城市轨道交通牵引供电交直流系统继电保护浅析

摘要 文章通过对继电保护理论和实践数据研究的分析，论述了轨道交通牵引供电系统常设交直流系统继电保护种类、动作原理、整定计算原则和继电保护试验，便于供电技术人员高效开展供电系统运营维护、预防性试验、故障研判及应急处置。充分体现了继电保护動作选择性、速动性、灵敏性、可靠性等特点，正确运用继电保护对供电系统安全运行、避免造成重大经济损失具有极其重要意义。

关键词 轨道交通；交流系统；直流系统；继电保护

中图分类号 TM862 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）04-0021-03

0 引言

轨道交通供电系统是将电力系统110 kV电源经电压变换把电力输送到地铁车辆及动力、照明负荷的输变电系统。交流系统的保护主要设置阶段式电流保护、零序电流保护、线路纵联差动保护、变压器瓦斯保护等。直流系统通常设置大电流脱扣保护、逆流保护、电流速断和定时限过流、框架保护等。具体分析如下。

1 阶段式电流保护

阶段式电流保护包含电流速断保护、限时电流速断保护、定时限过电流保护三段。电流速断保护以躲过线路末端最大短路电流为原则整定计算动作值，该保护在电流增大至动作值时瞬时动作，由动作值保证其选择性，可以无延时保护该线路一部分，因此不是一个完整的电流保护^[1]。

限时电流速断保护依靠动作电流和动作时间共同保证其选择性和灵敏性。限时电流速断保护能够保护电路全长且动作带有延时，与电流速断保护共同构成被保护线路主保护，同时作为电流速断保护的后备保护。

定时限过电流保护可作为本线路近后备保护和相邻下一线路远后备保护，按躲过最大负荷电流来整定计算动作值，灵敏度比电流速断保护、限时电流速断保护要高，通过灵敏度和动作时限相互配合，保证其选择性，从而保护本线路和相邻下一线路全长。

2 零序电流保护

利用对称分量法，可将三相系统的电压、电流分解成正序、负序和零序三个分量，其中零序分量：

3 线路纵联差动保护

线路纵联差动保护具有绝对的选择性，利用光纤传输将线路两头的保护装置纵向联结，将环网进出线的电气量（如电流、功率方向等）传送到对端，并通过两头的电气量比较，判断故障的具体位置（在本线路范围外还是在范围内），并且有选择性地切断被保护线路^[2]。

此外，实践表明电容电流会造成保护误动作，一般可通过提高定值、加短延时、进行电容电流补偿等措施解决。

4 变压器瓦斯保护

对于大型变压器（容量在0.8 MVA以上）都是采用变压器油作为绝缘和散热的，当变压器内部故障时，由于短路电流和电弧的作用，故障点附近的绝缘物和变压器油分解而产生气体，同时由于气体的上升和压力的增大会引起油流的变化^[3]。利用这个特点构成的保护为瓦斯保护。通常情况下，变压器本体和有载调压部分均设有瓦斯保护，瓦斯保护又分为重瓦斯和轻瓦斯，重瓦斯动作于跳闸，轻瓦斯动作于报警。

瓦斯保护主要由瓦斯继电器、信号继电器和保护出口继电器等构成，瓦斯继电器安装在变压器油箱和油枕的连接管上。在安装带有瓦斯继电器的变压器时，变压器顶盖沿瓦斯继电器方向应有1%～1.5%的升高坡度，连接管朝油枕方向应有2%～4%的升高坡度，主要是使变压器内的气体容易往瓦斯继电器内跑，以提高灵敏度。

5 逆流保护

逆流保护即反向电流保护，当整流机组内部或整流机组至直流开关柜间电源电缆发生故障时，为防止外界向上述故障点反送故障电流，设置逆流保护。逆流保护的特点是需要测量一次回路中电流的大小和方向，电流大小、方向的测量分别由测量放大器输入端两线之间的电压差、正负极性变化来实现^[4]。

正常运行时，逆流保护工作回路不断测量一次回路的逆流值，当此测量值达到逆流定值时，开始计时。如果在延时时间外，测量值均大于逆流定值，则保护出口；如果在延时时间内，测量值小于逆流定值，则保护返回，继续监测。

逆流保护动作后，由保护装置发出跳闸命令，并联跳相应35 kV整流机组柜，切断故障点，使整流元件得到保护。逆流保护动作条件遵循进线断路器在合位、对应35 kV整流变馈线断路器在合位、整流机组联跳开关在投入位、进线柜逆流保护达到保护动作值。

