脉冲技术在城轨直流馈线保护中的作用

尹 科，徐银飞



脉冲技术在城轨直流馈线保护中的作用

尹 科1，徐银飞2

（1. 株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲 412000；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

介绍了城轨直流控制系统短路形式及特点。对城轨用直流断路器各分闸方式的固有动作时间进行对比，论证了脉冲脱扣保护的优势。

城轨直流控制系统 固有动作时间 脉冲脱扣保护

0 引言

随着我国城镇化步伐的加快，城市轨道交通的显著优势越来越被人们重视。现代化的服务、可靠的运行时间使其成为人们出行的首选。因此城轨交通正成为全国多个城市交通发展的首选。

我国城轨交通所采用的直流牵引系统主要有750 V和1500 V两种电压等级。由城市电网经过变压器、整流器等到达直流电网，再向轨道机车供电。整个直流牵引系统由很多电器元件组成，而各个电器的短耐能力各有不同。为防止短路故障对牵引系统造成较大范围破坏，牵引系统由多级短路保护组成。

城轨交通牵引供电系统直流侧容易出现短路故障，随牵引系统的结构复杂程度，短路工况经常也表现出其复杂性，其造成的破坏程度也不一样。短路故障状态的不同、系统电流与短路电流的识别等都对系统保护提出较高的选择性与速动性要求。短路电流通常可达到系统电流的10到20倍，甚至更高，其严重影响城轨交通的可靠运行。短路电流参数不确定，直流侧短路工况最早起保护作用的是直流断路器，而目前直流断路器一般只有过流保护，其保护较单一。而脉冲配合综保系统可以使直流保护更加完善，其意义对直流牵引系统非常重要。

1 直流牵引系统组成及短路形式分析

1.1 牵引系统组成

直流牵引供电系统因外部电源方案不同，电压制式有所不同。外部电源方案有集中式供电、分散式供电、混合式供电，这里以集中式供电进行说明。

所谓集中式供电方案，是指由专门设置的主变电所集中为牵引变电所及降压变电所供电的外部供电方式，每个主变电所有两路独立进线电源。外部电源110 kV经变压器降压后变成35 kV或10 kV，即中压网络，再由降压所和牵引变电所降压整流后，变成低压直流电，满足城轨机车使用。低压直流电再经过进馈线柜输入接触网。其结构如图1。

1.2 短路形式分析

城市轨道交通短路故障主要有接触网对地短路和接触网对走行钢轨短路。可理解为正极对地短路和正极对负极短路[1]。

直流牵引系统中，直流供电设备除了采用对地绝缘安装方式外，还需要在设备金属外壳和地之间设置直流框架泄露保护。当供电设备和柜体间发生电流泄露时，就会造成变电所正极对柜体外壳短路，形成牵引网正极对地短路故障。三轨绝缘支架如果发生绝缘老化后，也会造成接触轨对地短路故障。

接触网对走行轨短路，一般是由机车故障造成。当发生这种短路故障时，随短路点到牵引变电所的距离不同，短路电流会有很大的差别。当发生近端短路时，短路电流会对系统产生很大的冲击，其d/d很大。当发生远端短路时，短路电流曲线接近于指数函数曲线，d/d较小，电流幅值也小，其发生过程和最大负载下一个分区内多部列车连续启动时的电流形态非常相似，所以甄别远端短路和列车启动电流是牵引变电所直流保护的难点。

图1 集中式供电方案结构图

1.3 短路故障甄别

短路故障的甄别主要指保护系统区分远端短路故障和列车启动电流。因远端短路故障电流上升率，峰值都比较小，通常与列车启动或通过牵引网分段时的电流瞬时值比较接近，甚至小于该电流，所以远端短路故障的区分是牵引系统直流保护的难点。

对远端短路故障的甄别一般是利用馈线电流的电流变化率、电流增量及时间的变化，对短路电流和列车启动电流进行区分，使馈线开关在线路发生最小短路电流时跳闸，而列车启动时保护不动作[3]。

