馬 闖
城市軌道交通供電系統(tǒng)通常采用直流供電方式,DC 1 500 V直流饋線一般配置有大電流脫扣保護(hù)、電流上升率保護(hù)、電流增量保護(hù)、過流保護(hù)、雙邊聯(lián)跳保護(hù)以及熱過負(fù)荷保護(hù)[1-2]。大電流脫扣保護(hù)作為開關(guān)自帶保護(hù),主要用于切斷大的短路電流;電流上升率保護(hù)和電流增量保護(hù)則主要作為饋線主保護(hù),用于切除近端短路電流或大電流脫扣保護(hù)無法切除的遠(yuǎn)端短路故障;過流保護(hù)一般為饋線后備保護(hù),主要作為上述保護(hù)的補(bǔ)充;而雙邊聯(lián)跳保護(hù)則是為雙邊供電接觸網(wǎng)增設(shè)的后備跳閘裝置,用于確保故障情況下相鄰變電所可靠跳閘。如果直流饋線某處發(fā)生故障,各級(jí)保護(hù)將根據(jù)故障類型選擇性動(dòng)作,由保護(hù)裝置發(fā)出跳閘指令快速切斷故障電流[3-5]。另外,對于采用接觸網(wǎng)或接觸軌方式供電的線路,還設(shè)置熱過負(fù)荷保護(hù)。本文主要聚焦作為饋線輔助保護(hù)的熱過負(fù)荷保護(hù),并基于廣州地鐵車輛段直流饋線212實(shí)際動(dòng)作案例對熱過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作過程進(jìn)行詳細(xì)分析。
熱過負(fù)荷保護(hù)作為直流饋線保護(hù)的一種,主要為地鐵直流供電系統(tǒng)提供熱過載保護(hù),其保護(hù)目的是消除熱過負(fù)荷故障[6-7]。保護(hù)裝置通過饋線電流、線路參數(shù)并結(jié)合接觸線熱負(fù)荷特性以及環(huán)境條件計(jì)算溫升,在溫度達(dá)到保護(hù)定值時(shí)動(dòng)作并跳閘。保護(hù)對象一般包括柔性接觸網(wǎng)和剛性接觸網(wǎng)。同時(shí),由于接觸線的熱特性曲線為一條以電流為變量的反時(shí)限曲線,故在計(jì)算時(shí)需將保護(hù)整定得到的曲線與接觸線固有特性曲線進(jìn)行配合,如圖1所示,其中曲線A為接觸線熱特性曲線,曲線B為整定的保護(hù)曲線。同時(shí),熱過負(fù)荷保護(hù)作為切除線路長時(shí)間過負(fù)荷導(dǎo)致電纜過熱損壞的非短路故障饋線保護(hù),整定在考慮接觸線固有熱特性的同時(shí),還應(yīng)考慮與饋線電流保護(hù)、溫升-耐受時(shí)間曲線相配合[8]。保護(hù)整定時(shí),首先根據(jù)接觸網(wǎng)導(dǎo)線參數(shù)(電阻率修正系數(shù)、長度、橫截面積)計(jì)算發(fā)熱量;再結(jié)合比熱等導(dǎo)線熱負(fù)荷特性及環(huán)境條件,通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算接觸網(wǎng)線纜溫度;最后將求得的線纜溫度與規(guī)定值進(jìn)行比較,當(dāng)溫度超出規(guī)定值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)及跳閘命令,從而實(shí)現(xiàn)對接觸網(wǎng)或接觸軌的熱過負(fù)荷保護(hù)。具體實(shí)施流程如圖2所示。
圖1 熱過負(fù)荷保護(hù)整定曲線
圖2 熱過負(fù)荷保護(hù)整定流程
熱過負(fù)荷保護(hù)作為電流上升率保護(hù)的輔助保護(hù)[9],即使線路在過負(fù)荷狀態(tài)下未出現(xiàn)短路故障,接觸線或電纜也會(huì)緩慢積累熱量。特別是當(dāng)線路有熱過負(fù)荷電流通過時(shí),即便該電流不會(huì)引起過大沖擊,但隨著電流流經(jīng)時(shí)間的持續(xù)增加,其產(chǎn)生的熱量也可能導(dǎo)致某些設(shè)備出現(xiàn)一定程度損傷,需要進(jìn)一步考慮溫升對保護(hù)的影響。
