地铁直流牵引供电系统馈线保护技术研究

兰州市轨道交通有限公司运营分公司 张 鑫

1 地铁直流牵引供电系统特点与保护要求

1.1 特点

地铁直流牵引供电系统主要包括牵引变电站、架空接触网。由于该供电系统直接与地铁相连接，同时具有一定的独立性，因而受到外界干扰因素的影响较小，引发地铁运营事故的可能性也随之降低。在实际的地铁运行中具有重要的作用。加强对供电系统中的馈线保护，有助于降低误动率。加之馈线保护的高变化率，使得地铁在运行中能保证最高电流的稳定性。地铁直流牵引供电系统内部进行配置相应的馈线保护装置过程中，需要遵循以下原则：

保证装置的简洁性。供电系统由于长时间运行容易发生短路、过流过压以及超负荷问题，当故障发生后容易造成地铁无法正常运转而引发一系列的问题。对于短路故障来说，应保证馈线保护技术在应用过程中能对故障问题进行科学、合理的解决，从而确保供电系统能在最短时间内恢复正常供电，保证地铁正常运行。因此需馈线保护装置更加简洁、方便，进一步降低地铁系统的维修和保养成本。

保证系统装置的均衡性。馈线保护装置的主要应用目的在于保持供电系统信号传输的流畅。在进行馈线保护时，需与供电系统的运行规律相结合，从而确保馈线保护装置使用更准确，在保证均衡性的同时有效解决供电系统故障问题。使得供电系统能稳定持久地获得所需电能，降低故障发生的概率，影响地铁的正常调度。能对故障类型进行有效判定进而实现提前预警，有效提升系统运行的有效性和可靠性。

1.2 要求

1.2.1 设计要求

供电系统在地铁的实际运行中需要重视对电流和电压的科学保护。在实际操作时，地铁直流牵引供电控制系统应主要依据整体功能和系统的实际运行方式和状态实现对直流断路器的科学划分，通常情况下，直流断路器的划分方式可分为整流器回路断路器、馈线回路断路器两种。其中，直流馈线回路断流器可对牵引供电系统进行科学控制，而整流器回路断流器则能进行系统的有效保护。在实际的供电系统设计过程中，需从以下方面入手：

如地铁在实际运行中发生跳闸等问题时，此时的接触网电流和电压则较大，影响地铁的正常运行。所以在进行地铁牵引直流供电系统设计时，应将重点放在系统跳闸问题上；实现各类保护装置间的配合，防止直流系统出现短路问题；做好系统特殊故障的保护工作，在供电系统运行中不仅容易发生常规性的系统故障问题，还容易产生特殊故障问题。例如，屏蔽门和接触网也容易发生短路，所以在进行地铁牵引直流供电系统设计过程中，应做好特殊故障的保护工作[1]。

1.2.2 保护要求

地铁的运行效率受到直流牵引供电系统设备、地铁运行方式及继电保护装置的影响，通常地铁直流牵引系统的馈线保护分为电流类保护、电压类保护、框架类保护等。需注意的是，地铁直流牵引系统馈线保护方式种类较多，通常情况下能通用，当前使用最广泛的保护方式为电流类保护。由于地铁直流牵引供电系统在实际运行中发生最多的故障为短路问题。当地铁直流牵引供电系统发生短路问题时，容易导致电流迅速增大，电压随之降低，造成整个供电系统的混乱。因此在对地铁直流牵引供电体系进行保护时，首先应最大程度降低牵引供电系统发生故障的可能性，进一步提升系统的灵敏性和可靠性，其次采取有效的保护措施，使其能有效满足不同的供电方案。最后，采用智能化的电流故障识别装置，有效保护供电系统。

