直流牵引供电系统馈线保护

罗健儒

（深圳地铁有集团运营总部维修中心 ）

摘要：地铁牵引供电系统各种各样的故障均有可能发生，特别是短路引发的一系列故障危害性较大。因此，设置各类直流开关柜的保护配置，对直流牵引供电系统进行保护。本文主要对直流牵引供电系统馈线保护等进行探索。

关键词： 地铁；直流；保护

引言

城市轨道交通的直流牵引供电系统电气保护配置是否完善、保护定值是否合理，直接关系到地铁的运营安全。直流牵引供电系统包括牵引整流机组、直流母线、牵引网和电动客车等 4 部分电力设备 ，每一部分构成一个保护单元 ，形成一个包含主保护、后备保护、辅助保护的体系.其中牵引网部分由变电所馈出线、接触网、行走轨和回流线构成，由于接触网是向列车供电的唯一线路，长时间处于高速摩擦、振动等恶劣工作环境中，所以牵引网部分发生故障的可能性很高，这一部分的保护系统是否完善、可靠，在很大程度上决定着整个供电系统的安全性和可靠性。牵引网保护通常称作馈线保护，本文作者将对牵引供电系统的馈线保护进行较深入的分析研究。

一、地铁直流牵引网短路电流特点

（1）地铁直流牵引网短路电流特点

a.地铁列车起动时的电流变化率时间以及中远端短路电流变化率的时间较长；b.和负荷电流变化率比较，短路电流的变化率要高很多，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；c.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。

（2）地铁直流保护系统设计要点

直流保护系统设计有以下要点：a.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。b.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。C.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。

二、牵引供电系统保护配置及其原理

（一）大电流脱扣保护

当电流超过整定门限，并达到规定的延时时立即跳闸。直流短路的特点是电流快速上升， 保护在短路电流到达峰值前触发断路器跳闸。对于电流上升非常快的近端短路，大电流脱扣保护往往先于电流速断保护动作。

动作电流Idz的整定：

Idz=kIdmin

式中：k—可靠 系数，一般取1.5左右；Idmin—最小的短路电流值。

大电流脱扣保护的整定依据主要是短路电流值和最大馈线电流值。以牵引整流机组容量为 3000kW 的直流 1500V 牵引供电系统为例，其远端短路电流一般不低于 20kA，最大馈线电流一般不超过 3kA， 而大电流脱扣保护整定范围一般为4～12kA，整定值通常在 6kA 以上。按每列车前后两端各设一个受电弓，列车的最大启动电流 3kA 考虑，当列车前端受电弓通过图1中节点 A 时，馈电电流 I2 的电流增量为 750A 左右，即使与最大馈线电流相加，也不会超过 3kA，因此不会影响大电流脱扣保护动作的可靠性。

（二）di/dt 電流上升率及电流增量保护（DDL）

直流系统短路具有短路电流上升速度快， 短路电流大的特点，因此，di/dt 电流上升率及电流增量保护是直流系统重要的保护。

（1）DDL 保护为接触网中、远端保护，在牵引变电所近端短路时，该保护无法动作，即不能作为大电流脱扣的后备保护。

（2）DDL 保护分为 DDL+ΔI 与 DDL+ΔT保护，该保护通过分析馈线电流增量 ΔI 及时间t的关系来判断故障。

保护不间断监测直流馈线电流If及电流变化率di/dt。当电流变化率 di/dt 高于设定值E时，该保护启动；如电流变化率 di/dt 低于F且未有跳闸出口，则DDL保护停止。

如果测量到的电流增量 ΔI 高于参数设定 ΔImax 的时间大于或等于参数 tΔImax，则 DDL+ΔI 保护动作，同时跳闸信号启动。若保护出口动作前检测到电流变化率 di/dt 低于 F，则整个保护复归，相关参数清零。

如果 Δt 的测量值高于参数 Tmax，同时 ΔI 的测量值高于参数 ΔImin，则 DDL+ΔT 保护动作，同时跳闸信号启动。 若保护出口动作前检测到电流变化率 di/dt 低于 F， 则整个保护复归，相关参数清零。