熱過負(fù)荷保護(hù)是基于熱量累積效應(yīng)的保護(hù),目前主要采用直流饋線保護(hù)裝置,輸入線路參數(shù)即可完成整定,但由于該系統(tǒng)無運(yùn)算模型,無法判別整定校驗(yàn)結(jié)果是否準(zhǔn)確[10],故有必要推導(dǎo)保護(hù)整定計(jì)算式。DC 1500 V線纜等導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量應(yīng)同時(shí)滿足熱平衡公式及能量守恒定律,即產(chǎn)生的熱量應(yīng)等于導(dǎo)體吸收熱量與導(dǎo)體散熱之和。其中線纜熱量計(jì)算中只考慮熱傳導(dǎo),溫度計(jì)算則依據(jù)能量守恒原則,即當(dāng)前溫度= 先前溫度+阻抗損耗溫度-電能在輸送環(huán)境中溫度損耗。具體的線路熱平衡計(jì)算式可表示為
式中:Q為導(dǎo)體功率;c為比熱容;G為導(dǎo)體質(zhì)量;a為導(dǎo)體散熱系數(shù),表示溫度每升高1 ℃時(shí)單位時(shí)間從單位導(dǎo)體面積上散發(fā)的熱量;θ為導(dǎo)體實(shí)際溫升;S為導(dǎo)體表面積。
根據(jù)式(1)可得
由此可得到熱過負(fù)荷保護(hù)整定計(jì)算式。其中,0θ為t趨于0時(shí)的導(dǎo)體溫升,θ∞為t趨于無窮大時(shí)的導(dǎo)體溫升。實(shí)際計(jì)算線纜溫升時(shí),τ由定值給定,a、S根據(jù)保護(hù)定值給出的導(dǎo)體比熱常數(shù)測算。導(dǎo)體比熱常數(shù)則為不考慮熱耗散情況下的單位長度導(dǎo)體通過1 kW·s電流后的溫升。
DC 1 500 V地鐵直流供電系統(tǒng)中,確保饋線保護(hù)可靠動(dòng)作的關(guān)鍵是正確區(qū)分車輛啟動(dòng)電流與饋線末端故障電流。選取廣州地鐵2號(hào)線車輛段直流饋線212保護(hù)動(dòng)作實(shí)際案例進(jìn)行試驗(yàn)整定。廣州地鐵2號(hào)線起始于廣州南站,止于嘉禾望崗站,全長31.41 km。供電系統(tǒng)采用集中供電方式,外部電源額定電壓為110 kV,牽引供電系統(tǒng)額定電壓為33 kV。每座主變電所設(shè)置兩臺(tái)AC 110 kV/AC 33 kV主變壓器,車輛段和車站分別設(shè)置有AC 33 kV/DC 1 500 V牽引變電所和AC 33 kV/0.4 kV降壓變電所,各變電所間通過電纜連接,構(gòu)成地鐵AC 33 kV供電網(wǎng)絡(luò)。另外,該線接觸網(wǎng)額定供電電壓為直流1 500 V,且規(guī)定實(shí)際運(yùn)行中接觸網(wǎng)最高電壓不高于1 800 V,最低電壓不低于1 000 V。正常工況下,將來自主變電所的AC 33 kV降壓整流為DC 1 500 V,再經(jīng)直流開關(guān)柜向接觸網(wǎng)供電。為進(jìn)一步分析熱過負(fù)荷工況下地鐵饋線保護(hù)動(dòng)作過程,以廣州地鐵2號(hào)線車輛段直流饋線212保護(hù)跳閘為例進(jìn)行試驗(yàn)整定分析。
廣州地鐵2號(hào)線車輛段直流饋線212開關(guān)7月16日發(fā)生熱過負(fù)荷保護(hù)跳閘動(dòng)作,提取相關(guān)事件記錄并選取11組典型時(shí)刻點(diǎn)信息如表1所示。
表1 事件記錄
在該跳閘事件中,系統(tǒng)記錄了PRO、DIO、CPU各模塊實(shí)時(shí)狀態(tài),且發(fā)現(xiàn)車輛在啟動(dòng)過程中兩端饋線電壓明顯下降,啟動(dòng)完成后電壓又逐步恢復(fù)穩(wěn)定值。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),在啟動(dòng)瞬間電流也發(fā)生突變。另外,在整個(gè)過程中,熱保護(hù)電流設(shè)定值為600 A,熱保護(hù)動(dòng)作出口電流為1 219 A。在現(xiàn)場觀察SEPCOS-2保護(hù)顯示屏10 min,發(fā)現(xiàn)饋線212一直存在大于300 A的電流,同時(shí)保護(hù)熱積累百分比呈緩慢上升趨勢。檢查保護(hù)定值設(shè)置正確,電流回路接線正確可靠且電流輸出正常。
