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(nèi)各開關(guān)柜的保護(hù)配置，并詳細(xì)闡述了主要保護(hù)的原理，如大電流脫扣保護(hù)、電流上升率保護(hù)、定時(shí)限過流保護(hù)、低電壓保護(hù)、雙邊聯(lián)跳保護(hù)、接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護(hù)、框架保護(hù)等。最后，對(duì)于目前的保護(hù)原理中存在的不足之處，本文也做了分析，如多輛列車短時(shí)間內(nèi)相繼啟動(dòng)可能會(huì)造成保護(hù)誤動(dòng)，小電流（尤其是有電弧的情況）短路故障與正常運(yùn)行電流的區(qū)分，以及框架保護(hù)的選擇性問題。

關(guān)鍵詞：地鐵直流保護(hù)

0引言

在我國(guó)，地鐵是城市公共交通的重點(diǎn)發(fā)展方向，設(shè)備國(guó)產(chǎn)化又是發(fā)展的主要原則。在地鐵直流供電繼電保護(hù)領(lǐng)域內(nèi)，國(guó)產(chǎn)保護(hù)設(shè)備還處于起步階段，目前，國(guó)內(nèi)主要城市的地鐵直流保護(hù)設(shè)備均來自國(guó)外，例如廣州地鐵二號(hào)線選用的是德國(guó)Siemens公司的DPU96，武漢輕軌選用的是瑞士sechron公司的SEPCOS。通過對(duì)部分國(guó)外產(chǎn)品的研究，筆者認(rèn)為，直流保護(hù)設(shè)備的原理并不是十分復(fù)雜，功能實(shí)現(xiàn)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(guó)產(chǎn)的直流保護(hù)設(shè)備在我國(guó)甚至國(guó)際市場(chǎng)成為主流。

1一次系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1顯示了一個(gè)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(jīng)整流機(jī)組（包括變壓器及整流器）降壓、整流為直流1500V，再經(jīng)直流開關(guān)柜向接觸網(wǎng)供電。我國(guó)上海和廣州地鐵的直流牽引供電系統(tǒng)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(wǎng)），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(xiàn)在多采用1500V。圖2顯示的是采用雙邊供電的上行接觸網(wǎng)的分區(qū)段示意圖（下行亦相同），一個(gè)供電區(qū)由相鄰的2個(gè)牽引變電所同時(shí)供電，這種雙邊供電的方式提高了供電的可靠性，同時(shí)分區(qū)段的方式使故障被隔離在某個(gè)區(qū)段以內(nèi)，而不致影響其它供電區(qū)段，因而被廣泛采用。本文中所討論的保護(hù)原理均基于1500V架空接觸網(wǎng)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(wǎng)分區(qū)段示意圖

圖3短路電流與列車運(yùn)行電流示意圖

2牽引變電所內(nèi)直流保護(hù)的配置

牽引變電所內(nèi)的直流保護(hù)系統(tǒng)必須在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)快速、準(zhǔn)確地切除故障，同時(shí)又要避免列車正常運(yùn)行時(shí)一些電氣參數(shù)的變化引起保護(hù)裝置誤跳閘。后備保護(hù)的存在增加了故障切除的可靠性，同時(shí)也增加了與主保護(hù)配合的難度，所以保護(hù)的配置也不宜過多。不同的牽引變電所其電氣特性不同，運(yùn)行要求不同，所以保護(hù)裝置的整定值不同，甚至保護(hù)的配置亦不相同。通常，牽引變電所內(nèi)的直流保護(hù)安裝于開關(guān)柜中，其可能的配置如下：

A．饋線柜（圖1中對(duì)應(yīng)211，212，213，214開關(guān)柜）：

a．大電流脫扣保護(hù)（over-currentprotection）；

b．電流上升率保護(hù)（di/dtprotection）；

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

d．低電壓保護(hù)（under-voltageprotection）；

e．雙邊聯(lián)跳保護(hù)（transferintertripprotection）；

f．接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護(hù)（cablethermaloverloadprotection）；

g．自動(dòng)重合閘（automaticre-closure）。

B．進(jìn)線柜（圖1中對(duì)應(yīng)201，202開關(guān)柜）：

a．大電流脫扣保護(hù)（over-currentprotection）；

b．逆流保護(hù)（reversecurrentprotection）。

C．負(fù)極柜：

a．框架保護(hù)（framefaultprotection）。

D.軌道電壓限制裝置

a.軌道電壓限制保護(hù)

3主要保護(hù)的原理

牽引變電所內(nèi)的直流系統(tǒng)的故障形式主要有：短路故障，過負(fù)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(zhì)上講，短路故障有兩種類型，一種是正極對(duì)負(fù)極短路，另一種是正極對(duì)大地短路。所內(nèi)配置的多數(shù)保護(hù)都是為了切除前一種故障，框架保護(hù)則是為了切除后一種故障。

對(duì)于前一種故障，多數(shù)是由于架空接觸網(wǎng)對(duì)鋼軌短路所引起的，短路點(diǎn)離牽引變電所的距離決定了短路電流的大小。遠(yuǎn)端短路故障電流的峰值與列車啟動(dòng)時(shí)的電流峰值相近，甚至小于該電流，所以，遠(yuǎn)端短路故障電流與列車啟動(dòng)電流的區(qū)分，是牽引變電所直流保護(hù)的難點(diǎn)。另外，列車受電弓過接觸網(wǎng)分段時(shí)，也會(huì)有一個(gè)峰值較高的電流出現(xiàn)。

