继电保护在地铁牵引变电所的应用

刘亮、周浩

（太原中铁轨道交通建设运营有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

地铁牵引变电所在城市轨道交通系统中扮演着重要角色。牵引变电所的主要职责是把电网输送过来的电力转化为地铁运行所需的直流电，这种转化不仅涉及电压、电流的变化，还包括电力的品质和安全保障。因此，一旦地铁牵引变电所出现问题，可能会直接影响地铁的正常运营，甚至威胁乘客安全。而继电保护是地铁牵引变电所的一道安全屏障，能够在电力系统出现故障时，及时有效地切断故障部分，保证其他部分的正常运行，从而最大程度地降低故障对地铁运营的影响。因此，深入研究和理解继电保护在地铁牵引变电所中的应用，对提高地铁系统的安全性和可靠性有十分重要的意义。

1 牵引变电所的保护需求

牵引变电所是地铁系统中的重要组成部分，其负责将电力供应转换为适用于地铁列车的牵引电能。牵引变电所的保护需求包括对电力系统故障的防护、对电力设备和设施的保护以及乘客和工作人员的安全保障[1]。

1.1 电力系统故障防护需求

首先，继电保护系统需要能够快速准确地检测和定位电力系统的故障，如电力短路、接地故障等，以避免故障扩大导致系统停电或损坏。

其次，保护系统需要能够迅速采取保护动作，如切断故障区域的电源，以确保故障不会对其他设备或系统造成进一步的影响。

最后，在地铁电力系统发生故障时，故障修复效率至关重要，因此保护系统的动作速度和可靠性也是必须考虑的因素。

1.2 电力设备和设施保护需求

牵引变电所内安装了大量的电力设备和设施，如变压器、开关设备、电缆等，这些设备对地铁的正常运营至关重要。因此，牵引变电所的保护需求还包括对这些设备和设施的保护。继电保护系统需要能够监测和保护这些设备的运行状态，如检测变压器的温度、电流等参数，以确保电力设备和设施能够在安全范围内运行。同时，保护系统还需要能够及时发现设备故障，并采取相应的保护措施，如切断电源、切换备用设备等，以防止设备损坏。此外，保护系统还应具备故障录波、事件记录等功能，以便于后续故障分析和维修工作的开展。

1.3 乘客和工作人员的安全保障需求

牵引变电所不仅是地铁电力系统的重要组成部分，也是乘客和工作人员安全的关键保障。保护系统需要能够对人身安全和电气安全进行有效保护。第一，对于人身安全，保护系统需要能够及时发现可能对人员产生威胁的情况，如电流过载、电压异常等，并及时采取措施，如切断电源、提供警示等，以保护人员的安全。第二，对于电气安全，保护系统需要能够监测和保护地铁线路的绝缘状态，如监测接地电流、绝缘电阻等参数，以确保线路正常运行，防止电气事故的发生[2]。

2 继电保护种类

2.1 距离保护

距离保护是根据信号传输时间和传输距离确定电源故障位置的保护方式。其设计原理基于线路参数，如电阻、电抗等，通过测量电压和电流比值，计算出故障点的位置。在电力系统保护中，距离保护具有速度快、选择性好、动作可靠等优点。

由于地铁牵引变电所对电力需求量大，对电源稳定性要求高，对保护装置的要求也特别严格。这也使得在地铁牵引变电所中应用距离保护具有极为重要的意义。地铁牵引变电所的电力供应系统通常比较复杂，涉及多种不同的设备和系统，包括牵引变压器、矩形波滤波器、主断路器等。每个设备和系统的工作状态都对地铁的正常运行有直接影响。距离保护能够确保这些设备和系统出现故障时能够及时被切断，从而避免故障扩大。