2 地铁直流牵引供电系统控制功能及原理

2.1 分合闸操作

在供电控制系统中，保护装置的分合闸可分为两种，即电保持型断路器、磁保持型断路器。上述两种分合闸能实现合闸线圈通电时间的有效控制工作。其中电保持型断路器能保持合闸线圈的长期性通电，在输出1s 脉冲后，合闸线圈会随之得到一定的电流。在此过程中，利用逐步降低电流得到保持电流的方式确保断路器准确停留在合闸位置上。而磁保持型断路器则为短时期的通电，在输出1s 脉冲后，此时的合闸线圈同样会得到一定的电流，促使断路器能立即发生合闸，此时线圈失去电流。需要注意的是，自动合闸不得进行故障试合闸，避免因分合闸此时增加而导致断路器的过度损耗[2]。

2.2 联跳

联跳功能主要是指利用联跳电缆和两侧的变电所直流开关中的继电器实现相互动作保护。当联跳发送相应的回路信号后，通过联跳继电器和相邻变电所的电缆将其发送给相邻的变电所的馈线柜中，当相邻变电所的馈线接收柜接收到信号后，通过继电器实现联跳信号的接收，再进行各类联跳动作的保护和控制。当相邻变电所的馈线柜在同一时间内进行馈线区供电时，当发生馈线短路和过流时，两个变电所的馈线柜需要及时进行双边联跳，当其中任意一个变电所发生框架故障时，变电所中的馈线需要联动跳闸。

如跳闸是因框架保护动作时相应的保护装置能进行自动识别，不仅能有效控制跳闸馈线断路器，还能进行联跳的同时及时断开相邻变电所的断路器。该功能作为保护装置中的保护动作，此时需进行外接线的加入。但需要注意的是，如馈线断路器由于变电所出现启动时，保护装置能及时的显示联跳信息。

2.3 线路测试系统

线路测试是常用的测试系统，因而存在不同的馈线柜中，因此合闸动作前需对线路段进行测试，避免断路器和近端短路故障进行联通。通常情况下，如实际操作过程中的电阻值比额定值低时无法进行合闸。通常情况下，线路测试的次数和测试时间间隔都可依据实际情况进行合理的调整。

3 地铁直流牵引供电系统馈线保护技术要点分析

3.1 大电流脱扣保护技术

在地铁直流牵引供电系统中危害最大、发生频率最高的短路电流故障对供电控制系统影响也最大。所以，在实际的馈线保护过程中应提高对短路故障的重视程度，大电流脱扣保护技术的有效应用可充分解决短路故障，同时由于大电流脱扣保护直接存在直流馈线回路断路器中，所以当供电系统发生短路时，能立即跳闸，对馈线进行有效保护。其中对大电流脱扣保护装置来说，其基本公式为Idz＞kIdmin，在该公式中，k代表可靠性系数，Idz则代表最大脱扣保护电流，而Idmin则代表短路时产生的最小保护电流。从上述公式中可得出，当直流断路器检测到的电流比定值电流大时会及时进行脱扣和跳闸，因而有效的应用大电流脱扣技术，能科学地解决控制系统中的近端短路故障问题。

3.2 过流保护技术

之所以采用过流保护技术，原因在于能在短路故障发生后对传输线进行有效保护，防止超高电流现象的发生，导致系统发生运行问题。在过流保护技术中主要有延时和无延时两种，从而对馈线实现有效地保护。与大电流脱扣保护技术相比，过流保护技术也是当电流超过一定范围后馈线开关显示断开状态。其中，无延时保护在未设定延时动作、电流超过一定范围时，能迅速做出反馈，此时的保护定值略高于额定数值。

在实际的过流保护技术中需符合下列不等式要求：i＞Idtm，其中，Idtm代表可通过的最大电流值，i 则代表电路所能通过的电流值。在地铁直流牵引供电保护系统中，电流值往往在某一个时间范围内高于最大可通过数值，此时将启动相应的继电保护装置，断路器则迅速跳闸，解决短路故障问题。此外，过流保护技术能与信息化馈线保护装置相结合，通过利用保护模块的控制芯片、电源监控部件使得馈线保护实现积极的价值，同时该种保护技术的效率也更高。在进行系统电流值的有效采集后，对流经该系统的电流进行合理判断，确保其满足一定的安全范围，依据判定结果进行馈线保护功能的启动，实现供电系统的馈线全面保护。