6 大电流脱扣保护

大电流脱扣保护主要用于直流近端短路保护，无延时性，与电客车保护相配合，能够躲过电客车断路器的大电流脱扣保护。该保护是直流开关柜主保护，与交流系统中的速断保护原理类似，主要用于切断金属性近端短路故障。通过计算和短路试验获得整定值（通常进线柜大电流脱扣定值为12 000 A，正线馈线柜大电流脱扣定值为8 000 A，场段馈线柜大电流脱扣定值为7 000 A，能馈柜大电流脱扣定值按最小整定值设置，但不得低于2 000 A），大于最大负荷下电客车正常启动的电流值且小于近端最大短路电流^[5]。

7 电流速断和定时限过流保护

电流速断和定时限过流保护，电流设定值小于大电流脱扣保护定值，可作为大电流脱扣保护的后备保护使用，该保护主要通过分析馈线电流判别故障。

电流速断保护的定值包括两个方面：电流定值和时间定值。监测当前正向电流最大值，如果电流测量值（如图2所示）I大于电流定值I_max++时间定值超过T₊₊，保护启动跳闸，发出跳闸命令。如果电流小于设定值则保护返回。定时限过流保护和电流速断的工作原理类似，它们的区别在于电流定值和时间定值的大小不同。

8 框架保护

1 500 V直流开关柜、整流器柜、负极柜等直流设备采用绝缘安装，从而减少对钢轨、钢筋等金属体的电化学腐蚀，减少杂散电流泄漏途径。框架保护包含电流型框架保护和电压型框架保护，电压型框架保护可作为电流型框架保护的后备保护使用。该保护是针对正极与柜体发生短路故障（达到80 A泄漏电流动作值或设定动作电压时）能够迅速发出报警或跳闸信号，切除故障设备，避免对直流供电设备造成重大损失。

8.1 电流型框架保护

电流型框架保护是通过电流继电器检测框架对地之间的电流，当检测到的电流值达到整定值时，电流型框架保护会启动。电流型框架保护通常分为整流器柜框架保护（对应电流型保护元件FP-1）和直流开关柜框架保护（对应电流型框架保护元件FP-2）。

直流系统正常运行过程中设备绝缘良好，未发生外壳放电或短路故障，电流型框架保护电流回路无电流，负极柜保护装置不动作。当直流设备框架绝缘发生变化（低于0.5兆欧），设备对柜体外壳放电或短路电流达到整定值（80 A，无延时），电流型框架保护动作，发出跳闸命令，并闭锁自动重合闸。通常整流器柜框架保护动作跳开本所35 kV整流机组柜及直流进线开关柜；直流开关柜框架保护动作跳开本所35 kV整流机组柜、直流进线、馈线开关柜及相邻牵混所相应供电分区直流馈线开关柜。

8.2 电压型框架保护

城市轨道交通牵引供电直流设备和钢轨均采用绝缘安装，钢轨对地绝缘电阻随着绝缘材料的性能而不断变化，因此电流型框架保护的电流回路的电阻具有不确定性，当电阻R很大时，可能会造成电流回路检测值达不到整定值的要求，会导致设备发生绝缘下降而电流型框架保护未及时动作切除故障电气设备的情况，通过设置电压型框架保护可在一定程度上弥补此缺陷。

电压型框架保护是通过一个电压继电器检测框架对负极之间的电压，并传输至PLC保护装置，当检测到的电压达到动作设定值，并达到动作设定延时后，电压型框架保护会启动，并发出报警或跳闸信号。通常跳开本所35 kV整流机组柜及直流进线、馈线开关柜，并闭锁重合闸。此外，框架电压保护还与钢轨电位限制装置紧密配合，作为钢轨电位限制装置的后备保护使用。

9 直流馈线柜线路测试实例分析

直流馈线断路器在合闸前首先通过线路测试功能检查线路是否有短路故障，防止断路器合闸到故障线路上。以赛雪龙SEPCOS保护为例，线路测试分析如下：

（1）U_r>U_flow（1 000 V），U_f>U_flow（1 000 V），直接合闸（母线带电，接触网已通过临站带电）。

（2）U_rresidue（450 V），U_f>U_flow（1 000 V），直接合闸（母线不带电，接触网已通过临站带电）。

（3）U_r>U_flow（1 000 V），U_fresidue（450 V），合线路测试接触器，若测量到的线路电阻R≥R_min（2.5Ω），则断路器合闸（母线带电，接触网不带电）。

