直流牵引供电系统继电保护整定计算方法

高云霞

0 引言

直流保护对地铁直流牵引供电系统运行的安全性和可靠性起着极其重要的作用。由于直流牵引供电系统和直流保护自身的特殊性，保护的整定计算复杂、配合困难，且没有成熟的计算方法可以参考借鉴，如何才能得到理想的直流保护定值是地铁供电系统继电保护工作者长期以来的研究课题。

1 直流短路故障特性

地铁直流牵引供电系统由整流机组、直流开关柜、直流电缆、牵引网等部分组成。直流系统的短路分析方法是RL 回路的暂态响应分析，基本理论是戴维南定理与叠加定理，短路电流I = U(1-e-t/τ)/R（时间常数τ = L/R），di/dt = Ue-t/τ/L。直流短路的显著特征之一是回路电阻和电感参数的大小对短路电流的大小和特性影响非常大，因此接触网近、中远端的故障电流特性有很大差别。

1.1 馈线近端短路特性

短路点距变电所越近，电流上升率越大，短路电流也越大。当接触网发生近端短路时，预期短路电流峰值一般可达80 kA 以上，初始电流上升率di/dt 可达5 kA/ms 以上，如不快速切除，短路电流将在极短时间内上升到最大值，对系统和设备造成极大危害，因此必须在短路电流达到峰值之前快速切除。牵引变电所近端短路特性如图1 所示。

图1 牵引变电所近端短路特性示意图

1.2 中远端短路特性

中远端的短路电流，由于线路电感的作用，τ值增大，短路电流变化相对缓慢，初始上升率较小，中远端短路特性示意图略。

2 馈线的保护配置及原理

2.1 保护配置方案

由于近端和中远端的短路故障特性差异较大，单一的一种保护难以兼顾速动性与选择性的要求，需要根据直流系统近端以及中、远端的故障特征分别配置相应的保护。直流馈线配备如下保护：大电流脱扣保护（断路器本体DA 保护）；ΔI、di/dt 保护；热过负荷保护；双边联跳保护。其中最重要的是大电流脱扣保护和ΔI、di/dt 保护，两者分别作为接触网近端和中远端的主保护。

2.2 保护原理

直流快速断路器本体的大电流脱扣保护，作为接触网近端短路的主保护，采用磁脱扣原理，其机械响应时间和全分断时间（燃弧熄灭时间）均与电流变化率有关，当直流短路电流上升率达到5 kA/ms 时，直流快速断路器的机械响应时间只有3～4 ms，全分断时间（燃弧熄灭时间）为25 ms左右。断路器能在短路电流达到峰值之前快速切断以限制短路电流。近端短路断路器分断电流波形如图2 所示。

图2 近端短路断路器分断电流波形图

对于中远端短路故障，由于短路电流上升率di/dt 较小，大电流脱扣保护动作时间相对较长，灵敏度也不高，直流馈线配备采用微处理器构成的反应电流增量的ΔI 保护和电流上升率的di/dt 保护，分别作为接触网中、远距离短路故障的主保护。

ΔI 保护是在电流上升率di/dt 高于整定值的条件下检测电流增量，在到达峰值电流之前检测到短路。当di/dt 高于整定值，保护装置启动，并开始计算ΔI，保护装置启动时刻的电流作为基值。达到ΔI 延时后，若ΔI 达到ΔI 整定值（ΔItrip），则保护装置动作。ΔI 保护装置动作特性及跳闸逻辑如图3所示。图中曲线2 和曲线3 满足动作条件，保护装置判断为故障，动作跳闸；曲线1和4 都不满足动作条件，因此不跳闸。

di/dt 保护通过检测di/dt 检测到远端短路。当di/dt 高于整定值，保护装置启动，若di/dt 持续超过定值一段时间（di/dt 延时）后，则保护出口跳闸。di/dt 保护装置动作特性及跳闸逻辑如图4 所示。图中第1 种情况满足跳闸条件，出口跳闸；第2 种情况不满足跳闸条件，因此不跳闸。

不同厂家的保护装置动作原理和整定参数稍有不同，但没有本质差别。

图3 ΔI 保护装置动作特性曲线图

图4 di/dt 保护动作特性曲线图

3 整定配合计算方法

整定值是否适用是直流保护装置能否发挥作用的关键因素之一。为得到理想的保护定值，必须进行短路计算和保护校核计算。

3.1 直流短路计算

短路计算目的是确定直流馈线保护定值并进行灵敏度校验。主要计算直流牵引供电系统在各种运行方式下接触网-回流轨和接触网-架空地线短路在某一时刻的短路电流I 及其变化率di/dt。采用的基本理论和方法是戴维南定理与叠加定理，及RL动态回路的暂态响应分析方法。短路计算的关键是回路总电阻R 和总电感L 的确定。因接触网-回流轨和接触网-架空地线2 种故障的短路电流流回牵引变电所的路径不同，R 和L 的计算有所不同。