（三）电流保护（Imax+、Imax++）

由于 DDL 保护动作范围在E值与F值之间，且无法作为大电流脱扣保护的后备。如果短路故障发生在E与机车di/dt之间时，DDL 保护便起不到保护作用。此时只能启动电流保护，即电流保护用作上述两种保护的后备保护，主要通过分析馈线电流识别故障。

SEPCOS-NG电流保护分为定时限过流保护（Imax+）和电流速断保护（Imax++）。电流速断保护（Imax++）作为直流短路近端保护的主保护， 按牵引变电所近端短路时流过馈线断路器的最小短路电流进行整定。

保护装置不间断监测当前电流最大值。如果该电流大于整定值并超过整定时间，保护启动与相应输出激活。如电流小于整定值则保护返回。

（四）低电压保护

用于机车的正常工作电压保护。按机车运行所允许的最低工作电压考虑， 时间应大于交流侧可能出现的故障投切造成的停电间隔，还应考虑作为其它馈线保护的后备保护。

保护装置不断检测馈线电压，如馈线电压低于 UlMin 且延时时间大于等于 TULMin，则保护出口。

（五）热过负荷保护

该保护主要用于接触网的热过负荷保护。当系统电流 di/dt 值小于机车 di/dt值时，由于保护已无法区分与正常负荷电流相当的短路电流， 或长期持续超过接触网的耐受电流值时，用热过负荷作为接触网的保护。

热过负荷保护以流过馈出线电缆和接触网的电流计算接触网的发热量，再根据接触网的热负荷特性、环境条件等，得出接触网的馈线温度进行整定。

（六）框架泄漏保护

框架泄漏保护是针对直流设备特性而特别设置的， 其原理是当直流设备的正极对柜体外壳发生绝缘损坏时， 快速切除故障，保证系统安全运行。 框架泄漏保护分为电流保护和电压保护。

直流设备正常运行时，电流检测回路是没有电流通过的。当直流设备的正极对柜体外壳发生绝缘损坏时， 电流通过电流元件流入地网。当电流达到整定值时，框架泄漏保护的电流元件动作， 整流机组 35kV 断路器及所有直流断路器跳闸，且联跳相邻变电所内向相同供电区段供电的直流断路器。联跳所的直流馈出断路器在跳闸后经 4S 延时，即可通过 PSCADA远方复归故障信号或在变电所内由人工复归故障信号后投入该断路器。故障变电所不能通过 PSCADA 远方复归故障信号，必须在现场故障排除以后，由人工复归故障信号，各断路器才能重新投入。

框架泄漏保护的电压元件根据人体耐受电压-时间特性曲线进行整定，其由两段组成：Ⅰ段报警，Ⅱ段跳闸。

为减少杂散电流，供电系统中配置有排流柜。排流柜未投入使用时，电压元件作为电流元件的后备保护。由于钢轨对地的泄漏电阻大小不可控， 若钢轨对地绝缘良好，接地电流较小，电流元件有可能不動作，此时电压元件可以检测到故障发生时大地对钢轨的电压差，从而引发保护动作。但是在排流柜投入使用时，应将电压元件撤除。

（七）双边联跳保护

为了更加安全地向接触网供电， 地铁供电系统还设置了双边联跳保护，确保在故障情况下，相邻变电所可靠跳闸。正常情况下， 两相邻牵引变电所同时向同一段接触网供电。故障发生时，保护单元检测到保护动作信号，则会通过硬结点向相邻变电所对应直流开关发送跳闸信号， 从而引发该直流开关跳闸。

（八）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。

三、结束语

目前，地铁供电系统配置的各种直流保护，基本上能够快速、准确切除大多数短路故障，但小电流短路故障与正常运行电流仍不易区分，可能导致以上各种保护均无法正确动作。这就需要对该种情况进行大量的分析研究， 从而使其能够准确地被保护装置所识别。

参考文献：

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[2]丘玉蓉，田胜利.地铁直流 1500V 开关柜框架泄漏保护探讨[J].电力系统自动化，2001，25（14）.

[3]董斌.地铁直流牵引供电系统中的 di/dt 和 ΔI 保护[J].机车电传动，2003（3）.

[4]蔡彬，陈德桂.城市轨道交通直流供电的控制和保护系统[J].低压电器，2000（6）.