摘要 文章通過(guò)對(duì)繼電保護(hù)理論和實(shí)踐數(shù)據(jù)研究的分析，論述了軌道交通牽引供電系統(tǒng)常設(shè)交直流系統(tǒng)繼電保護(hù)種類、動(dòng)作原理、整定計(jì)算原則和繼電保護(hù)試驗(yàn)，便于供電技術(shù)人員高效開(kāi)展供電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)、預(yù)防性試驗(yàn)、故障研判及應(yīng)急處置。充分體現(xiàn)了繼電保護(hù)動(dòng)作選擇性、速動(dòng)性、靈敏性、可靠性等特點(diǎn)，正確運(yùn)用繼電保護(hù)對(duì)供電系統(tǒng)安全運(yùn)行、避免造成重大經(jīng)濟(jì)損失具有極其重要意義。

關(guān)鍵詞 軌道交通；交流系統(tǒng)；直流系統(tǒng)；繼電保護(hù)

中圖分類號(hào) TM862 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）04-0021-03

0 引言

軌道交通供電系統(tǒng)是將電力系統(tǒng)110 kV電源經(jīng)電壓變換把電力輸送到地鐵車輛及動(dòng)力、照明負(fù)荷的輸變電系統(tǒng)。交流系統(tǒng)的保護(hù)主要設(shè)置階段式電流保護(hù)、零序電流保護(hù)、線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、變壓器瓦斯保護(hù)等。直流系統(tǒng)通常設(shè)置大電流脫扣保護(hù)、逆流保護(hù)、電流速斷和定時(shí)限過(guò)流、框架保護(hù)等。具體分析如下。

1 階段式電流保護(hù)

階段式電流保護(hù)包含電流速斷保護(hù)、限時(shí)電流速斷保護(hù)、定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)三段。電流速斷保護(hù)以躲過(guò)線路末端最大短路電流為原則整定計(jì)算動(dòng)作值，該保護(hù)在電流增大至動(dòng)作值時(shí)瞬時(shí)動(dòng)作，由動(dòng)作值保證其選擇性，可以無(wú)延時(shí)保護(hù)該線路一部分，因此不是一個(gè)完整的電流保護(hù)^[1]。

限時(shí)電流速斷保護(hù)依靠動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)間共同保證其選擇性和靈敏性。限時(shí)電流速斷保護(hù)能夠保護(hù)電路全長(zhǎng)且動(dòng)作帶有延時(shí)，與電流速斷保護(hù)共同構(gòu)成被保護(hù)線路主保護(hù)，同時(shí)作為電流速斷保護(hù)的后備保護(hù)。

定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)可作為本線路近后備保護(hù)和相鄰下一線路遠(yuǎn)后備保護(hù)，按躲過(guò)最大負(fù)荷電流來(lái)整定計(jì)算動(dòng)作值，靈敏度比電流速斷保護(hù)、限時(shí)電流速斷保護(hù)要高，通過(guò)靈敏度和動(dòng)作時(shí)限相互配合，保證其選擇性，從而保護(hù)本線路和相鄰下一線路全長(zhǎng)。

2 零序電流保護(hù)

利用對(duì)稱分量法，可將三相系統(tǒng)的電壓、電流分解成正序、負(fù)序和零序三個(gè)分量，其中零序分量：

3 線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)

線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)具有絕對(duì)的選擇性，利用光纖傳輸將線路兩頭的保護(hù)裝置縱向聯(lián)結(jié)，將環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線的電氣量（如電流、功率方向等）傳送到對(duì)端，并通過(guò)兩頭的電氣量比較，判斷故障的具體位置（在本線路范圍外還是在范圍內(nèi)），并且有選擇性地切斷被保護(hù)線路^[2]。

此外，實(shí)踐表明電容電流會(huì)造成保護(hù)誤動(dòng)作，一般可通過(guò)提高定值、加短延時(shí)、進(jìn)行電容電流補(bǔ)償?shù)却胧┙鉀Q。

4 變壓器瓦斯保護(hù)

對(duì)于大型變壓器（容量在0.8 MVA以上）都是采用變壓器油作為絕緣和散熱的，當(dāng)變壓器內(nèi)部故障時(shí)，由于短路電流和電弧的作用，故障點(diǎn)附近的絕緣物和變壓器油分解而產(chǎn)生氣體，同時(shí)由于氣體的上升和壓力的增大會(huì)引起油流的變化^[3]。利用這個(gè)特點(diǎn)構(gòu)成的保護(hù)為瓦斯保護(hù)。通常情況下，變壓器本體和有載調(diào)壓部分均設(shè)有瓦斯保護(hù)，瓦斯保護(hù)又分為重瓦斯和輕瓦斯，重瓦斯動(dòng)作于跳閘，輕瓦斯動(dòng)作于報(bào)警。

