地铁直流牵引供电系统馈线的保护技术研究

摘 要：作为直流牵引供电系统保护中的重要组成部分，馈线保护对于保证供电系统的安全性和可靠性具有重要作用。文章首先介绍了地铁牵引网短路电流特点和直流保护系统设计注意要点，然后具体探讨了地铁直流牵引供电系统的馈线保护技术，以期为相关技术与设计人员提供参考。

关键词：地铁；直流牵引供电系统；馈线保护技术；研究

1 地铁直流牵引网短路电流特点及直流保护系统设计要点

1.1 地铁直流牵引网短路电流特点

（1）通常相比地铁列车起动时的电流变化率持续时间，中远端短路电流变化率的持续时间较长；（2）地铁直流牵引供电系统馈线瞬时故障短路电流及列车起动电流都可以模拟为指数函数；（3）相比较地铁列车起动的瞬时跳跃量，末端短路电流的瞬时跳跃量较高，而当线路延长时情况可能相反；（4）相比较负荷电流变化率，通常短路电流的变化率要高，而远端短路电流变化率同地铁起动的最高电流变化率相一致；且当直流馈线不断延长时，末端故障电流变化率可能要低于负荷电流变化率；（5）若车流密度及直流馈线距离达到一定值时，最高负荷电流可能会高于或等于末端短路电流。

1.2 地铁直流保护系统设计要点

直流牵引供电系统的保护，主要采用直流开关设备实施保护。在系统中，依据功能状况可以将直流断路器划分为馈线回路断路器与整流器回路断路器。直流馈线回路断路器主要用于对馈线侧的牵引供电控制和保护，其能在变电所接触网及直流电缆出现故障时及时将故障切除；整流器回路断路器主要用于对整流器侧的直流输出进行控制和保护，其能在整流器故障出现时及时将整流器的直流输出断开。直流保护系统的设计要点有：

（1）应分析部分特殊故障形势下的保护，如屏蔽门与接触网的短路故障、隧道电缆支架与接触网的短路、架空接地线与接触网的短路等。

（2）在地铁的日常运行中，直流保护系统应避免误跳闸问题以降低对地铁运行的影响，其可能会产生的影响有地铁列车在经过接触网分段时的冲击电流影响和地铁起动电流、电压影响等。

（3）应加强各类保护之间的配合，以确保当直流系统出现短路故障时故障能够有效切除。

2 地铁直流牵引供电系统的馈线保护技术

2.1 接触网热过负荷保护

接触网热过负荷保户是电流上升率保护的辅助保护。此种保护的工作原理为：接触网热过负荷保护以接触网处的横截面积、电阻率修正常数、电流、电阻率及长度等为依据对接触网的发热量进行计算，然后分析空气比热、接触网热负荷特性及通风量等条件影响，按照经验公式计算出接触网的电缆温度。若检测到电缆温度高于整定值时并立即报警，发出跳闸命令，以此对接触网进行保护。

2.2 电流增量保护与电流上升率保护

电流增量保护与电流上升率保护是地铁直流馈线保护中的主保护，其不仅能够将近端的短路电流切除，还能将大电流脱扣保护未能切除的小故障电流的远端短路故障切除。此种保护的配置方式能有效避免单独采用电流增量保护的拒动问题和单独使用电流上升率保护的干扰误动问题，其保护动作通常分为延时跳闸与瞬时跳闸两部分，动作较早的决定对高速直流断路器的断开。延时跳闸元件主要用于对远端短路电流进行识别并实施跳闸。

此种保护的动作原理为：（1）在直流系统正常工作中，保护装置对电流上升率进行实时監测，若电流上升率在既定时间内比保护整定的电流上升率高时，则电流上升率保护动作，进入延时阶段；如果在延时阶段内电流的上升率始终比保护设定值高，则启动保护动作；若在延时阶段内，电流的上升率恢复到保护设定值范围内，则保护返回。（2）在电流上升率保护动作开始时，电流增量保护也会进入保护延时阶段，且保护以继电器启动时刻的电流为基线对相对电流增量进行计算。当电流上升率始终高于保护设定值时，当满足电流增量保护延时值时，电流增量同时也会高于保护设定值，此时电流增量保护动作。

2.3 自动重合闸

当直流系统出现短路故障时，保护装置动作，待短路故障排除后需将断路器进行合闸才能使系统恢复运行。通常直流牵引网的短路故障都具有瞬时性特点，当故障排除以后供电系统应能在短时间内快速恢复供电。自动重合闸正好能够满足此项要求。其动作原理为：自动重合闸的基本功能是在排除直流牵引网的瞬时性故障后使断路器重新合闸，保证系统恢复供电的可靠性与高效性。自动重合闸应保证自身不存在任何故障，以避免断路器因分合闸次数过多而大致寿命缩短，或造成断路器主触头损坏，所以在重合闸前应先测试故障线路，保障故障排除后再进行合闸。如果重合闸次数高于整定值，则将故障诊断为系统永久性故障，将重合闸回路关闭。

在自动重合闸中，若线路故障诊断为永久性故障则重合闸不发生动作；若变电所是被联跳分闸，则应先将变电所合闸再开启重合闸；若是手动分闸，则自动重合闸不发生动作。

2.4 大电流脱扣保护

大电流脱扣保护是一种开关自带保护，其基本功能是将较大的短路电流切除。过大的短路电流经常会严重损坏线路，所以在此种短路电流出现时应及时进行切断，且应保证切断过程在短路电流达到峰值前。若被保护线路短路电流的最低值为Idmin，动作电流设定应为Idz>kIdmin，k表示可靠系数。当检测到短路电流高于动作电流时应立刻进行挑闸动作，其自身动作时间通常在几毫秒以内，因此大电流脱扣保护动作异常灵敏，特别对于电流上升过快的近端短路故障，通常在电流增量保护及电流上升率保护动作前已经完成跳闸。

2.5 定时限过流保护

此种保护通常作为电流增量保护与电流上升率保护的后备保护，基本功能是对远端短路故障进行切除。其动作时间通常为十几秒到几十秒，对于故障部分的切除具有一定的延时性。在保护启动值设定时往往分成负方向设定值和正方向设定值两方面。

3 结束语

直流馈线保护的质量将直接关系着地铁供电系统运行的稳定性与安全性，因此，相关技术与设计人员应加强有关地铁直流牵引供电系统馈线保护的研究，总结地铁直流馈线保护系统的设计要点及关键技术措施，以逐步提高直流馈线系统的保护水平。

参考文献

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作者简介：陈自满（1984-），男，广东省揭阳市人，助理工程师，大学本科，深圳市地铁集团有限公司运营总部，从事地铁供电系统运行维护工作。