地鐵直流牽引分析論文

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摘要：本文以直流1500V雙邊供電的牽引變電所為例，介紹了地鐵直流牽引變電所內各開關柜的保護配置，并詳細闡述了主要保護的原理，如大電流脫扣保護、電流上升率保護、定時限過流保護、低電壓保護、雙邊聯跳保護、接觸網熱過負荷保護、框架保護等。最后，對于目前的保護原理中存在的不足之處，本文也做了分析，如多輛列車短時間內相繼啟動可能會造成保護誤動，小電流（尤其是有電弧的情況）短路故障與正常運行電流的區分，以及框架保護的選擇性問題。

關鍵詞：地鐵直流保護

0引言

在我國，地鐵是城市公共交通的重點發展方向，設備國產化又是發展的主要原則。在地鐵直流供電繼電保護領域內，國產保護設備還處于起步階段，目前，國內主要城市的地鐵直流保護設備均來自國外，例如廣州地鐵二號線選用的是德國Siemens公司的DPU96，武漢輕軌選用的是瑞士sechron公司的SEPCOS。通過對部分國外產品的研究，筆者認為，直流保護設備的原理并不是十分復雜，功能實現在理論上也沒有任何障礙，希望通過本文的拋磚引玉，在將來的不久，能夠看到國產的直流保護設備在我國甚至國際市場成為主流。

1一次系統簡介

圖1顯示了一個典型的牽引變電所的電氣主接線圖，該所將主變電所來的交流高電壓（典型值：33kV）經整流機組（包括變壓器及整流器）降壓、整流為直流1500V，再經直流開關柜向接觸網供電。我國上海和廣州地鐵的直流牽引供電系統均是如此，北京地鐵采用的是第三軌受流器（上海和廣州地鐵則是架空接觸網），其饋電電壓為750V。由于750V饋電電壓供電距離短、雜散電流大，現在多采用1500V。圖2顯示的是采用雙邊供電的上行接觸網的分區段示意圖（下行亦相同），一個供電區由相鄰的2個牽引變電所同時供電，這種雙邊供電的方式提高了供電的可靠性，同時分區段的方式使故障被隔離在某個區段以內，而不致影響其它供電區段，因而被廣泛采用。本文中所討論的保護原理均基于1500V架空接觸網雙邊供電方式。

圖1典型牽引變電所電氣主接線參考圖

圖2雙邊供電接觸網分區段示意圖

圖3短路電流與列車運行電流示意圖

2牽引變電所內直流保護的配置

牽引變電所內的直流保護系統必須在系統發生故障時快速、準確地切除故障，同時又要避免列車正常運行時一些電氣參數的變化引起保護裝置誤跳閘。后備保護的存在增加了故障切除的可靠性，同時也增加了與主保護配合的難度，所以保護的配置也不宜過多。不同的牽引變電所其電氣特性不同，運行要求不同，所以保護裝置的整定值不同，甚至保護的配置亦不相同。通常，牽引變電所內的直流保護安裝于開關柜中，其可能的配置如下：

A．饋線柜（圖1中對應211，212，213，214開關柜）：

a．大電流脫扣保護（over-currentprotection）；

b．電流上升率保護（di/dtprotection）；

c．定時限過流保護（definite-timeover-currentprotection）；

d．低電壓保護（under-voltageprotection）；

e．雙邊聯跳保護（transferintertripprotection）；

f．接觸網熱過負荷保護（cablethermaloverloadprotection）；

g．自動重合閘（automaticre-closure）。

B．進線柜（圖1中對應201，202開關柜）：

a．大電流脫扣保護（over-currentprotection）；

b．逆流保護（reversecurrentprotection）。

C．負極柜：

a．框架保護（framefaultprotection）。

D.軌道電壓限制裝置

a.軌道電壓限制保護

3主要保護的原理

牽引變電所內的直流系統的故障形式主要有：短路故障，過負荷故障，過壓故障等等，最常見的也是危害最大的是短路故障。從本質上講，短路故障有兩種類型，一種是正極對負極短路，另一種是正極對大地短路。所內配置的多數保護都是為了切除前一種故障，框架保護則是為了切除后一種故障。

