金海奇，張向軍

0 引言

近年來隨著城市規(guī)模的擴大，為緩解城市交通擁堵，速度快、運量大、污染小、不堵車的城市軌道交通得到迅速發(fā)展。軌道交通的電力牽引網(wǎng)為機車提供動能，是軌道交通系統(tǒng)重要的組成部分。

目前，國內(nèi)城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)多采用直流供電，通過接觸網(wǎng)或接觸軌向機車供電，利用機車的走行軌回流[1]。然而，采用走行軌實現(xiàn)回流的供電方式，部分牽引電流會通過走行軌進入道床形成雜散電流，對走行軌及其沿線的金屬設備產(chǎn)生腐蝕，進而影響地鐵建筑結構和金屬設備的使用壽命。為抑制雜散電流腐蝕的影響，傳統(tǒng)的處理方法通常采用堵、排、測3種主要手段，但是隨著時間推移，在潮濕、金屬粉塵（閘瓦制動）等因素的影響下，這些常規(guī)防護措施的效果日益衰減。為了根本解決雜散電流問題，國內(nèi)部分地鐵線路采用專用軌回流牽引供電系統(tǒng)[2，3]，即設置專用的負極軌用于回流，負極回流軌對地具有良好的絕緣性能，可以基本杜絕雜散電流的產(chǎn)生。然而，負極回流軌良好的對地絕緣也極大地限制了故障電流的快速增加，傳統(tǒng)的直流保護無法實現(xiàn)正極接地故障的判斷和隔離。

本文以專用軌回流牽引供電系統(tǒng)為研究對象，介紹現(xiàn)有專用軌回流牽引供電系統(tǒng)的保護配置方案，分析現(xiàn)有保護配置方案對正極接地短路故障保護存在的問題；提出基于正負饋線差流以及正饋線電流方向的正極接地故障保護策略，并設計保護方案；通過 Matlab/Simulink仿真系統(tǒng)，模擬正常運行方式以及正極接地故障工況，對所提的保護策略進行驗證。

1 現(xiàn)有專用軌回流牽引供電系統(tǒng)保護方案

目前，直流牽引供電系統(tǒng)的保護策略主要針對走行軌回流牽引供電系統(tǒng)，由于走行軌與大地之間的絕緣電阻較小，任何類型故障下均可以產(chǎn)生較大的故障電流，因此常規(guī)的大電流脫扣保護、上升率保護可以快速識別出系統(tǒng)故障，實現(xiàn)故障的及時切除和隔離。然而，專用軌回流牽引供電系統(tǒng)中負極回流軌具有良好的對地絕緣特性，使得正極接地故障回路中的阻值極大，幾乎無法產(chǎn)生用于故障識別的電流。為此，現(xiàn)有的專用軌回流牽引供電系統(tǒng)通常會在牽引變電所內(nèi)設置負母線接地回路[4]。該接地回路由接地電阻、逆流二極管、電壓繼電器等元器件組成，如圖1所示，其中接地電阻通常為5 Ω的小電阻，電壓繼電器的動作門檻通常設定為200 V。正常運行條件下，系統(tǒng)中的泄漏電流在接地電阻上產(chǎn)生的壓降遠小于電壓繼電器的整定值，接地電阻將負極電位拉到地電位。當正極接地故障發(fā)生時，接地電阻雖然一定程度上限制了故障電流，使得常規(guī)的大電流脫扣保護、上升率保護依然無法動作，但是故障電流可以通過接地電阻流回負極，導致接地電阻產(chǎn)生較大的壓降，與其并聯(lián)的電壓繼電器動作將故障切除。

圖1 負母線接地回路

對于專用軌回流牽引供電系統(tǒng)的不同類型的故障，現(xiàn)有的保護方案是根據(jù)電流幅值采用不同的策略。當發(fā)生正負極短路故障時，產(chǎn)生的故障電流達到8 kA左右，變電所內(nèi)直流饋線所配置的大電流脫扣保護、電流上升率保護等常規(guī)保護動作將故障切除。當發(fā)生正極接地故障時，故障電流通過負母線接地回路中的逆流二極管返回負極，當電阻壓降達到電壓繼電器的保護動作門檻，電壓繼電器動作將故障切除。

2 現(xiàn)有保護方案存在問題分析

根據(jù)上文的介紹可知，在專用軌回流牽引供電系統(tǒng)中，各個牽引變電所內(nèi)均會配置負母線接地回路，用于正極接地故障的切除。當正極接地故障發(fā)生時，故障點周圍的地電位會迅速抬升，由于各個牽引變電所內(nèi)的負極母線均通過逆流二極管和接地電阻與大地相連，因此大地電位的抬升可能會造成與故障點鄰近的牽引變電所內(nèi)的逆流二極管同時正向?qū)?，進而引起與該牽引變電所內(nèi)的電壓繼電器同時動作，實現(xiàn)故障的切除和隔離。