對廣州地鐵2號(hào)線車輛段212饋線開關(guān)進(jìn)行保護(hù)跳閘測試,系統(tǒng)電氣參數(shù)如表2所示 。
表2 電氣參數(shù)
測試共選取4 000~8 200 A電流值共10個(gè)點(diǎn),并依次記錄不同測試電流下的熱過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作情況如表3所示。
表3 熱過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間
由表3可知,不同故障電流下的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和報(bào)警時(shí)間不同,故障電流越大,報(bào)警及動(dòng)作時(shí)間越短,故障切除越及時(shí)。但同時(shí)也存在針對較小電流報(bào)警及保護(hù)動(dòng)作不及時(shí)的問題,若故障電流持續(xù)過久,將對線路及相關(guān)設(shè)備造成一定程度的損傷,故需進(jìn)一步選取合理的保護(hù)定值。
根據(jù)上述測試結(jié)果可知,一定程度的故障電流突變將引起保護(hù)動(dòng)作,同時(shí)電流幅值的急劇變化也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生電流沖擊波峰。故為了掌握突變電流的實(shí)時(shí)變化情況,需要保護(hù)裝置對當(dāng)前饋線電流進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。具體地,可通過保護(hù)裝置設(shè)定值In與保護(hù)時(shí)間常數(shù)之間的關(guān)系函數(shù)進(jìn)行熱負(fù)荷整定計(jì)算,具體計(jì)算式見式(3)。現(xiàn)場保護(hù)定值設(shè)置見表4。
表4 定值設(shè)置
根據(jù)熱量公式計(jì)算求得直流饋線熱保護(hù)動(dòng)作特性曲線如圖3所示。
圖3 熱過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作特性曲線
由圖3所示的饋線熱過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作特性曲線可知:電流越大,保護(hù)動(dòng)作時(shí)間越短,熱量值上升也越快,即熱過負(fù)荷保護(hù)為反時(shí)限保護(hù)。若根據(jù)本案例實(shí)際情況將電流整定為1 219 A,則熱量值θt將在170 s后達(dá)到跳閘定值并使保護(hù)可靠動(dòng)作。對比現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和整定結(jié)果可知,兩種情況下的熱過負(fù)荷保護(hù)均可正常動(dòng)作,保護(hù)設(shè)置有效。
綜上,根據(jù)事件記錄和現(xiàn)場測試結(jié)果可判斷得出:當(dāng)熱保護(hù)電流定值為600 A、動(dòng)作出口電流為1 219 A時(shí),饋線212熱保護(hù)跳閘為正常動(dòng)作,故障可在保護(hù)有效動(dòng)作區(qū)間內(nèi)被切除。
本文以廣州地鐵2號(hào)線直流饋線實(shí)際跳閘事件為例,分析了熱過負(fù)荷保護(hù)的動(dòng)作過程,并根據(jù)現(xiàn)場設(shè)定參數(shù)進(jìn)行了保護(hù)整定計(jì)算。通過對熱負(fù)荷特性曲線整定分析得出,DC 1 500 V直流饋線212熱保護(hù)跳閘為正常動(dòng)作,故障可在保護(hù)有效動(dòng)作區(qū)間內(nèi)被切除。另外,為避免車輛段多車同時(shí)靜調(diào)導(dǎo)致負(fù)載電流較大引起熱保護(hù)動(dòng)作的情況,建議對車輛段熱保護(hù)電流定值進(jìn)行調(diào)整。目前,廣州地鐵2號(hào)線車輛段直流饋線運(yùn)行穩(wěn)定,相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供實(shí)際工程應(yīng)用參考。