3.3 电流增量保护技术

在地铁直流牵引供电保护系统中，电流增量保护技术的应用原理在于有效提升电流的上升率，使得供电系统能在实际的运行过程中与电流上升率进行有机融合，对馈线保护工作进行合理、科学判定，电流增量保护技术主要应用于短路故障中。电流增量保护技术需要依据di/dt＞Fdi/dt，△i=i-i1＞△Imax且t＞T 以及t＞T 且△i=i-i1＞△Imin三个公式判定保护动作的开启。其中，I 代表电流，T代表时间，t 代表电流上升率的保护启动时间。当电流不断调整时，进行馈线保护装置的开启。

此外，电流增量保护技术和电流上升率的保护技术原理相似，当电流上升率馈线保护装置启动时，此时电流变化率高于定值，地铁运行时间也随之延长，电流上升率逐渐降低后恢复为正常状态，返回馈线保护功能中。所以，电流增量保护技术也更加灵活、方便，但在应用该技术的过程中需对故障时间节点进行有效控制，防止安全事故的发生。

3.4 定时限过流保护技术

供电系统在实际的运行中，馈线保护能有效地应用于定时限过流保护技术，从而远程解决故障问题，防止由于馈线保护相应时间较长而产生更严重的问题。在定时限过流保护中，能有效地与馈线最大负荷设定电流有机结合，当动作持续发生延时地铁可通过启动降低操作失误的频率。如，某市的地铁电流的定值设为3kA，同时伴随25s 的延时。在实际的供电系统中，当故障电流持续时间高于定值时间25s 时，馈线将立即启动保护动作，如电流未到达25s 的延时时间，则认定未发生故障、不引发跳闸。可得出：定时限过流保护技术的应用范围较广，能精确地利用延时对馈线进行精准化的保护，避免频繁误动，影响系统的稳定性。

3.5 框架泄漏保护技术

地铁直流牵引供电系统中的框架故障主要发生在开关设备柜中，当发生短路问题时，电流在上升的过程中发生开关的损坏。所以在进行框架泄漏馈线保护过程中，需采取针对性地解决措施，采取有效的馈线保护技术，提升开关设备柜的应用效率。在此过程中应不断加强电力设备的监测能力，从而做出科学判断，避免电流发生变化，通过该监测后发现电流超过额定电流范围时能迅速启动保护动作，实现电力设备的有效保护。当设备运行中供电系统未发生短路问题，但设备开关柜却发生异常带电现象时，需及时将电流导入地下进行地网的连接，确保馈线保护能得到迅速地启动，当断路器发生跳闸时，实现馈线的保护，有效避免后续的损失[3]。

3.6 低电压保护技术

电压故障也是地铁直流牵引供电系统中常见的故障问题，需重视馈线保护的低电压保护技术的有效应用。在应用该保护技术时，馈线保护动作启动的条件为最低电压产生的时间高于系统的中断时间后发生故障，如故障发生时间低于电压的工作周期，此时将进入低电压的保护状态，当监测到故障已发生时，通过低电压保护进行实现对馈线的保护。当U ＜Umin时，U 代表系统的输出电压，Umin则代表最小的电压。

在进行馈线保护时会表现出持续延时现象，电压会长期处于最小电压内，发出启动馈线保护动作的相应信号，实现地铁直流牵引供电系统的信号传输顺畅。因此，地铁如要实现阶段性的稳定、可靠，需依据供电系统进行合理馈线保护技术的选择，依据故障的不同进行科学处理，进而不断完善地铁直流牵引供电系统的整体性能。

总之，地铁直流牵引供电系统的正常运转需重视馈线保护技术的有效应用，从而有效提升地铁的运营效率，保持供电系统的稳定性和可靠性。因此需积极采取相应的保护技术措施，通过大电流脱扣保护、过流保护、电流增量保护、定时限过流保护等保护手段，使得地铁直流牵引供电系统能在馈线保护技术的帮助下实现良好的运行，保持地铁运行的安全、稳定。