具体来说，地铁牵引变电所的距离保护，主要通过以下几个步骤实现：

首先，计算电流和电压的比率，然后根据其推算出故障点的位置。

其次，设定一个“距离”阈值，当计算出的“距离”超过阈值时，保护装置就会动作，切断故障点的电源。

最后，保护装置会发送信号，通知相关人员进行处理，以便于在第一时间发现故障，进而减少故障所造成的影响。

2.2 差动保护

差动保护是电力系统中的一种重要保护方式，其工作原理是基于比较同一电气设备两端的电流差异。正常情况下，一台电气设备的两端电流在大小和相位上应该完全相同。当设备内部发生故障时，会导致设备两端电流不一致，即出现电流“差动”。差动保护就是利用这种电流“差动”来进行故障检测和保护。

在地铁牵引变电所中，差动保护主要用于牵引变压器和主断路器等大型设备。这些设备的正常运行对整个地铁系统的稳定运行至关重要，并且它们价格昂贵，一旦发生故障可能会带来严重的经济损失。因此，需要采用高度可靠的保护方式。对于地铁牵引变电所中的核心设备变压器，差动保护能够准确、快速地检测到其内部的短路故障。当差动保护检测到变压器两端的电流出现“差动”时，即判断为变压器内部存在故障，之后差动保护装置能够快速切断电源，以保护变压器[3]。

此外，在主断路器中应用差动保护也同样重要。主断路器是地铁牵引变电所的关键设备，直接负责电力分配和切断。当主断路器内部发生触点熔合、短路等故障时，常规的保护方式可能无法及时响应，而差动保护能够及时检测到此类故障，并迅速切断电源，保护主断路器。

2.3 过电流保护

过电流保护是电力系统保护中常用的一种手段，其运作原理为当电路中的电流超过预设阈值时，保护设备会进行动作，切断超载电流，从而防止设备过度发热，避免设备损坏及系统故障。

在地铁牵引变电所中，过电流保护的应用十分广泛。地铁牵引变电所作为地铁系统的电力供应中心，其主要任务是将市电转化为地铁运行所需的电能，然后通过供电系统将电能输送到各个车站和地铁列车，电流的大小直接关系到地铁系统的稳定运行。过电流保护能够有效保护牵引变压器、主断路器、牵引供电线路等地铁牵引变电所中的各类设备。例如，在牵引变压器中，过电流会导致变压器过热，甚至烧毁，而通过过电流保护装置，可以在电流超过设定值时立即断开电源，避免变压器损坏，从而保证地铁牵引变电所的稳定运行。

在牵引供电线路中，如果电流过大，线路可能发热，影响线路的传输效率，甚至可能引发火灾，而过电流保护装置可以在电流超过设定值时及时断开电源，防止线路过热，确保地铁的正常运行。

3 地铁牵引变电所继电保护实施方案

3.1 设备选择

在地铁牵引变电所的继电保护应用中，设备选型是一个重要且复杂的过程，需要考虑诸多因素，包括系统的特性、保护设备的性能、设备的可靠性、成本以及后期维护等。

首先，设备选型需要结合不同地铁牵引变电所的实际运行需求，以确保选择的设备既能满足保护需求，又具有较高的性价比。确定保护设备时，需要了解地铁牵引变电所的系统特性，包括系统的规模、电气参数、负荷类型等。例如，对于大规模、电流大的系统，可能需要选择性能更强、可靠性更高的保护装置。

其次，保护设备的性能也是设备选型过程中需要考虑的重要因素。继电保护设备的性能包括速度、灵敏度、准确性等，这些性能参数将直接影响保护效果。优质的保护设备能够快速准确地识别并处理故障，从而降低故障的影响，保障地铁牵引变电所的稳定运行。

再次，设备的可靠性也是必须考虑的因素。高可靠性的设备能够在各种条件下保持稳定运行，不易出现故障，这对地铁牵引变电所来说尤其重要，因为任何设备的故障都可能影响整个地铁系统的运行。

最后，设备的成本和后期维护也是需要考虑的因素。尽管高性能、高可靠性的设备往往价格较高，但从长期来看，这种设备由于具有较高的稳定性和耐用性，反而拥有更高的性价比。另外，设备的维护工作也极为重要，选择易于维护的设备可以降低后期的运维成本。