對于前一種故障，多數是由于架空接觸網對鋼軌短路所引起的，短路點離牽引變電所的距離決定了短路電流的大小。遠端短路故障電流的峰值與列車啟動時的電流峰值相近，甚至小于該電流，所以，遠端短路故障電流與列車啟動電流的區分，是牽引變電所直流保護的難點。另外，列車受電弓過接觸網分段時，也會有一個峰值較高的電流出現。

圖3是典型的近、遠端故障電流與列車受電弓過接觸網分段時的電流時間特性示意圖。

以下介紹牽引變電所內的主要的直流保護的工作原理：

3.1大電流脫扣保護

主保護，與交流保護中的速斷保護類似，用以快速切除金屬性近端短路故障。這種保護是直流斷路器內設置的固有保護，沒有延時性，它通過斷路器內設置的脫扣器實現。當通過斷路器的電流超過整定值時，脫扣器馬上動作，使斷路器跳閘。

一般來說，該保護的整定值要通過計算和短路試驗得出，整定值要比最大負荷下列車正常啟動的電流大，也要比最大短路電流小。

3.2電流上升率保護

廣泛使用的中遠端短路主保護，它在多數情況下能正確區分列車正常運行電流和中遠端短路電流，主要用于切除大電流脫扣保護不能切除的故障電流較小的中、遠端短路故障，其工作原理如下：

電流上升率保護觸發的條件是唯一的，即當電流的變化率di/dt>A，A是電流上升率的定值。滿足觸發條件di/dt>A時，電流上升率保護啟動（該時刻記為t）。該保護啟動后，產生跳閘的條件只要在以下兩個條件中滿足任意一個即可：

1．經過時間T1后，di/dt仍然大于B；

2．經過時間T2后，ΔI>L，ΔI=It+T2－It；

如圖3，在t時刻，列車受電弓過接觸網分段后重新與接觸網連接，此時電流的絕對數值It較小，而di/dt由于充電效應則較大，短路電流和列車運行電流均可滿足啟動條件，但經過適當的延時后，對于列車運行電流來講，由于充電效應維持的時間很短，電流已經經過了一個從很小到數倍于正常電流，再到正常電流的過程，此時，di/dt通常是負值，ΔI也很小，所以出發跳閘的條件一個也不滿足，電流上升率保護返回；對于短路電流來講，此時，短路仍然存在，只要距離不是非常遠，通常一定滿足條件1和2，致使保護跳閘。

單列列車t時刻啟動時，可能di/dt>A,保護啟動，但經過時間T1后，di/dt<B，ΔI<L,保護自動返回。

值得注意的是，定值T1、T2、A、B、L的選取非常重要，它決定了保護動作的正確性和快速性。

3.3定時限過流保護

電流上升率保護的后備保護，通常該保護的電流整定值Idmt較小，一般按饋線最大負荷考慮，以達到切除遠端短路故障的目的，其動作延時Tdmt也較長，以避開列車啟動的時間，廣州地鐵二號線牽引供電系統中該保護設計的Idmt為3000A，延時Tdmt為30秒。

當電流第一次超過定值時，保護啟動，在延時Tdmt的時間段內電流一直超過定值，可認為是短路電流，觸發跳閘，如果中間任一時刻電流沒有超過定值，保護自動返回，等待下次啟動。

3.4低電壓保護

其作用和定時限過流保護一樣，作為電流上升率保護的后備保護，一般與其它保護形式互相配合，不作為單獨的保護使斷路器調跳閘。它的整定值Umin及延時Tdmt必須列車正常運行時的運行情況互相配合，應考慮最大負載下列車的啟動電流和啟動持續時間，還要考慮在一個供電區內多部列車連續啟動的情況。

當發生短路故障時，直流輸出電壓迅速下降很多，當輸出電壓<Umin，保護啟動，在一定的延時時內輸出電壓一直保持<Umin，則低電壓保護發出動作信號。

3.5雙邊聯跳保護

對于采用雙邊供電的接觸網,它是廣泛使用的一種保護手段，正如上文所介紹，在一個供電區內的接觸網由兩個變電所對其供電的，當其中一個所的直流饋線斷路器因為某些保護跳閘的同時，還會發出聯跳指令，使為同一個供電區供電的直流饋線斷路器都跳閘。