瓦斯保護(hù)主要由瓦斯繼電器、信號(hào)繼電器和保護(hù)出口繼電器等構(gòu)成，瓦斯繼電器安裝在變壓器油箱和油枕的連接管上。在安裝帶有瓦斯繼電器的變壓器時(shí)，變壓器頂蓋沿瓦斯繼電器方向應(yīng)有1%～1.5%的升高坡度，連接管朝油枕方向應(yīng)有2%～4%的升高坡度，主要是使變壓器內(nèi)的氣體容易往瓦斯繼電器內(nèi)跑，以提高靈敏度。

5 逆流保護(hù)

逆流保護(hù)即反向電流保護(hù)，當(dāng)整流機(jī)組內(nèi)部或整流機(jī)組至直流開(kāi)關(guān)柜間電源電纜發(fā)生故障時(shí)，為防止外界向上述故障點(diǎn)反送故障電流，設(shè)置逆流保護(hù)。逆流保護(hù)的特點(diǎn)是需要測(cè)量一次回路中電流的大小和方向，電流大小、方向的測(cè)量分別由測(cè)量放大器輸入端兩線之間的電壓差、正負(fù)極性變化來(lái)實(shí)現(xiàn)^[4]。

正常運(yùn)行時(shí)，逆流保護(hù)工作回路不斷測(cè)量一次回路的逆流值，當(dāng)此測(cè)量值達(dá)到逆流定值時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)。如果在延時(shí)時(shí)間外，測(cè)量值均大于逆流定值，則保護(hù)出口；如果在延時(shí)時(shí)間內(nèi)，測(cè)量值小于逆流定值，則保護(hù)返回，繼續(xù)監(jiān)測(cè)。

逆流保護(hù)動(dòng)作后，由保護(hù)裝置發(fā)出跳閘命令，并聯(lián)跳相應(yīng)35 kV整流機(jī)組柜，切斷故障點(diǎn)，使整流元件得到保護(hù)。逆流保護(hù)動(dòng)作條件遵循進(jìn)線斷路器在合位、對(duì)應(yīng)35 kV整流變饋線斷路器在合位、整流機(jī)組聯(lián)跳開(kāi)關(guān)在投入位、進(jìn)線柜逆流保護(hù)達(dá)到保護(hù)動(dòng)作值。

6 大電流脫扣保護(hù)

大電流脫扣保護(hù)主要用于直流近端短路保護(hù)，無(wú)延時(shí)性，與電客車保護(hù)相配合，能夠躲過(guò)電客車斷路器的大電流脫扣保護(hù)。該保護(hù)是直流開(kāi)關(guān)柜主保護(hù)，與交流系統(tǒng)中的速斷保護(hù)原理類似，主要用于切斷金屬性近端短路故障。通過(guò)計(jì)算和短路試驗(yàn)獲得整定值（通常進(jìn)線柜大電流脫扣定值為12 000 A，正線饋線柜大電流脫扣定值為8 000 A，場(chǎng)段饋線柜大電流脫扣定值為7 000 A，能饋柜大電流脫扣定值按最小整定值設(shè)置，但不得低于2 000 A），大于最大負(fù)荷下電客車正常啟動(dòng)的電流值且小于近端最大短路電流^[5]。

7 電流速斷和定時(shí)限過(guò)流保護(hù)

電流速斷和定時(shí)限過(guò)流保護(hù)，電流設(shè)定值小于大電流脫扣保護(hù)定值，可作為大電流脫扣保護(hù)的后備保護(hù)使用，該保護(hù)主要通過(guò)分析饋線電流判別故障。

電流速斷保護(hù)的定值包括兩個(gè)方面：電流定值和時(shí)間定值。監(jiān)測(cè)當(dāng)前正向電流最大值，如果電流測(cè)量值（如圖2所示）I大于電流定值I_max++時(shí)間定值超過(guò)T₊₊，保護(hù)啟動(dòng)跳閘，發(fā)出跳閘命令。如果電流小于設(shè)定值則保護(hù)返回。定時(shí)限過(guò)流保護(hù)和電流速斷的工作原理類似，它們的區(qū)別在于電流定值和時(shí)間定值的大小不同。

8 框架保護(hù)

1 500 V直流開(kāi)關(guān)柜、整流器柜、負(fù)極柜等直流設(shè)備采用絕緣安裝，從而減少對(duì)鋼軌、鋼筋等金屬體的電化學(xué)腐蝕，減少雜散電流泄漏途徑?？蚣鼙Ｗo(hù)包含電流型框架保護(hù)和電壓型框架保護(hù)，電壓型框架保護(hù)可作為電流型框架保護(hù)的后備保護(hù)使用。該保護(hù)是針對(duì)正極與柜體發(fā)生短路故障（達(dá)到80 A泄漏電流動(dòng)作值或設(shè)定動(dòng)作電壓時(shí)）能夠迅速發(fā)出報(bào)警或跳閘信號(hào)，切除故障設(shè)備，避免對(duì)直流供電設(shè)備造成重大損失。

