劉亮、周浩

（太原中鐵軌道交通建設運營有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

地鐵牽引變電所在城市軌道交通系統(tǒng)中扮演著重要角色。牽引變電所的主要職責是把電網(wǎng)輸送過來的電力轉化為地鐵運行所需的直流電，這種轉化不僅涉及電壓、電流的變化，還包括電力的品質(zhì)和安全保障。因此，一旦地鐵牽引變電所出現(xiàn)問題，可能會直接影響地鐵的正常運營，甚至威脅乘客安全。而繼電保護是地鐵牽引變電所的一道安全屏障，能夠在電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，及時有效地切斷故障部分，保證其他部分的正常運行，從而最大程度地降低故障對地鐵運營的影響。因此，深入研究和理解繼電保護在地鐵牽引變電所中的應用，對提高地鐵系統(tǒng)的安全性和可靠性有十分重要的意義。

1 牽引變電所的保護需求

牽引變電所是地鐵系統(tǒng)中的重要組成部分，其負責將電力供應轉換為適用于地鐵列車的牽引電能。牽引變電所的保護需求包括對電力系統(tǒng)故障的防護、對電力設備和設施的保護以及乘客和工作人員的安全保障[1]。

1.1 電力系統(tǒng)故障防護需求

首先，繼電保護系統(tǒng)需要能夠快速準確地檢測和定位電力系統(tǒng)的故障，如電力短路、接地故障等，以避免故障擴大導致系統(tǒng)停電或損壞。

其次，保護系統(tǒng)需要能夠迅速采取保護動作，如切斷故障區(qū)域的電源，以確保故障不會對其他設備或系統(tǒng)造成進一步的影響。

最后，在地鐵電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，故障修復效率至關重要，因此保護系統(tǒng)的動作速度和可靠性也是必須考慮的因素。

1.2 電力設備和設施保護需求

牽引變電所內(nèi)安裝了大量的電力設備和設施，如變壓器、開關設備、電纜等，這些設備對地鐵的正常運營至關重要。因此，牽引變電所的保護需求還包括對這些設備和設施的保護。繼電保護系統(tǒng)需要能夠監(jiān)測和保護這些設備的運行狀態(tài)，如檢測變壓器的溫度、電流等參數(shù)，以確保電力設備和設施能夠在安全范圍內(nèi)運行。同時，保護系統(tǒng)還需要能夠及時發(fā)現(xiàn)設備故障，并采取相應的保護措施，如切斷電源、切換備用設備等，以防止設備損壞。此外，保護系統(tǒng)還應具備故障錄波、事件記錄等功能，以便于后續(xù)故障分析和維修工作的開展。

1.3 乘客和工作人員的安全保障需求

牽引變電所不僅是地鐵電力系統(tǒng)的重要組成部分，也是乘客和工作人員安全的關鍵保障。保護系統(tǒng)需要能夠?qū)θ松戆踩碗姎獍踩M行有效保護。第一，對于人身安全，保護系統(tǒng)需要能夠及時發(fā)現(xiàn)可能對人員產(chǎn)生威脅的情況，如電流過載、電壓異常等，并及時采取措施，如切斷電源、提供警示等，以保護人員的安全。第二，對于電氣安全，保護系統(tǒng)需要能夠監(jiān)測和保護地鐵線路的絕緣狀態(tài)，如監(jiān)測接地電流、絕緣電阻等參數(shù)，以確保線路正常運行，防止電氣事故的發(fā)生[2]。

2 繼電保護種類

2.1 距離保護

距離保護是根據(jù)信號傳輸時間和傳輸距離確定電源故障位置的保護方式。其設計原理基于線路參數(shù)，如電阻、電抗等，通過測量電壓和電流比值，計算出故障點的位置。在電力系統(tǒng)保護中，距離保護具有速度快、選擇性好、動作可靠等優(yōu)點。

由于地鐵牽引變電所對電力需求量大，對電源穩(wěn)定性要求高，對保護裝置的要求也特別嚴格。這也使得在地鐵牽引變電所中應用距離保護具有極為重要的意義。地鐵牽引變電所的電力供應系統(tǒng)通常比較復雜，涉及多種不同的設備和系統(tǒng)，包括牽引變壓器、矩形波濾波器、主斷路器等。每個設備和系統(tǒng)的工作狀態(tài)都對地鐵的正常運行有直接影響。距離保護能夠確保這些設備和系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能夠及時被切斷，從而避免故障擴大。