若正極接地故障發(fā)生時，僅引起故障區(qū)段兩端牽引變電所內(nèi)的電壓繼電器動作，不僅可以有效地切除正極接地故障，而且為故障后的快速恢復提供條件。然而，地鐵線路中各個牽引所之間的距離通常較短（2～3 km），正極接地故障可能會引起故障點鄰近的多個牽引所內(nèi)的接地繼電器同時動作，不僅會造成多個供電區(qū)段同時失電，引起大面積的停電，而且使得故障區(qū)段的定位十分困難，極大地延誤牽引供電系統(tǒng)的恢復，擾亂正常的行車秩序，造成較大的經(jīng)濟和社會損失。圖2所示為正極接地故障下流過負母線接地回路電流，圖中紅色實線為流過負母線接地回路的電流。

圖2 正極接地故障下流過負母線接地回路電流

3 基于正負饋線電流的正極接地故障保護

3.1 正極接地故障保護策略

對于專用軌回流牽引供電系統(tǒng)，正常運行時，機車的負荷電流從整流器的正極流出，經(jīng)過正饋線、正極接觸軌（網(wǎng)）、機車、負極回流軌以及負饋線，流回整流器的負極，如圖3所示，圖中藍色實線為機車負荷電流。正常運行時，牽引變電所內(nèi)正、負饋線的電流大小基本相等。根據(jù)上文的分析可知，當正極接地故障發(fā)生時，故障電流會從整流器的正極流出，經(jīng)過正饋線、正極接觸軌（網(wǎng)）、故障點、大地、負母線接地回路，流向整流器的負極，圖3中紅色實線為正極接地故障電流?？梢钥闯觯噍^于正常運行工況，故障電流不經(jīng)過負饋線，導致正極接地故障發(fā)生時正、負饋線之間的電流幅值不相等，會產(chǎn)生較大的電流差值。為此，本文提出利用橫向正、負饋線的電流差值判斷正極接地故障，通過實時采集正、負饋線的電流差值，并與正極接地故障判定門檻進行比較，判斷牽引供電系統(tǒng)正極接地故障的發(fā)生?？紤]到保護的可靠性和靈敏度，正極接地故障判定門檻可設定為1.4倍的正常運行工況下的最大電流差值。

圖3 專用軌回流牽引供電系統(tǒng)機車負荷電流和正極接地故障電流

由上文分析可知，地鐵線路中各個牽引所之間的距離較短，正極接地故障電流可能會流經(jīng)與故障點鄰近的多個牽引所內(nèi)的負母線接地回路，使得與故障點鄰近的多個牽引變電所內(nèi)的橫向正、負饋線之間均會出現(xiàn)較大的電流差值（圖3），即當正極接地故障發(fā)生后，A、B、C、D的正、負饋線之間均會產(chǎn)生較大的電流差值。因此，利用橫向正、負饋線的電流差值只能判斷出供電系統(tǒng)中發(fā)生正極接地故障，無法定位出故障發(fā)生的區(qū)段。

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)屬于多電源并聯(lián)的分布式供電系統(tǒng)，當供電系統(tǒng)中發(fā)生故障時，各個電源點均會向故障點提供短路電流。對于故障區(qū)段，區(qū)段兩端牽引所內(nèi)的整流器提供的故障電流均經(jīng)過所內(nèi)的正饋線流入故障點；對于非故障區(qū)段，區(qū)段內(nèi)牽引所整流器提供的故障電流則會穿越非故障區(qū)段兩端的正饋線流入相鄰區(qū)段。為此，本文提出利用正饋線電流的方向識別故障區(qū)段，若以電流從正極母線流入正極接觸軌（網(wǎng)）為正方向，電流從正極接觸軌（網(wǎng)）流入正極母線則為負方向。當保護單元檢測出正、負饋線的電流差值大于設定的正極接地故障判定門檻，保護單元啟動正饋線電流方向的判斷，若保護單元檢測到所在正饋線電流的方向為正方向，且與其對端的正饋線電流方向一致，則判定所在區(qū)段為故障區(qū)段；若保護單元檢測到所在正饋線電流的方向與其對端的正饋線電流方向相反，則判定所在區(qū)段為非故障區(qū)段。圖4為基于正負饋線電流的正極接地故障保護判斷流程圖。

圖4 基于正負饋線電流的正極接地故障保護判斷流程

以圖3所示的正極接地故障為例，當正極接地故障發(fā)生時，檢測到 A、B、C、D的正負饋線之間均產(chǎn)生較大的電流差值，其值大于正極接地故障判定門檻，配置其上的保護單元啟動正饋線電流方向判斷：C、D的正饋線上流經(jīng)的電流均為正方向，保護單元判斷 C-D供電區(qū)段為故障區(qū)段，保護單元向C、D的正饋線斷路器發(fā)出跳閘命令；A的正饋線上流經(jīng)的電流為正方向，B的正饋線上流經(jīng)的電流為負方向，保護單元判斷 A-B供電區(qū)段為非故障區(qū)段。