8.1 電流型框架保護(hù)

電流型框架保護(hù)是通過(guò)電流繼電器檢測(cè)框架對(duì)地之間的電流，當(dāng)檢測(cè)到的電流值達(dá)到整定值時(shí)，電流型框架保護(hù)會(huì)啟動(dòng)。電流型框架保護(hù)通常分為整流器柜框架保護(hù)（對(duì)應(yīng)電流型保護(hù)元件FP-1）和直流開(kāi)關(guān)柜框架保護(hù)（對(duì)應(yīng)電流型框架保護(hù)元件FP-2）。

直流系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備絕緣良好，未發(fā)生外殼放電或短路故障，電流型框架保護(hù)電流回路無(wú)電流，負(fù)極柜保護(hù)裝置不動(dòng)作。當(dāng)直流設(shè)備框架絕緣發(fā)生變化（低于0.5兆歐），設(shè)備對(duì)柜體外殼放電或短路電流達(dá)到整定值（80 A，無(wú)延時(shí)），電流型框架保護(hù)動(dòng)作，發(fā)出跳閘命令，并閉鎖自動(dòng)重合閘。通常整流器柜框架保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)本所35 kV整流機(jī)組柜及直流進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜；直流開(kāi)關(guān)柜框架保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)本所35 kV整流機(jī)組柜、直流進(jìn)線、饋線開(kāi)關(guān)柜及相鄰牽混所相應(yīng)供電分區(qū)直流饋線開(kāi)關(guān)柜。

8.2 電壓型框架保護(hù)

城市軌道交通牽引供電直流設(shè)備和鋼軌均采用絕緣安裝，鋼軌對(duì)地絕緣電阻隨著絕緣材料的性能而不斷變化，因此電流型框架保護(hù)的電流回路的電阻具有不確定性，當(dāng)電阻R很大時(shí)，可能會(huì)造成電流回路檢測(cè)值達(dá)不到整定值的要求，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生絕緣下降而電流型框架保護(hù)未及時(shí)動(dòng)作切除故障電氣設(shè)備的情況，通過(guò)設(shè)置電壓型框架保護(hù)可在一定程度上彌補(bǔ)此缺陷。

電壓型框架保護(hù)是通過(guò)一個(gè)電壓繼電器檢測(cè)框架對(duì)負(fù)極之間的電壓，并傳輸至PLC保護(hù)裝置，當(dāng)檢測(cè)到的電壓達(dá)到動(dòng)作設(shè)定值，并達(dá)到動(dòng)作設(shè)定延時(shí)后，電壓型框架保護(hù)會(huì)啟動(dòng)，并發(fā)出報(bào)警或跳閘信號(hào)。通常跳開(kāi)本所35 kV整流機(jī)組柜及直流進(jìn)線、饋線開(kāi)關(guān)柜，并閉鎖重合閘。此外，框架電壓保護(hù)還與鋼軌電位限制裝置緊密配合，作為鋼軌電位限制裝置的后備保護(hù)使用。

9 直流饋線柜線路測(cè)試實(shí)例分析

直流饋線斷路器在合閘前首先通過(guò)線路測(cè)試功能檢查線路是否有短路故障，防止斷路器合閘到故障線路上。以賽雪龍SEPCOS保護(hù)為例，線路測(cè)試分析如下：

（1）U_r>U_flow（1 000 V），U_f>U_flow（1 000 V），直接合閘（母線帶電，接觸網(wǎng)已通過(guò)臨站帶電）。

（2）U_rresidue（450 V），U_f>U_flow（1 000 V），直接合閘（母線不帶電，接觸網(wǎng)已通過(guò)臨站帶電）。

（3）U_r>U_flow（1 000 V），U_fresidue（450 V），合線路測(cè)試接觸器，若測(cè)量到的線路電阻R≥R_min（2.5Ω），則斷路器合閘（母線帶電，接觸網(wǎng)不帶電）。

（4）其他情況均閉鎖斷路器合閘。

注：U_r——母線電壓；U_f——饋線電壓；U_flow——線路最小工作電壓；U_residue——線路殘壓；R_min——線路最小電阻。

（5）正常情況下，線路測(cè)試回路接觸器線圈不得電，常開(kāi)輔助觸點(diǎn)打開(kāi)，變送器通過(guò)采樣模塊測(cè)量饋線電壓，并輸入給SEPCOS保護(hù)裝置，保護(hù)裝置通過(guò)內(nèi)部換算得出饋線電壓值。