具體來說，地鐵牽引變電所的距離保護，主要通過以下幾個步驟實現(xiàn)：

首先，計算電流和電壓的比率，然后根據(jù)其推算出故障點的位置。

其次，設定一個“距離”閾值，當計算出的“距離”超過閾值時，保護裝置就會動作，切斷故障點的電源。

最后，保護裝置會發(fā)送信號，通知相關人員進行處理，以便于在第一時間發(fā)現(xiàn)故障，進而減少故障所造成的影響。

2.2 差動保護

差動保護是電力系統(tǒng)中的一種重要保護方式，其工作原理是基于比較同一電氣設備兩端的電流差異。正常情況下，一臺電氣設備的兩端電流在大小和相位上應該完全相同。當設備內(nèi)部發(fā)生故障時，會導致設備兩端電流不一致，即出現(xiàn)電流“差動”。差動保護就是利用這種電流“差動”來進行故障檢測和保護。

在地鐵牽引變電所中，差動保護主要用于牽引變壓器和主斷路器等大型設備。這些設備的正常運行對整個地鐵系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關重要，并且它們價格昂貴，一旦發(fā)生故障可能會帶來嚴重的經(jīng)濟損失。因此，需要采用高度可靠的保護方式。對于地鐵牽引變電所中的核心設備變壓器，差動保護能夠準確、快速地檢測到其內(nèi)部的短路故障。當差動保護檢測到變壓器兩端的電流出現(xiàn)“差動”時，即判斷為變壓器內(nèi)部存在故障，之后差動保護裝置能夠快速切斷電源，以保護變壓器[3]。

此外，在主斷路器中應用差動保護也同樣重要。主斷路器是地鐵牽引變電所的關鍵設備，直接負責電力分配和切斷。當主斷路器內(nèi)部發(fā)生觸點熔合、短路等故障時，常規(guī)的保護方式可能無法及時響應，而差動保護能夠及時檢測到此類故障，并迅速切斷電源，保護主斷路器。

2.3 過電流保護

過電流保護是電力系統(tǒng)保護中常用的一種手段，其運作原理為當電路中的電流超過預設閾值時，保護設備會進行動作，切斷超載電流，從而防止設備過度發(fā)熱，避免設備損壞及系統(tǒng)故障。

在地鐵牽引變電所中，過電流保護的應用十分廣泛。地鐵牽引變電所作為地鐵系統(tǒng)的電力供應中心，其主要任務是將市電轉化為地鐵運行所需的電能，然后通過供電系統(tǒng)將電能輸送到各個車站和地鐵列車，電流的大小直接關系到地鐵系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。過電流保護能夠有效保護牽引變壓器、主斷路器、牽引供電線路等地鐵牽引變電所中的各類設備。例如，在牽引變壓器中，過電流會導致變壓器過熱，甚至燒毀，而通過過電流保護裝置，可以在電流超過設定值時立即斷開電源，避免變壓器損壞，從而保證地鐵牽引變電所的穩(wěn)定運行。

在牽引供電線路中，如果電流過大，線路可能發(fā)熱，影響線路的傳輸效率，甚至可能引發(fā)火災，而過電流保護裝置可以在電流超過設定值時及時斷開電源，防止線路過熱，確保地鐵的正常運行。

3 地鐵牽引變電所繼電保護實施方案

3.1 設備選擇

在地鐵牽引變電所的繼電保護應用中，設備選型是一個重要且復雜的過程，需要考慮諸多因素，包括系統(tǒng)的特性、保護設備的性能、設備的可靠性、成本以及后期維護等。

首先，設備選型需要結合不同地鐵牽引變電所的實際運行需求，以確保選擇的設備既能滿足保護需求，又具有較高的性價比。確定保護設備時，需要了解地鐵牽引變電所的系統(tǒng)特性，包括系統(tǒng)的規(guī)模、電氣參數(shù)、負荷類型等。例如，對于大規(guī)模、電流大的系統(tǒng)，可能需要選擇性能更強、可靠性更高的保護裝置。

其次，保護設備的性能也是設備選型過程中需要考慮的重要因素。繼電保護設備的性能包括速度、靈敏度、準確性等，這些性能參數(shù)將直接影響保護效果。優(yōu)質(zhì)的保護設備能夠快速準確地識別并處理故障，從而降低故障的影響，保障地鐵牽引變電所的穩(wěn)定運行。

再次，設備的可靠性也是必須考慮的因素。高可靠性的設備能夠在各種條件下保持穩(wěn)定運行，不易出現(xiàn)故障，這對地鐵牽引變電所來說尤其重要，因為任何設備的故障都可能影響整個地鐵系統(tǒng)的運行。

最后，設備的成本和后期維護也是需要考慮的因素。盡管高性能、高可靠性的設備往往價格較高，但從長期來看，這種設備由于具有較高的穩(wěn)定性和耐用性，反而擁有更高的性價比。另外，設備的維護工作也極為重要，選擇易于維護的設備可以降低后期的運維成本。