它能切除故障電流特別小的遠端短路故障，跳閘命令是由感知到較大近端短路故障電流的相鄰站發出的。只要給一段接觸網供電的兩個牽引站有一個正確跳閘，另一個立刻也會跳閘，因而可靠性很高，確保滿足GB50517-92<<地下鐵道設計規范>>的第8.2.21條“在事故狀態下接觸網短路電流的保護，應保證單邊供電接觸網區段一條饋線的開斷和雙邊供電接觸網區段兩條饋線的開斷”。雙邊聯跳保護的原理如下：

圖2顯示了一條接觸網的兩段，左邊一段由牽引變電所A和B（簡稱A站和B站，下同）供電，右邊一段則由B站和C站供電，當短路點發生在靠近A站的c位置時，A站的大電流脫扣保護首先動作，而B站則由于短路電流小等因素，大電流脫扣和di/dt等保護均無法動作，位于A站的雙邊聯跳保護則發出聯跳命令，將B站的213開關跳開。當B站退出運行時，則B站越區隔離開關2133合上，雙邊聯跳保護根據B站2133的位置判斷另一端是由C站213開關供電，跳閘的對象則為C站213開關。

3.6框架保護

框架保護適用于直流設備的正極對機柜外殼（與大地相連）或接觸網對架空地線短路時的情況。

如圖4所示，在正常無短路狀態下，鋼軌（負極）與地的絕緣良好，幾乎沒有漏電流通過A點，當故障f1發生時，即直流設備的正極對機柜外殼短路時，故障電流If1由正極通過A點，經泄漏電阻Rl回流至負極，框架保護檢測位于A點的機柜外殼對地的漏電流If1，超過整定值則迅速動作。通常，在地和負極之間還安裝一個排流柜，當排流柜投入運行時，其等效電阻值遠小于Rl，If1大大增加，這樣，即使鋼軌（負極）與地的絕緣非常良好，泄漏電阻Rl非常大，由于排流柜提供了漏電流If1的通道，大大提高了框架保護動作的靈敏性。

當故障f2發生時，即接觸網與架空地線發生短路時，由于A點離故障點較遠，故漏電流較小，檢測A點漏電流不能檢出故障，此時框架保護檢測外殼和負極之間的電位差。在正常無短路狀態下，外殼和負極之間的電位差很小，故障f2發生時電位差迅速變得很大，框架保護可以迅速動作。而對于正極對機柜外殼短路的情況，若未投入排流柜，鋼軌（負極）與地的絕緣亦很好，漏電流可能不足以啟動框架保護，但電壓檢測元件則可使之迅速動作。

通常，電流檢測元件作為框架保護的主保護，電壓檢測元件作為后備保護。

框架保護動作的結果是：迅速跳開本站內所有的直流開關、交流側進線開關及鄰所向本區段供電的直流開關，并需由人工復歸后方可重新合上開關；

3.7軌道電壓限制保護

軌電位限制裝置控制

一控制原則

規電軌電位限制裝置的控制分兩種，一種是通過檢測軌道電壓實現，另一種是通過人工施加試驗電壓實現，如下圖：

正常運行，軌電位限制裝置檢測軌道和大地之間的電壓，該電壓經過V11模塊整流后施加給R10；而人工施加的試驗電壓，是通過S24旋紐把交流220V電壓經過V12整流模塊整流后施加給R10。F21、F22繼電器分別檢測R10上的電壓，當該電壓上升到92V時，經過一定的延時（0.5秒），F21繼電器動作，發出合閘命令；當電壓上升到150V時，F22繼電器動作，發出合閘命令。由F21繼電器動作使斷路器合閘的方式我們稱為“一段動作（U›）”，由F22繼電器動作使斷路器合閘的方式我們稱為“二段動作”（U››）。

