地铁直流牵引供电保护技术与系统探究

兰州市轨道交通有限公司运营分公司 苏法生

引言

地铁运营对直流牵引供电系统有着较高依赖，主要涵盖牵引变电所、降压变电所、架空接触网等多个部分。具体原理为发电厂生产的电能经升压变电所处理后传输至高压输电网中，再由降压变电所进行降压处理后，便可实现将高压电源从110kV 降压为35kV 的中压电源。此时仍需通过牵引变电所将中压电源进行二次降压，形成直流电压为1500V。在这种情况下，产生的直流电源便能够输送至架空接触网中，经受电弓与接触网相互接触，便可达到获得电能目的。

地铁直流牵引供电系统的每个部分都拥有不可替代的作用，如，直流断路器在直流牵引供电系统中的运用主要是起到保护系统目的，按照功能差异可分为整流断路器与馈线断路器两种类型。其中整流断路器多用于实时控制整流侧的直流输出情况，便于能够对设施进行有效保护。当整流器也存在故障问题时，整流断路器也会进行动作，确保所有直流输出都能被有效切断。馈线断路器也是起到充分控制和保护设备的作用，只是作用侧不同，也就是在牵引供电时馈线断路器以负责切断馈线侧所有故障为主[1]。

1 地铁直流牵引供电保护技术的主要内容

1.1 低电压保护

低电压保护的作用是能够为地铁直流牵引供电馈线提供充足保护。在地铁运行过程中，除因电流引发故障外，由电压变化引起的问题也极为常见，为更好提升地铁直流牵引供电系统的安全性，运用低电压保护显得尤为重要。主要原理是在系统出现故障的情况下，判断故障持续时间与产生最低电压工作周期间的相互关系，也就是最低电压工作周期高于故障持续时间时则会启动低电压保护动作，便于能够最小化因电压产生的故障，防止对其他馈线带来严重影响。

与此同时，地铁直流牵引供电系统作为信号传输的重要保证，不能产生中断的情况，如已形成相应条件，针对馈线的保护则可通过延时处理来实现，也就是以公式U ＜Umin作为实现该方法的主要依据，具体内容为当系统输出电压小于最小电压时，启动馈线保护动作并将最小电压作为主要输出电压，如此便能实现降低故障影响的基础上也能保证地铁直流牵引供电系统正常通信[1]。

1.2 大电流脱扣保护

在地铁运行过程中，直流牵引供电系统产生故障的原因较多，包括电压过大、负荷过高以及短路等多个方面，此时馈线会因不同故障而遭受影响，引发线路中断等问题，促使直流牵引供电系统难以正常进行实时传输，地铁运营也会因此受到影响。上述故障产生时也会对其他设备带来较大影响，以馈线短路为例，此类问题的主要原因是正极与大地短路等，这种条件下产生的电流非常高，轻则降低系统的稳定性、重则还会损坏其他设施。所以通过运用大电流脱扣保护是极其重要的，能够在产生故障时快速调整断路器为跳闸状态，避免蔓延至其他方面[2]。

大电流脱扣保护的原理是在系统中运用脱扣器装置进行电流控制，也就是出现故障时产生的电流会高于额定值，脱扣器装置也会及时进入启动状态，且断路器同样会做出跳闸动作。其中的额定值范围多在短路电流与地铁启动电流之间，才能将脱扣器装置的作用予以充分发挥，从而达到有效控制电流的目的。具体的额定值需根据实际情况及短路试验进行计算，计算公式为Idz＞kIdmin，其中Idz是脱扣动作的最大电流，k 是可靠性系数，Idmin为短路最小保护电流。将该公式作为核心，进行详细计算后便可作为判断是否启用脱扣器装置的重要依据。