2 城轨牵引供电系统直流侧短路保护形式

城市轨道交通直流牵引系统直流保护形式有多种，而主要的执行元件是进线或者馈线断路器。短路工况比较复杂，且危害性较大，除了综合保护装置要准确可靠的判断出短路故障，断路器也要迅速进行短路切除。

2.1 短路工况的复杂性

城市轨道交通直流牵引供电系统短路工况比较复杂，这主要可以从以下几点进行解释[2]：

1）供电电源多。城市轨道交通直流牵引供电系统，由多个牵引变电所与牵引网共同构成一个多电源的网络，当接触网发生短路时，并非只有靠近短路点的两座牵引变电所而是全线的牵引变电所都通过牵引网向短路点进行供电。

2）供电方式多。根据运营要求，每个供电分区都可以进行单边供电、双边供电或大双边供电。

3）供电回路多。城市轨道交通直流牵引供电系统，因供电电源多、供电方式多，必然导致供电回路多、网络复杂化。

4）回路参数多。因电源多、方式多、回路多，决定了供电网络中回路参数多。

同时短路形式又有多种，且短路故障和正常运营的部分特殊时段工况又比较近似，这就要求保护系统要比较灵敏、可靠性要高。短路电流危害性比较大，一旦确认短路故障，保护执行元件需要迅速动作切断故障回路。

2.2 短路保护形式

城市轨道交通牵引系统目前都是采用的微机综合保护装置，简称综保。综保装置通过软件来实现保护功能，其软件对供电系统中的各种复杂故障具有很强的综合分析能力和判断能力。综保装置可以实时对系统进行检测，并迅速地进行采用计算，反复精确地校核。在供电系统发生故障的暂态时期内，能正确判断故障，当故障发生变化时，也能及时做出判断和自我修正。

除断路器本体大电流脱扣保护外，借助于综保装置的强大功能，可以实现多种保护形式。这些保护形式多作为断路器主保护的后备保护，而且各保护之间也存在备用关系。保护层次多样化，可以对各种不同的短路形式进行判定，且针对不同的牵引供电系统也可以选择不同的保护配合。这些保护形式主如表1。

2.3 断路器分闸方式比较

短路保护最终执行元件为断路器，目前城市轨道交通牵引系统使用的直流断路器具有的分闸方式主要有：1)紧急手分，2)大电流脱扣，3)分励线圈分闸，4)脉冲脱扣动作分闸。

表1 保护形式

安全起见，地铁运营时，变电所内一般不允许有人员在所内活动，所以紧急手分在系统发生短路故障时，基本不会形成分闸保护；大电流脱扣是完全有可能启动的，当短路电流大于整定值时，大电流脱扣保护形成断路器分断保护。按快速直流断路器定义，其大电流脱扣固有动作时间为5 ms以内。但是大电流脱扣保护功能是呆滞的，只有电流大于整定电流时，才会起保护作用。而面对种类繁多的短路形式，其保护显得比较局限；分励线圈分闸，即由断路器本身分闸机构产生分闸力，实现分闸保护。但缺点是，一般断路器分闸机构为电磁机构，其固有动作时间比较长，一般可达到10 ms甚至更高，且由控制系统给出分闸命令仍需要时间，这对短路保护的迅速性非常不利；脉冲脱扣，脉冲脱扣动作非常迅速，可达到3 ms以内，且其通过晶闸管控制电容放电，从得到命令到放电完成基本不到1 ms。其固有动作时间比较如下表2。

表2 固有动作时间比较

实际运营过程中，除断路器本体大电流脱扣外，其他保护形式均以综合保护装置与分励线圈分闸保护配合或者以综合保护装置与脉冲脱扣配合来实现。从以上时间分析，可以看出以脉冲脱扣为保护动作输出的后备保护具有明显的速动优势。