3.2 参数设置

在地铁牵引变电所中，继电保护参数设置是一项精密且关键的工作，其需要考虑电力系统的特性、保护需求等。适当的参数设置能够确保继电保护设备在系统发生异常时能够及时准确地动作，以此保护电力设备不受损害[4]。

首先，电力系统的特性，如系统电压、电流、短路容量、系统阻抗等，对参数设置有重要影响，因此继电保护参数设置应优先考虑电力系统的特性。例如，在过电流保护中，需要设定过电流保护的动作电流，这个动作电流一般要大于系统正常运行时的最大电流，小于短路时的最小电流。因此，需要准确了解和计算系统的这些电气参数，并据此设置继电保护参数。

其次，参数设置需要考虑系统保护需求。不同的系统、设备对保护的需求也有所不同。例如，一些对运行稳定性要求较高的设备，可能需要设置更快的动作时间，以尽快切断故障，防止故障扩大。而对于一些运行条件较苛刻的设备，可能需要设置更高的动作电流，以防止设备正常运行时发生误动作。

再次，参数设置需要考虑到故障类型和故障后果。不同类型的故障可能需要不同的保护参数。例如，对于地面短路和接触网短路，可能需要不同的过电流保护参数。

最后，故障的严重性也会影响参数的设定，对于可能导致严重后果的故障，则需要设置更严格的保护参数。

3.3 联动策略

在地铁牵引变电所中，继电保护的联动策略是实现保护目标的重要手段，因此需要根据地铁牵引变电所的具体结构、设备以及运行特性等因素精心设计和配置[5]。

首先，联动策略的设计要考虑保护设备之间的协调配合。由于地铁牵引变电所内有多种不同的保护设备，这些设备各自承担着保护系统的不同部分，彼此之间还可能存在交叉或重叠的保护区域。因此，需要制订一套策略，在系统出现异常时，其能够根据设备的重要性和故障的严重性对设备保护进行优先级排序，从而实现最优的保护效果。

其次，在牵引变电所的具体应用中，保护设备可能需要按照设备的重要性、故障类型以及故障影响范围来设定联动优先级。例如，对于涉及牵引变压器、主断路器等关键设备的故障，需要优先启动其保护装置。而对于影响范围较小的故障，则可以通过局部保护装置来处理。除此之外，联动策略还应考虑保护设备的响应时间。理想的联动策略应保证在系统出现异常时，所有相关保护设备均能以最快的速度响应，以便最大限度地减少故障的影响。因此，需要对保护设备的响应时间进行合理设置，以实现快速、准确地启动保护动作。

最后，联动策略需要考虑到保护设备的复位策略。故障处理完毕后，保护设备的正确复位至关重要，以确保设备能够继续进行有效保护，同时防止误动作。正确的复位策略应根据设备的特性以及故障处理的具体情况进行制订。如果某设备在故障后仍然能够正常运行，那么其相应的保护设备应当被复位到可以对新的故障进行响应的状态。相反，如果设备因故障损坏，对应的保护设备在维修或更换前需要保持在非激活状态。总的来说，复位策略的制订是保障电力设备安全和保护系统有效运行的关键，主要目标是使保护设备在故障处理后能够迅速进入新的运行状态，并开启保护模式，以便对新的故障作出及时响应。

4 结语

在高速发展的信息时代，地铁已成为现代城市中的重要交通工具，而继电保护在地铁牵引变电所的应用更是保证地铁运行安全和效率的关键。继电保护设备以其独特的工作原理和功能，能够为地铁牵引变电所的安全运行提供可靠的保护，有效防止电力故障的发生和扩大，为地铁系统的稳定运行创造有利条件。因此，应通过适当的设备选择、参数设置以及联动策略等，进一步优化继电保护设备的性能，提高其对故障的识别和处理能力，从而更好地满足地铁牵引变电所的各项保护需求，确保地铁线路安全、高效运行。