1.3 过流保护

是解决地铁直流牵引供电馈线故障问题的重要方法之一，能针对不同故障问题对馈线进行有效保护。与大电流脱扣保护工作原理相似，主要是依照故障出现后产生的电流大小决定是否需对地铁直流牵引供电馈线进行有效保护。不同之处在于过流保护分为无延时与延时两种类型，在实际运用中的特点各不相同，如，无延时过流保护能在产生超过额定值电流时迅速做出保护动作，保证可得到实施回馈，没有需进行延时处理的环节。此方法的特点是保护动作及时，断路器也会快速进入跳闸状态，能最大程度降低故障产生的影响[3]。最重要的是，作为保护的额定值也可具备较宽泛的确定范围，大幅提升保护力度[2]。

延时过流保护也需要在额定值范围内起到保护作用，但是在显示延时状态的同时还需要执行延时动作才能够达到保护馈线目的。过流保护的额定值也需借助过流试验等并结合公式i ＞Idtm进行计算，i 是正常通行电流，Idtm是能够通过的最大电流。一旦该公式成立，表明产生的电流过大，继电器进入启动状态的同时断路器也会执行跳闸动作。另一方面，过流保护还可与信息化装置相结合，进一步提升过流保护的作用。主要原理是信息化装置中包含的电源监控部件、模块控制芯片等能在运行过程中采集电流通过馈线时的具体值，并能以此为基础作为判断是否启动过流保护的主要依据。该方法能凭借更加精确、高效的特点提升过流保护的实际价值和作用。

1.4 框架保护

1.4.1 主要原因

在地铁直流牵引供电系统应用过程中，各类故障问题不仅会给系统稳定性带来严重影响，也会给工作人员的生命安全带来严重威胁，想要避免产生此类问题，运用框架保护尤为重要。产生能够执行框架保护动作的原因主要源于变电所内部与外部故障两个方面。其中变电所内部故障的产生源头较多，包括设备绝缘性能减退、带电导体脱落及开关动作时携带的电弧等。

此类问题极易引起电流变化，从而产生设备短路问题，需启动电流型框架保护。也可在因电压上升导致轨电位装置状态异常的情况下启动电压框架保护，只是在运用前需明确电流是否达到额定值，若已超出则不能使用。或确定框架保护元器件是否存在损坏问题，便于知晓是否为误动情况。变电所外部故障的问题也极为常见，如接触网绝缘性能改变、制动电流过大等都会促使钢轨对地电压发生变化。此时，轨电位限制装置会率先启动，若该装置也存在故障问题时电压框架保护才会执行动作。

1.4.2 应用方案

尽管框架保护能在切断故障点方面发挥良好作用，可减少问题处理的时长。但框架保护也会产生多个分区同时停电的问题，如该状态维持周期过长会对地铁运营带来严重影响，此时依照实际情况选择不同方案是极其重要的方面。框架保护的主要方案包括联跳、复归以及闭锁三方面。其中联跳又划分为只跳本所开关和联跳邻所开关两种，具体运用何种可根据框架保护的类型进行选择[3]。

如，在电流型框架保护启动时，虽然联跳邻所是最常用的方案，但须建立在明确具体故障点的前提下，才能最大化故障处理效率。否则，在未能确定所有故障点时若使用只跳本所开关，无法明确是否还存在本所外的其他故障点，不利于保证地铁直流牵引供电系统的稳定性。如是电压型框架保护启动时，只跳本所开关方案也具备上述特点的同时还有较强的危险性。如，当轨电位限制装置未启动时，其他故障点的影响将得不到充分抑制，将会引发大范围故障。联跳邻所开关时可充分确保故障点不会对人员和列车运行产生安全影响。

复归主要分为本地复归和远程复归，其中本地复归多用于对旧线路的框架保护中，具体方法为先由工作人员找到故障点操作设备进行复位，才能利用电调将邻所开关合上。该方案在及时性、安全性等方面都存在较多问题。远程复归中，无论是复位保护模块还是利用打开本所内的馈线上网隔离开关、甚至是将邻所开关合上，都是通过远程操作的方式来实现，不仅调高了安全，也能在人力资源和维护时长方面予以大幅缩减[4]。