（6）保護(hù)裝置啟動(dòng)線路測(cè)試時(shí)，保護(hù)裝置輸出高電平，線路測(cè)試回路接觸器線圈得電，常開(kāi)輔助觸點(diǎn)1-2、3-4兩對(duì)接點(diǎn)閉合。

（7）接觸網(wǎng)正常情況下，接觸網(wǎng)對(duì)地電阻近似為無(wú)窮大，回路電流I=1 700/（10 000+2 650+R_負(fù)地）≈0.13 A，流過(guò)采樣模塊采樣電阻R兩端的計(jì)算電壓為8.6 V，經(jīng)采樣模塊穩(wěn)壓整流輸入變送器中，變送器輸入電壓超量程，輸出5 V，保護(hù)裝置判斷結(jié)果為接觸網(wǎng)正常。

（8）如果接觸網(wǎng)短路，假設(shè)接地電阻為1Ω，回路總電流I=1 700/2 651=0.64 A，流過(guò)電阻R的電流約為64 μA，R兩端電壓為4 mV，經(jīng)采樣模塊穩(wěn)壓整流輸入變送器中，變送器輸出電壓非常小，保護(hù)裝置判斷結(jié)果為線路故障。保護(hù)裝置通過(guò)測(cè)量電阻R兩端的電壓確定線路最小電阻值，來(lái)判斷接觸網(wǎng)是否存在故障，進(jìn)而決定斷路器能否合閘。

10 繼電保護(hù)試驗(yàn)實(shí)例分析

以某地鐵35 kV開(kāi)關(guān)柜動(dòng)力變過(guò)流保護(hù)試驗(yàn)為例。將繼保儀電流輸出端子Ia、Ib、Ic、In用四色線黃、綠、紅、黑對(duì)應(yīng)接入，試驗(yàn)線另一端黃、綠、紅、黑對(duì)應(yīng)接入開(kāi)關(guān)柜內(nèi)電流端子用于給保護(hù)裝置加入測(cè)試電流。在繼保儀的開(kāi)入量輸入口A，用紅、黑線接入，試驗(yàn)線另一端用線夾接入開(kāi)關(guān)柜內(nèi)保護(hù)出口端子，用于測(cè)量保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間。繼保儀開(kāi)機(jī)后選用“電壓/電流（交流）”菜單，設(shè)置選項(xiàng)基本為“變量選擇”和“電壓電流”項(xiàng)?！白兞窟x擇”項(xiàng)內(nèi)“第一變量”步長(zhǎng)設(shè)為0.01 A，“程控/手控”選為“程控”，“返回方式”選為“動(dòng)作返回”，“每步前復(fù)歸”選為“單程復(fù)歸”。

過(guò)流保護(hù)試驗(yàn)時(shí)，A、B、C三相均需進(jìn)行設(shè)置。①A相：“變量選擇”項(xiàng)內(nèi)“第一變量”選擇“Ia幅值”，“變化范圍”起點(diǎn)設(shè)為比整定值小0.01，終點(diǎn)比整定值大一倍，“每步時(shí)間”設(shè)為0.35，其余不變?！半妷弘娏鳌表?xiàng)內(nèi)電流值Ia為自動(dòng)，角度值設(shè)為0，Ib電流值設(shè)為比整定值小0.1，角度值設(shè)為180，Ic相電流值設(shè)為0，角度值設(shè)為0，其余不變。即可進(jìn)行試驗(yàn)。②B相：“變量選擇”項(xiàng)內(nèi)“第一變量”選擇“Ib幅值”，其余不變。“電壓電流”項(xiàng)內(nèi)將Ia電流值設(shè)為比整定值小0.1，其余不變。即可進(jìn)行試驗(yàn)。③C相：“變量選擇”項(xiàng)內(nèi)“第一變量”選擇“Ic幅值”，其余不變?！半妷弘娏鳌表?xiàng)內(nèi)將Ia電流值設(shè)為0，角度值設(shè)為0，Ib電流值設(shè)為比整定值小0.1，角度值180，其余不變。

11 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，軌道交通交直流系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)含量高，隨著科技的發(fā)展和不斷更新升級(jí)，工程技術(shù)人員需不斷學(xué)習(xí)新知識(shí)、新技術(shù)，并深入研究保護(hù)動(dòng)作原理及整定計(jì)算原則，才能更好地服務(wù)于地鐵供電設(shè)備運(yùn)行、檢修、試驗(yàn)技術(shù)管理，有效控制安全事件發(fā)生，保障地鐵運(yùn)營(yíng)行車安全和供電設(shè)備安全。

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收稿日期：2023-12-04

作者簡(jiǎn)介：蘇春明（1986—），男，本科，工程師，研究方向：城市軌道交通供電。