3.2 參數(shù)設置

在地鐵牽引變電所中，繼電保護參數(shù)設置是一項精密且關鍵的工作，其需要考慮電力系統(tǒng)的特性、保護需求等。適當?shù)膮?shù)設置能夠確保繼電保護設備在系統(tǒng)發(fā)生異常時能夠及時準確地動作，以此保護電力設備不受損害[4]。

首先，電力系統(tǒng)的特性，如系統(tǒng)電壓、電流、短路容量、系統(tǒng)阻抗等，對參數(shù)設置有重要影響，因此繼電保護參數(shù)設置應優(yōu)先考慮電力系統(tǒng)的特性。例如，在過電流保護中，需要設定過電流保護的動作電流，這個動作電流一般要大于系統(tǒng)正常運行時的最大電流，小于短路時的最小電流。因此，需要準確了解和計算系統(tǒng)的這些電氣參數(shù)，并據(jù)此設置繼電保護參數(shù)。

其次，參數(shù)設置需要考慮系統(tǒng)保護需求。不同的系統(tǒng)、設備對保護的需求也有所不同。例如，一些對運行穩(wěn)定性要求較高的設備，可能需要設置更快的動作時間，以盡快切斷故障，防止故障擴大。而對于一些運行條件較苛刻的設備，可能需要設置更高的動作電流，以防止設備正常運行時發(fā)生誤動作。

再次，參數(shù)設置需要考慮到故障類型和故障后果。不同類型的故障可能需要不同的保護參數(shù)。例如，對于地面短路和接觸網(wǎng)短路，可能需要不同的過電流保護參數(shù)。

最后，故障的嚴重性也會影響參數(shù)的設定，對于可能導致嚴重后果的故障，則需要設置更嚴格的保護參數(shù)。

3.3 聯(lián)動策略

在地鐵牽引變電所中，繼電保護的聯(lián)動策略是實現(xiàn)保護目標的重要手段，因此需要根據(jù)地鐵牽引變電所的具體結構、設備以及運行特性等因素精心設計和配置[5]。

首先，聯(lián)動策略的設計要考慮保護設備之間的協(xié)調(diào)配合。由于地鐵牽引變電所內(nèi)有多種不同的保護設備，這些設備各自承擔著保護系統(tǒng)的不同部分，彼此之間還可能存在交叉或重疊的保護區(qū)域。因此，需要制訂一套策略，在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，其能夠根據(jù)設備的重要性和故障的嚴重性對設備保護進行優(yōu)先級排序，從而實現(xiàn)最優(yōu)的保護效果。

其次，在牽引變電所的具體應用中，保護設備可能需要按照設備的重要性、故障類型以及故障影響范圍來設定聯(lián)動優(yōu)先級。例如，對于涉及牽引變壓器、主斷路器等關鍵設備的故障，需要優(yōu)先啟動其保護裝置。而對于影響范圍較小的故障，則可以通過局部保護裝置來處理。除此之外，聯(lián)動策略還應考慮保護設備的響應時間。理想的聯(lián)動策略應保證在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，所有相關保護設備均能以最快的速度響應，以便最大限度地減少故障的影響。因此，需要對保護設備的響應時間進行合理設置，以實現(xiàn)快速、準確地啟動保護動作。

最后，聯(lián)動策略需要考慮到保護設備的復位策略。故障處理完畢后，保護設備的正確復位至關重要，以確保設備能夠繼續(xù)進行有效保護，同時防止誤動作。正確的復位策略應根據(jù)設備的特性以及故障處理的具體情況進行制訂。如果某設備在故障后仍然能夠正常運行，那么其相應的保護設備應當被復位到可以對新的故障進行響應的狀態(tài)。相反，如果設備因故障損壞，對應的保護設備在維修或更換前需要保持在非激活狀態(tài)。總的來說，復位策略的制訂是保障電力設備安全和保護系統(tǒng)有效運行的關鍵，主要目標是使保護設備在故障處理后能夠迅速進入新的運行狀態(tài)，并開啟保護模式，以便對新的故障作出及時響應。

4 結語

在高速發(fā)展的信息時代，地鐵已成為現(xiàn)代城市中的重要交通工具，而繼電保護在地鐵牽引變電所的應用更是保證地鐵運行安全和效率的關鍵。繼電保護設備以其獨特的工作原理和功能，能夠為地鐵牽引變電所的安全運行提供可靠的保護，有效防止電力故障的發(fā)生和擴大，為地鐵系統(tǒng)的穩(wěn)定運行創(chuàng)造有利條件。因此，應通過適當?shù)脑O備選擇、參數(shù)設置以及聯(lián)動策略等，進一步優(yōu)化繼電保護設備的性能，提高其對故障的識別和處理能力，從而更好地滿足地鐵牽引變電所的各項保護需求，確保地鐵線路安全、高效運行。