地铁直流牵引供电系统常用保护技术研究

蒋维佳 陈鑫

摘要：随着近年地铁市场业务在各大城市的快速推广，地铁的安全可靠运行也变得尤为重要。由于国内直流供电起步较晚，直流保护技术发展相对较慢。因此，研究和开发本地化的高可靠性、高智能化的保护技术，具有广泛的应用前景。为此，本文围绕地铁供电系统，对常用的电流、电压保护技术进行了分析和研究。

关键词：地铁牵引供电;保护;短路

引言：通过检测地铁供电系统中电流、电压等主要参量，根据保护策略来判断地铁供电系统中是否发生故障，如果发现有短路等故障存在，则要在规定的时间周期内，采用系统的控制方法使断路器跳闸，从而达到保护供电系统和自动排除故障的目的。跳闸以后，按照控制要求，系统要能对供电系统进行测试，判定故障是否依然存在，如果故障消失则自动重合闸[1]。

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 地铁直流牵引供电系统短路电流特点分析

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，其列车起动电流及瞬时故障短路电流都可以模拟为指数函数。由于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，而线路较长时情况可能相反。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，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。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，依据功能状况划分为馈线回路与整流器回路。直流馈线回路主要是对馈线侧的牵引供电控制和保护，主要是对变电所接触网及直流电缆出现的故障及时切除;整流器回路主要用于对整流器侧的直流输出进行控制和保护，主要是将整流器出现的直流输出故障及时断开。直流保护系统的设计要点有：其一，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。其二，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，如：地铁列车在经过接触网分段时的冲击电流影响、地铁起动电流和电压的影响等。其三，各类保护之间的配合，确保直流系统出现短路故障时故障能够有效切除[2]。

2 地铁直流牵引供电系统的馈线保护技术

2.1 大电流脱扣保护

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。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1500Vdc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，因此正常的地铁运行电流不会影响大电流脱扣保护动作的可靠性。

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，以及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瞬时跳闸和延时跳闸两部分。当瞬时电流超过整定門限，断路器本体立即跳闸。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：第一，在直流系统正常工作中，保护装置对电流上升率进行实时监测，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。第二，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。

在运行中，保护装置不断检测电流上升率， 当电流上升率高于保护设定的电流上升率时，保护启动， 进入延时阶段。若在整个延时阶段，电流的上升率都高于保护设定值，那么保护出口跳闸;若电流上升率回落到保护设定值之下，那么保护返回。图1反映了一个电流波形在两种保护整定值下的动作情况，分别用（1）和（2）来代表。在点a由于电流上升率高于di/dt整定值，保护启动。

情况（1）：在b点，电流达到保护延时整定，且在ab间电流上升率始终高于di/dt整定值，保护动作。情况（2）：在c点，电流上升率回落到保护整定值下，而此时保护延时整定值尚未达到，保护返回。

电流增量保护需设置如下4项参数：跳闸整定值延时整定值、返回延时整定值、斜率。在电流上升率保护启动的同时，电流增量保护也启动，进入保护延时阶段， 从电流增量保护启动的时刻起，继电器开始以启动时刻的电流作为基准点来计算相对电流增量值。若电流上升率一直维持在电流增量保护要求的斜率整定值之上且在达到额定延时后，电流增量值达到跳闸整定值，则保护动作。在计算电流增量的过程中，允许电流上升率在相对较短的时间内回落到斜率整定值之下，只要这段时间不超过电流上升率的返回延时整定值，保护不返回;反之，保护返回。图2反映了电流增量保护针对4种典型电流的动作情况[3]。

情况（1）：保护未动作，电流增量虽然超过跳闸整定值，但延时时间不足。

情况（2）：保护动作，电流增量超过跳闸整定值，延时时间满足。

情况（3）：保护动作，电流增量超过跳闸整定值，延时时间满足。在电流上升的过程中，虽然电流上升率曾经回落到斜率整定值（di/dt整定值）以下，但未达到返回延时值，因此保护未返回。

情况（4）：保护未动作，在电流上升的过程中，电流上升率回落到斜率整定值以下，且超过返回延时值，因此保护返回，在e点保护重新起动，并以e点作为新基准点。

2.3 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，整流机组中压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，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斷路器。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，排流柜投入使用时，应将电压元件撤除[4]。

结论：

地铁直流牵引供电系统的核心是直流供电的控制和保护技术，它直接关系到地铁安全可靠的运行。本文通过对地铁常用大电流脱扣、电流增量及上升率等保护的研究，对国产地铁直流供电相关技术具有理论价值和借鉴作用。

参考文献：

[1]徐劲松，高劲，江平，等.浅析地铁直流牵引变电所的保护原理[J].电气化铁道，2017，06（10）：61-62.

[2]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，2018，13（14）：74-75.

[3]周捷，宋云翔，徐劲松，等.直流牵引供电系统的微机保护测控探讨[J].电网技术，2016，12（29）：62-63.

[4]王晓红.地铁直流馈线保护研究[D].西南交通大学，2016，05（35）：57-58.