3 脉冲原理及保护优势

脉冲脱扣本质为电磁斥力机构。电磁斥力机构作为一种快速操动机构，其各方面性能均优于普通弹簧机构和永磁机构[4]，其在电力系统故障限流、电能质量控制等诸多领域具有广阔的应用前景[5]。将脉冲技术应用于直流牵引系统中，必然会使城市轨道交通直流牵引系统的保护达到更好的效果。

3.1 脉冲原理

脉冲技术所使用的电磁斥力机构并不复杂，其主要组成部分如图2所示：

图2 机构主要组成部分

斥力盘通常为铜或者铝，呈圆盘状，其与下侧的线圈间距越小产生的电磁冲击斥力越大。线圈有效载流线径较大的铜芯漆包线，线圈电阻极小，匝数较多，可以瞬间产生非常大的感应电磁通。通路开关需要采用晶闸管导通，可以保证开通回路尽量少的消耗时间。电磁斥力机构不可以采用恒流源等一般电源作为线圈电源，需要采用较大的电容进行放电，因为电容放电能够达到纳秒级别，且放电容量可以控制。

斥力机构需要有放电触发控制系统，可将K作为斥力机构对放电控制系统的接口。当控制系统接收到综合保护装置发送的命令后，控制系统将K闭合，导通放电回路，电容对线圈放电。线圈中瞬间产生非常大的电磁场，变化的电磁场在上方金属盘中产生涡流，涡流产生的磁场与电磁线圈产生的磁场作用，将巨大的电能转换为机械能，使斥力盘受到非常大的斥力而往上运动。在实际应用中，只需要将断路器锁扣机构与斥力盘进行连接，利用其运动将锁扣机构脱扣，即可实现快速分闸。

3.2 脉冲保护优势

直流短路保护分断电压电流原理如图3，ss为稳态短路电流值，d/d为电流上升率，c为短路电流时间常数cut off是断路器切断电流，cut off’是脉冲脱扣保护时的切断电流，arc’是脉冲脱扣保护时的弧压。直流保护中一个重要的参数为限流系数，限流系数为切断电流与稳态短路电流的比值，限流系数表明保护系统性能。限流系数小表明保护系统越早切除故障电流，使短路电流对回路系统的危害降为最低。

图3 直流短路保护分断电压电流原理

短路工况下，当综保将保护命令发送给断路器，并由断路器实现分闸保护。不论何种保护形式，保护切断时间最终都由执行元件断路器决定。断路器执行分闸动作又有多种形式，可以与综保配合的有分励线圈分闸和脉冲脱扣分闸。由以上分析可知，当短路保护采用脉冲脱扣作为分闸执行操作时，耗时最短。

4 结论

以上所述，城轨交通直流牵引系统，采用脉冲脱扣技术作为短路保护中断路器分闸执行器时，可以有效地切断短路电流，限流系数比由分励线圈分闸更小，保护性能更优越，适合大范围推广使用。

[1] 张永祥, 刘岩. 牵引供电系统直流侧断路器故障分析[J]. 实用技术推广, 2014(23): 176-177.

[2] 于松伟, 杨兴山, 韩连祥, 张巍. 城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M]. 成都: 西南交通大学出版社, 2008.

[3] 鲁小兵. 城市轨道交通远端短路电流鉴别研究[D]. 成都: 西南交通大学电气工程, 2012.

[4] 董恩源, 李博, 邹积岩. 超高速斥力机构与永磁机构的实验性能对比分析[J]. 高压电器, 2007, 43(2):125-126.

[5] 董力, 李庆民, 肖茂友等. 两次电流转移型短路电流限制器的研究[J]. 电工技术学报, 2004, 19(3): 21-24.

The Role of Pulse Stripping Technology in DC Feeder Protection of Urban Rail

Yin Ke1, Xu Yinfei2

(1. Zhuzhou CRRC Times Elertric Co., Ltd, ZhuZhou 412000, Hunan, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

A

1003-4862（2019）05-0030-03

TM773

2018-12-10

尹科（1982-），男，工程师。研究方向: 牵引系统与信息化。E-mail: yinke@teg.cn