3.2 馈线保护的整定计算

3.2.1 大电流脱扣（DA 直接脱扣保护）整定

（1）首先按躲开馈线最大负荷电流计算整定初值。

（2）为保证选择性，DA 定值还应与相邻供电区间近端短路时的保护配合，不致越区跳闸。

（3）供电臂两侧的馈线保护定值应相同。取同时满足以上几个条件的最大值作为馈线的DA保护定值。

3.2.2 di/dt 保护（di/dt、di/dtduration）整定

（1）di/dt 初始定值。该值应大于机车启动时的最大电流变化率，同时应小于越区供电时区间末端短路t 时刻的短路电流变化率di/dt│t=di/dtduration。

（2）延时时间（di/dtduration）定值。di/dt 保护范围至下一相邻供电区间末端，为保证选择性，其延时时间应与相邻供电区间的保护配合。同时，还应考虑机车内LC 滤波回路充电时（如受电弓的离线导致滤波器充电）可能引起的di/dt 保护装置误动。di/dt 延时时间定值应大于T/2（T 为滤波回路充电电流变化率的谐振周期），（L 为滤波回路与线路的总电感）。取上述2 种计算结果中的较大值作为延时时间的定值。

3.2.3 ΔI 保护整定

ΔI 保护整定的主要参数为di/dt、ΔI、ΔIdelay、di/dtduration。其中di/dt、di/dtduration为ΔI 保护元件的参数，不同于di/dt 保护元件的参数。

ΔI 保护同样要考虑与机车特性配合，躲过机车启动或机车滤波器充电导致的ΔI 保护装置误动。另外为保证选择性，还要考虑与相邻供电区间的保护配合，不致越区跳闸。在该原则下，不同厂家的ΔI 保护可以有多种整定方法，可以用ΔI 定值配合，也可用di/dt 定值配合（若ΔI 保护元件的di/dt 与di/dt 保护元件的di/dt 可单独整定），也可用ΔI 延时时间（ΔIdelay）配合，不论用哪种方法整定，ΔI和di/dt、ΔIdelay定值之间是相互关联的。

（1）用ΔI 定值与相邻供电区间保护配合：

a.di/dt 定值。di/dt 定值可与di/dt 元件的di/dt定值相同，也可高于该值。

b.ΔI 定值。第1 步，首先按躲开机车滤波器最大充电电流整定；第2 步，与大电流脱扣的DA定值相似，与相邻供电区间近端短路时的保护配合。ΔI 定值取上述2 个计算结果的较大值。

c.ΔI 延时时间（ΔIdelay）定值。由于ΔI 定值已考虑了配合，ΔIdelay取值可以尽可能的小，一般取1～3 ms 即可。

（2）用di/dt 定值与相邻供电区间保护配合。用该方法整定的前提条件是ΔI 元件的di/dt 与di/dt元件的di/dt 可单独整定：

a.ΔI 元件的di/dt 定值。di/dt 躲开区间末端短路电流初始变化率。

b.ΔI 定值。由于di/dt 已考虑了与相邻区间的短路配合，ΔI 定值可不必再考虑与相邻区间的保护配合，仅按躲开机车牵引滤波器最大充电电流整定即可。

c.ΔI 延时时间（ΔIdelay）定值。由于di/dt 定值已考虑了配合，ΔIdelay取值可以尽可能的小，一般取1～3 ms 即可。

（3）用ΔIdelay与相邻供电区间保护配合。di/dt定值按躲开机车启动、ΔI 定值按躲开机车牵引滤波器最大充电电流整定，ΔIdelay与相邻区间短路保护配合，ΔIdelay取40 ms 即可。

3.2.4 热过负荷保护

根据接触网和馈线电缆的热特性及其载流量进行整定，不需与其他保护配合，在此不做赘述。

3.3 馈线保护定值的校核

初始定值确定后，应在系统所有运行方式下对保护装置进行校核计算，验证各种保护的保护范围和灵敏度，确保配置的保护系统能够相互配合，对直流供电系统实现全范围的有选择性短路保护。

4 结束语

虽然地铁直流保护的整定、配合困难，但并非无“法”可依，采用科学的计算方法是得到理想定值的前提条件和必要途径，本文提出了地铁直流保护的几种整定计算方法，对于地铁供电系统的直流保护设计具有指导意义。该“计算方法”应用于广州地铁的设计，经过短路试验和实际运营的验证，得到了理想的预期效果，并被上海、北京、南京等多个城市地铁工程设计广泛采用。