確識(shí)別牽引網(wǎng)故障，向臨近故障點(diǎn)的牽引變電所發(fā)出告知信號(hào)，且有選擇性的將故障線路從地鐵牽引供電系統(tǒng)中切除，以確保非故障線路區(qū)段能正常供電。

（2）基本要求。地鐵牽引網(wǎng)是特殊的配電線路，其饋線保護(hù)的基本要求需滿足“3S+1R”要求：選擇性（Selectivity）、速動(dòng)性（Speed）、靈敏性（Sensitivity）和可靠性（Reliability），工程上稱為繼電保護(hù)“四性”。

2.3 現(xiàn)行的地鐵牽引網(wǎng)饋線保護(hù)

（1）大電流脫扣保護(hù)。大電流脫扣保護(hù)是直流快速斷路器（毫秒級(jí)動(dòng)作時(shí)間）自帶的本體保護(hù)，其功能是采用電磁脫扣的原理切斷牽引網(wǎng)近端的大短路故障電流。大電流脫扣保護(hù)的理論基礎(chǔ)是供電區(qū)段發(fā)生近端短路時(shí)，其電流很大。由于牽引網(wǎng)近端短路故障時(shí)，如接觸軌對(duì)走行軌的直接金屬短路，其產(chǎn)生的大電流會(huì)對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)造成巨大損害，因此，要求大電流脫扣保護(hù)必須在短路電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)值前盡早切除故障[2]。

（2）DDL保護(hù)。地鐵牽引網(wǎng)饋線DDL保護(hù)，工程稱為電流變化率di/dt和電流增量組合保護(hù)，是一種反映電流變化趨勢(shì)的暫態(tài)保護(hù)。DDL保護(hù)被視為地鐵牽引網(wǎng)的核心保護(hù)，其中di/dt保護(hù)和保護(hù)的作用分別是消除線路中遠(yuǎn)端和中近端短路故障。DDL保護(hù)的理論依據(jù)是：1）牽引網(wǎng)短路暫態(tài)模型是一階RL串聯(lián)電路的零狀態(tài)響應(yīng);2）牽引網(wǎng)短路電流的di/dt至少高于負(fù)荷電流1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)保護(hù)啟動(dòng)后，二者分別進(jìn)入自己的延時(shí)階段（即相互獨(dú)立），哪個(gè)保護(hù)先達(dá)到預(yù)定的動(dòng)作條件就由它來(lái)動(dòng)作。

（3）過(guò)流保護(hù)。過(guò)流保護(hù)是一種根據(jù)電流大小變化而產(chǎn)生的保護(hù)方式。通過(guò)預(yù)先設(shè)定電流Imax和時(shí)間T值，然后將檢測(cè)得出的結(jié)果進(jìn)行比較分析，如果該數(shù)值在固定的時(shí)間內(nèi)超過(guò)Imax時(shí)，過(guò)流保護(hù)裝置則開(kāi)始運(yùn)行，否則該保護(hù)裝置不動(dòng)作。

該保護(hù)是主保護(hù)的后備保護(hù)，主要功能是切除遠(yuǎn)端短路故障，保護(hù)啟動(dòng)需設(shè)定正方向的數(shù)值與負(fù)方向的數(shù)值兩種情況。

（4）雙邊聯(lián)跳保護(hù)。雙邊聯(lián)跳保護(hù)是指兩個(gè)向同一段接觸網(wǎng)供電的相鄰變電所的保護(hù)裝置之間的在發(fā)生短路故障時(shí)的相互跳閘保護(hù)。先檢測(cè)到故障的保護(hù)裝置跳閘的同時(shí)向同為該區(qū)段供電的相鄰變電所的保護(hù)裝置發(fā)出聯(lián)跳信號(hào)，使其跳閘。利用這個(gè)裝置可以將電流安全地運(yùn)輸至接觸網(wǎng)，增強(qiáng)主保護(hù)的可靠性和靈敏性。

2.4 饋線保護(hù)的可靠性

隨著牽引負(fù)荷不斷提升，車輛啟動(dòng)電流（最大負(fù)荷電流）和牽引網(wǎng)遠(yuǎn)端短路電流的特征差異逐漸減小。但是，錄波數(shù)據(jù)表明牽引網(wǎng)短路電流的變化率是啟動(dòng)電流的數(shù)百倍，因而現(xiàn)行的DDL保護(hù)能夠可靠區(qū)分牽引網(wǎng)短路電流和常見(jiàn)負(fù)荷電流。隨著牽引功率的增大、行車組織多樣化以及車輛多種電氣控制技術(shù)的應(yīng)用，地鐵牽引網(wǎng)中時(shí)常出現(xiàn)短時(shí)發(fā)散型振蕩電流。