框架保护闭锁方案也能够在故障处理方面发挥较好优势。例如，按照具体分类，对于旧线路闭锁合闸所有框架是保护方案中的首选，新线路则可选择不闭锁邻所开关。这两种方式中，不闭锁邻所开关能够根据实际情况进行调整，也能够省去许多重复操作，包括复归等。最重要的是，不闭锁邻所开关的主要对象是自动重合闸，可及时恢复供电，形成检测回路的同时也能为缩小故障检测范围创造便利条件。

1.5 定时限过流保护

定时限过流保护是地铁直流牵引供电保护中最常用的技术之一，主要是通过延时启动保护来实现最终目的。地铁直流牵引供电系统馈线的保护存在多种情况，应根据具体要求进行处理，才能充分保证系统运行的稳定性和安全性。

如，在地铁制动过程中因误操作启动保护动作时会给地铁运营带来许多阻碍，或在故障处理过程中，由于类型不同处理时长也存在较大差异，一旦整体周期比较长对系统运行带来的影响也会持续增加。结合这些情况，利用定时限过流保护能予以有效解决。如，假设地铁直流牵引供电系统故障延时为20s，在未处理期间地铁可继续执行启动或制动操作，当超过延时20s 时才会启动保护动作，断路器也会进入跳闸状态[5]。因此，定时限过流保护的适用性更强，能显著降低不稳定因素带来的影响[4]。

1.6 电流上升率与电流增量保护

电流上升率与电流增量保护的运用条件不同，前者多应用于远距离非金属短路故障，后者则适用于近距离非金属短路故障。电流上升率的主要原理是以电流上升率值为核心，在地铁运行期间，在动作启动与延时阶段的电流上升率都已超过该值时，才能符合启动电流上升率保护的条件，否则保护动作将无法继续执行。电流增幅保护与电流上升率保护极为相似，也是将电流上升率的变化情况作为主要判断依据，启动条件也相对固定，也就是只要满足能够在额定值以上时便可启动继电保护装置。

至于额定值的确定也需参考不同的公式进行详细计算。如，di/dt ＞Fdi/dt,i=i-i1＞Imax且t ＞T或di/dt ＞Fdi/dt，t ＞T 且I ＞Imin。 其中I、T、t 分别为电流、时间以及保护启动时间。至于电流增量保护的优势在于不仅能在电流上升率达到额定值以上时发挥保护作用，也能在实际应用中具备较强的灵活性。如，对地铁直流牵引供电系统馈线进行保护过程中，还会随着地铁列车的运行时间变化而改变电流上升率，即列车延长运行时间的情况下会促使电流持续降低，直至恢复正常。同时，当达到上述状态时保护功能也会自动返回[5]。

1.7 接触网热过载保护

地铁列成的受电弓通过滑动与接触网相互接触后便能够获得充足的电能，只是在长时间运行状态下，接触网的温度会受到多方面因素的影响而不断升高，甚至会因温度较高而引发过载问题，严重降低地铁的运营效率。为了避免频繁出现此类情况，利用接触网热过载保护可有效解决此类问题，具体原理为需根据多方面因素对接触网的实际发热量进行充分计算，包括接触网长度、面积、电阻率等，再对不同条件对接触网产生影响进行解析，如热负荷特性和通风量等。还需要对接触网电缆的实际温度进行精确计算并进行评估，也就是电缆温度低于预定值时不会采取接触网热过载保护，否则会先预警再跳闸，保证各类因素对接触网的影响均能降到最低。

2 结语

综上所述，由于地铁直流牵引供电安全性将会对运行环节带来直接影响，所以必须要提高对地铁直流牵引供电保护技术与系统的重视，并能够对电压保护、大电流脱扣保护、过流保护、框架保护、定时限过流保护、电流上升率与电流增量保护、接触网热过载保护等内容拥有正确充分认知，才能确保地铁直流牵引供电保护技术能够在掌握和处理系统故障方面发挥更多作用，为地铁稳定运行提供充足保障。