3.2 正極接地故障保護配置

由上文可知，為實現(xiàn)本文所述的保護策略，每個牽引所內(nèi)的橫向區(qū)域需要配置1臺保護單元，如圖5所示，A、B、C、D各配置1臺保護單元。每個保護單元不僅需要采集用于方向判斷的正饋線電流，而且需要采集用于正極接地故障識別的正負饋線的電流差值。對于正饋線電流采集，保護單元可采用分流器加變送器的常規(guī)采集方式，采集單元的安裝需考慮相同的電流極性，圖5中紫色橢圓標識的為正饋線電流采集單元，電流從采集單元的星側(cè)流出定義為正方向。對于正負饋線的電流差值采集，本文提出采用閉環(huán)電流互感器，利用磁場平衡原理，實現(xiàn)電流差值的檢測，圖5中綠色橢圓為閉環(huán)電流互感器。正、負饋線從互感器的線孔中穿過，在正常運行工況下，穿過閉環(huán)電流互感器的正、負饋線負荷電流幅值相等，方向相反，正、負饋線電流差值為0；當正極接地故障發(fā)生時，穿過閉環(huán)電流互感器的正、負饋線電流雖然方向相反，但是幅值不等，其所引起的磁通不平衡導致電流互感器可以檢測出正、負饋線之間的電流差值。利用磁場平衡原理獲取正、負饋線之間電流差值，可以有效避免數(shù)據(jù)同步以及采樣誤差等問題。為了減少不平衡電流可能受到磁場畸變的影響，線纜中間可填充固定支撐材料，確保穿過互感器的正、負饋線與互感器平面垂直。圖6為閉環(huán)電流互感器檢測示意圖，紅色實線為流過正饋線電流，藍色實線為流過負饋線電流。

圖6 閉環(huán)電流互感器檢測示意圖

在正極接地故障保護判斷的過程中，保護單元需要獲取區(qū)段對側(cè)的正饋線方向用于比較判斷，常規(guī)的站間信息傳遞方式需要敷設站間通信電纜，不僅成本高昂，而且可靠性較差。為此，本文提出區(qū)段兩端的保護單元之間利用光纖直連實現(xiàn)信息的傳遞。光纖直連傳遞信息已在通信、保護領域得到大量應用，其快速性、實時性和高可靠性已經(jīng)過了充分的驗證。圖5中的橙色實線為區(qū)段兩端保護裝置之間的直連光纖。

圖5 基于正負饋線電流的正極接地故障保護配置

4 仿真試驗

利用 Matlab/Simulink仿真平臺，搭建了圖3所示的專用軌回流牽引供電系統(tǒng)模型[5]，牽引電壓為直流1 500 V。圖7所示為正常運行工況下A、B、C、D的正、負饋線電流及其差值，其中藍色為正饋線電流，橙色為負饋線電流，黃色為正負饋線的電流差值。從圖中可以看出，在正常運行工況下，A、B、C、D的正、負饋線電流幅值相等，方向相反，其差值為0。

圖7 正常運行工況下的正負饋線電流及其差值

圖8所示為正極接地故障發(fā)生時，A、B、C、 D的正、負饋線的電流及其差值。

圖8 正極接地故障下的正負饋線電流及其差值

從圖8中可以看出，A、B、C、D的正饋線電流大于負饋線，正負饋線之間產(chǎn)生較大的電流差值。對于C-D供電區(qū)段，C、D的正饋線電流同為正方向，保護單元判斷C-D區(qū)段為故障區(qū)段，配置于C、D的保護單元動作，將故障區(qū)段切除。對于 A-B供電區(qū)段，A的正饋線電流為正方向，B的正饋線電流為負方向，兩者方向相反，保護單元判斷A-B區(qū)段為非故障區(qū)段。

5 結語

本文介紹了專用軌回流牽引供電系統(tǒng)的現(xiàn)有保護方案，通過分析發(fā)現(xiàn)，正極接地故障發(fā)生時，鄰近故障點的多個牽引所內(nèi)負母線接地回路繼電器同時動作，可能會導致保護動作范圍的擴大。通過比較正常運行工況以及正極接地故障下正、負饋線電流的幅值和流向，利用正、負饋線電流幅值在故障情況下的不平衡，提出以正、負饋線之間的電流差值作為故障特征量，判斷系統(tǒng)內(nèi)正極接地故障的發(fā)生。同時，利用故障區(qū)段兩端正饋線電流的同向性，提出通過比較供電區(qū)段兩端正饋線電流的方向，辨別故障發(fā)生的區(qū)段。通過 Matlab/Simulink仿真，對所述保護策略進行了驗證，仿真結果表明該保護方案可準確判斷出正極接地故障和區(qū)段。