3 牽引網(wǎng)電流波形及新型保護(hù)算法

3.1 地鐵牽引網(wǎng)饋線電流及其特征分析

3.1.1 系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)饋線電流波形

牽引供電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)饋線電流具有如下特點(diǎn)：

（1）饋線電流值有正有負(fù)，電流為正時(shí)車輛處于牽引狀態(tài)，而電流為負(fù)時(shí)車輛處于再生制動(dòng)狀態(tài)。

（2）負(fù)荷電流波動(dòng)較大，但其電流變化率比短路電流高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

3.1.2 系統(tǒng)振蕩時(shí)饋線電流波形

牽引供電系統(tǒng)振蕩時(shí)的饋線電流波形具有如下特點(diǎn)：

（1）振蕩起始點(diǎn)始終在電流的負(fù)值處，這與機(jī)車的能量回饋有關(guān)。

（2）振蕩初期，饋電電流波形與短路電流波形相近。

（3）振蕩電流是連續(xù)變化的，沒(méi)有明顯的瞬時(shí)突變點(diǎn)。

（4）振蕩初期電流幅值變化較小，隨后會(huì)迅速發(fā)展成幅值較大且發(fā)散的振蕩電流。

3.1.3 牽引網(wǎng)短路時(shí)饋線電流波形

地鐵牽引網(wǎng)短路時(shí)饋線電流具有如下特點(diǎn)：

（1）地鐵牽引網(wǎng)短路后瞬間，電流值迅速上升，并快速達(dá)到穩(wěn)定值。

（2）地鐵牽引網(wǎng)短路前，電流處于相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)。

（3）短路電流存在明顯突變點(diǎn)，表明短路電流存在豐富的諧波分量。

3.2 高階統(tǒng)計(jì)量算法基礎(chǔ)

系統(tǒng)振蕩和牽引網(wǎng)短路最大的區(qū)別在于供電回路中是否包含軌道車輛。牽引網(wǎng)短路等同于軌道車輛退出供電回路，而系統(tǒng)振蕩等同于供電系統(tǒng)和軌道車輛共同諧振，顯然牽引網(wǎng)短路具有更大的電流幅值增量和電流變化率。高階統(tǒng)計(jì)量中偏度和峰度參數(shù)是刻畫(huà)樣本點(diǎn)變化和分布規(guī)律的重要工具，將其引入到暫態(tài)保護(hù)算法中，必將改善暫態(tài)保護(hù)算法對(duì)不同波形的識(shí)別能力。

3.3 相關(guān)短路參數(shù)的計(jì)算

受設(shè)備安全和實(shí)驗(yàn)條件所限，現(xiàn)場(chǎng)短路實(shí)驗(yàn)時(shí)很難得到穩(wěn)態(tài)短路電流值，尤其是大短路電流。直流快速開(kāi)關(guān)標(biāo)稱出的極限分?jǐn)嗄芰?，不是最大電流的分?jǐn)嗄芰?，而是接近穩(wěn)態(tài)時(shí)的短路電流分?jǐn)嗄芰?。直流低壓大電流的供電制式，不僅決定DDL能快速診斷出線路故障，而且饋線開(kāi)關(guān)柜必須采用毫秒級(jí)的直流快速開(kāi)關(guān)，因而現(xiàn)場(chǎng)只能抓拍到短路電流的局部示波圖。

4 結(jié)論

本文中結(jié)合了目前地鐵饋線保護(hù)所應(yīng)用的保護(hù)系統(tǒng)和相關(guān)保護(hù)設(shè)計(jì)，針對(duì)地鐵饋線的故障情況做出了地鐵饋線保護(hù)設(shè)計(jì)。總結(jié)全文，具體結(jié)論如下：

（1）對(duì)現(xiàn)有的地鐵牽引網(wǎng)饋線保護(hù)方法進(jìn)行分析和比對(duì)，分析了系統(tǒng)振蕩電流使得牽引網(wǎng)饋線保護(hù)系統(tǒng)頻繁誤動(dòng)的原因。

（2）分析了地鐵牽引網(wǎng)供電系統(tǒng)在系統(tǒng)不同工況下的狀態(tài)電流，即振蕩電流和故障電流的不同特征，并進(jìn)一步提取電流波形特征。基于此，提出一種組合DDL算法與高階統(tǒng)計(jì)量算法的算法。

（3）完成了對(duì)地鐵牽引網(wǎng)饋線保護(hù)的設(shè)計(jì)。該保護(hù)算法經(jīng)過(guò)地鐵牽引網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，能夠快速、準(zhǔn)確、可靠的識(shí)別牽引網(wǎng)故障;而且在工程應(yīng)用方面，其原理明確、算法簡(jiǎn)便，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

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