二、控制過程

1.合閘

合閘的原則是想盡辦法讓合閘繼電器K02受電，使由它驅動得斷路器合閘線圈得電，從而使斷路器合閘。

正常運行時，斷路器處在“分閘”位置，K01繼電器的常閉接點（1、2）閉合，使K83繼電器受電，它的常開接點（15、18）接通。因此當F21繼電器延時動作后，11、14這對接點接通，使合閘繼電器K02得電，斷路器合閘。當繼電器F22動作后接通11、14接點，也能使斷路器合閘。

但是，它們之間有一定的區別：如果是因為F21動作從而使斷路器合閘，那么延時10秒后斷路器會自動分閘，在規定的時間內反復三次，斷路器合閘不再分開；如果是因為F22繼電器動作從而使斷路器合閘，，此時F22會閉鎖分閘回路，使斷路器不會延時分開。

2.分閘

斷路器分閘的原則是使分閘繼電器K01受電，使由它驅動的斷路器分閘線圈得電，從而使斷路器分閘。

當斷路器合閘后，斷路器的輔助接點（S1的23、24）閉合，使繼電器K81受電，經過10秒的延時后，繼電器動作，該繼電器的15、18接點閉合，而繼電器K84的常閉接點接通，因此分閘繼電器K01受電，使斷路器分閘。

3.8接觸網熱過負荷保護

接觸網熱過負荷保護,其保護的目的是消除熱過負荷故障，而非短路故障，其工作原理主要是根據接觸網的電阻，接觸網上流過的電流，計算出接觸網的發熱量，從而再根據接觸網的熱負荷特性及環境條件推算出接觸網的電纜溫度。當測量的電纜溫度超過Talarm給出報警，超過Ttrip則跳開給該接觸網供電的直流開關。開關跳開后，電纜逐漸冷卻，當溫度進一步下降，低于Treclosure，則重新合上直流開關。圖5給出了接觸網熱過負荷保護動作的時序圖。

5接觸網熱過負荷保護動作時序圖

4存在的問題

4.1關于多輛列車短時間內相繼啟動

在接觸網的同一供電區段內，若在短時間內出現兩輛/多輛列車相繼啟動，第一輛列車啟動引起電流上升率保護或定時限過流保護啟動，而另一輛列車的啟動恰巧引起電流上升率保護或定時限過流保護跳閘，這種可能性在理論上是存在的。至于解決的方案，英國ENOTRAC公司的觀點認為，人工智能或神經元網絡可能是最佳的解決辦法，具體的實施方法尚不得而知。

4.2關于小電流短路故障

小電流短路故障主要是由于故障點距離牽引所很遠，或者，短路點的電弧大引起電阻也增大。兩者皆可導致以上介紹的各種保護均無法正確動作。當短路點靠近其中一端的牽引所時，近端短路電流往往較易檢測，近端牽引所跳開本所開關并聯跳鄰所開關；但若短路點位于相鄰兩個牽引所中間的接觸網上，可能發生兩個牽引所的保護均無法檢測小電流短路故障的問題。對于兩個牽引所距離太遠的情況，可以從設計上避免；而對于大電弧的情況，筆者認為需要對電弧的特性進行大量的研究，從而給帶電弧的電流建立精確的數學模型，使其能夠正確地被保護裝置所識別。

4.3關于框架保護的選擇性

框架保護面臨的是小電流接地故障，它易于感知，卻無法象大電流短路故障那樣易定位。如圖1所示，當接地點位于整流器出口的A位置時，只需要跳開交流進線開關105和直流進線開關201即可；當接地點位于B位置時，只需要跳開所有直流開關；當接地點位于C位置時，只需要跳開直流饋線開關214并聯跳右鄰站的直流饋線開關213（如圖2）。但由于框架保護的電壓和電流檢測原理都無法給故障定位在A點、B點還是C點，所以選擇性較差。小電流接地故障的定位一直是個難題，如同三相交流中性點不接地系統的單相接地故障一樣，尋找準確的定位方法還需要進一步的探索。

5結論

目前，地鐵直流牽引變電所內配置的直流保護，基本上能夠快速切除大多數短路、接地故障，但仍然存在一些世界性的難題。國內保護設備制造商完全有能力制造出目前廣泛使用的這些直流保護。

參考文獻

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