（4）其他情況均闭锁断路器合闸。

注：U_r——母线电压；U_f——馈线电压；U_flow——线路最小工作电压；U_residue——线路残压；R_min——线路最小电阻。

（5）正常情况下，线路测试回路接触器线圈不得电，常开辅助触点打开，变送器通过采样模块测量馈线电压，并输入给SEPCOS保护装置，保护装置通过内部换算得出馈线电压值。

（6）保护装置启动线路测试时，保护装置输出高电平，线路测试回路接触器线圈得电，常开辅助触点1-2、3-4两对接点闭合。

（7）接触网正常情况下，接触网对地电阻近似为无穷大，回路电流I=1 700/（10 000+2 650+R_负地）≈0.13 A，流过采样模块采样电阻R两端的计算电压为8.6 V，经采样模块稳压整流输入变送器中，变送器输入电压超量程，输出5 V，保护装置判断结果为接触网正常。

（8）如果接触网短路，假设接地电阻为1Ω，回路总电流I=1 700/2 651=0.64 A，流过电阻R的电流约为64 μA，R两端电压为4 mV，经采样模块稳压整流输入变送器中，变送器输出电压非常小，保护装置判断结果为线路故障。保护装置通过测量电阻R两端的电压确定线路最小电阻值，来判断接触网是否存在故障，进而决定断路器能否合闸。

10 继电保护试验实例分析

以某地铁35 kV开关柜动力变过流保护试验为例。将继保仪电流输出端子Ia、Ib、Ic、In用四色线黄、绿、红、黑对应接入，试验线另一端黄、绿、红、黑对应接入开关柜内电流端子用于给保护装置加入测试电流。在继保仪的开入量输入口A，用红、黑线接入，试验线另一端用线夹接入开关柜内保护出口端子，用于测量保护装置动作时间。继保仪开机后选用“电压/电流（交流）”菜单，设置选项基本为“变量选择”和“电压电流”项。“变量选择”项内“第一变量”步长设为0.01 A，“程控/手控”选为“程控”，“返回方式”选为“动作返回”，“每步前复归”选为“单程复归”。

过流保护试验时，A、B、C三相均需进行设置。①A相：“变量选择”项内“第一变量”选择“Ia幅值”，“变化范围”起点设为比整定值小0.01，终点比整定值大一倍，“每步时间”设为0.35，其余不变。“电压电流”项内电流值Ia为自动，角度值设为0，Ib电流值设为比整定值小0.1，角度值设为180，Ic相电流值设为0，角度值设为0，其余不变。即可进行试验。②B相：“变量选择”项内“第一变量”选择“Ib幅值”，其余不变。“电压电流”项内将Ia电流值设为比整定值小0.1，其余不变。即可进行试验。③C相：“变量选择”项内“第一变量”选择“Ic幅值”，其余不变。“电压电流”项内将Ia电流值设为0，角度值设为0，Ib电流值设为比整定值小0.1，角度值180，其余不变。

11 结束语

综上所述，轨道交通交直流系统继电保护技术含量高，随着科技的发展和不断更新升级，工程技术人员需不断学习新知识、新技术，并深入研究保护动作原理及整定计算原则，才能更好地服务于地铁供电设备运行、检修、试验技术管理，有效控制安全事件发生，保障地铁运营行车安全和供电设备安全。

参考文献

[1]薛永端， 汪洋， 徐丙垠.小电阻接地系统高灵敏度阶段式零序过电流保护[J].中国电机工程学报， 2020（19）： 6217-6227.

[2]罗澍忻， 董新洲.基于LCC的高压直流输电线路保护分析及展望[J].广东电力， 2019（12）： 121-129.

[3]范广.地铁供电系统变压器保护及故障分析[J].中国设备工程， 2023（8）： 157-159.

[4]陈智敏.地铁牵引整流器中逆流保护必要性的探讨与分析[J].机电信息， 2018（6）： 6-7.

[5]刘宇.地铁钢轨电位限制装置电压保护异常动作分析及解决方案[J].中小企业管理与科技， 2021（7）： 166-167.

收稿日期：2023-12-04

作者简介：苏春明（1986—），男，本科，工程师，研究方向：城市轨道交通供电。