圖3是典型的近、遠(yuǎn)端故障電流與列車受電弓過接觸網(wǎng)分段時(shí)的電流時(shí)間特性示意圖。

以下介紹牽引變電所內(nèi)的主要的直流保護(hù)的工作原理：

3.1大電流脫扣保護(hù)

主保護(hù)，與交流保護(hù)中的速斷保護(hù)類似，用以快速切除金屬性近端短路故障。這種保護(hù)是直流斷路器內(nèi)設(shè)置的固有保護(hù)，沒有延時(shí)性，它通過斷路器內(nèi)設(shè)置的脫扣器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)通過斷路器的電流超過整定值時(shí)，脫扣器馬上動(dòng)作，使斷路器跳閘。

一般來說，該保護(hù)的整定值要通過計(jì)算和短路試驗(yàn)得出，整定值要比最大負(fù)荷下列車正常啟動(dòng)的電流大，也要比最大短路電流小。

3.2電流上升率保護(hù)

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

電流上升率保護(hù)觸發(fā)的條件是唯一的，即當(dāng)電流的變化率di/dt>A，A是電流上升率的定值。滿足觸發(fā)條件di/dt>A時(shí)，電流上升率保護(hù)啟動(dòng)（該時(shí)刻記為t）。該保護(hù)啟動(dòng)后，產(chǎn)生跳閘的條件只要在以下兩個(gè)條件中滿足任意一個(gè)即可：

1．經(jīng)過時(shí)間T1后，di/dt仍然大于B；

2．經(jīng)過時(shí)間T2后，ΔI>L，ΔI=It+T2－It；

如圖3，在t時(shí)刻，列車受電弓過接觸網(wǎng)分段后重新與接觸網(wǎng)連接，此時(shí)電流的絕對(duì)數(shù)值It較小，而di/dt由于充電效應(yīng)則較大，短路電流和列車運(yùn)行電流均可滿足啟動(dòng)條件，但經(jīng)過適當(dāng)?shù)难訒r(shí)后，對(duì)于列車運(yùn)行電流來講，由于充電效應(yīng)維持的時(shí)間很短，電流已經(jīng)經(jīng)過了一個(gè)從很小到數(shù)倍于正常電流，再到正常電流的過程，此時(shí)，di/dt通常是負(fù)值，ΔI也很小，所以出發(fā)跳閘的條件一個(gè)也不滿足，電流上升率保護(hù)返回；對(duì)于短路電流來講，此時(shí)，短路仍然存在，只要距離不是非常遠(yuǎn)，通常一定滿足條件1和2，致使保護(hù)跳閘。

單列列車t時(shí)刻啟動(dòng)時(shí)，可能di/dt>A,保護(hù)啟動(dòng)，但經(jīng)過時(shí)間T1后，di/dt<B，ΔI<L,保護(hù)自動(dòng)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(hù)動(dòng)作的正確性和快速性。

3.3定時(shí)限過流保護(hù)

電流上升率保護(hù)的后備保護(hù)，通常該保護(hù)的電流整定值Idmt較小，一般按饋線最大負(fù)荷考慮，以達(dá)到切除遠(yuǎn)端短路故障的目的，其動(dòng)作延時(shí)Tdmt也較長(zhǎng)，以避開列車啟動(dòng)的時(shí)間，廣州地鐵二號(hào)線牽引供電系統(tǒng)中該保護(hù)設(shè)計(jì)的Idmt為3000A，延時(shí)Tdmt為30秒。

當(dāng)電流第一次超過定值時(shí)，保護(hù)啟動(dòng)，在延時(shí)Tdmt的時(shí)間段內(nèi)電流一直超過定值，可認(rèn)為是短路電流，觸發(fā)跳閘，如果中間任一時(shí)刻電流沒有超過定值，保護(hù)自動(dòng)返回，等待下次啟動(dòng)。

3.4低電壓保護(hù)

其作用和定時(shí)限過流保護(hù)一樣，作為電流上升率保護(hù)的后備保護(hù)，一般與其它保護(hù)形式互相配合，不作為單獨(dú)的保護(hù)使斷路器調(diào)跳閘。它的整定值Umin及延時(shí)Tdmt必須列車正常運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行情況互相配合，應(yīng)考慮最大負(fù)載下列車的啟動(dòng)電流和啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間，還要考慮在一個(gè)供電區(qū)內(nèi)多部列車連續(xù)啟動(dòng)的情況。

當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，直流輸出電壓迅速下降很多，當(dāng)輸出電壓<Umin，保護(hù)啟動(dòng)，在一定的延時(shí)時(shí)內(nèi)輸出電壓一直保持<Umin，則低電壓保護(hù)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。

3.5雙邊聯(lián)跳保護(hù)

對(duì)于采用雙邊供電的接觸網(wǎng),它是廣泛使用的一種保護(hù)手段，正如上文所介紹，在一個(gè)供電區(qū)內(nèi)的接觸網(wǎng)由兩個(gè)變電所對(duì)其供電的，當(dāng)其中一個(gè)所的直流饋線斷路器因?yàn)槟承┍Ｗo(hù)跳閘的同時(shí)，還會(huì)發(fā)出聯(lián)跳指令，使為同一個(gè)供電區(qū)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(yuǎn)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(fā)出的。只要給一段接觸網(wǎng)供電的兩個(gè)牽引站有一個(gè)正確跳閘，另一個(gè)立刻也會(huì)跳閘，因而可靠性很高，確保滿足GB50517-92<<地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范>>的第8.2.21條“在事故狀態(tài)下接觸網(wǎng)短路電流的保護(hù)，應(yīng)保證單邊供電接觸網(wǎng)區(qū)段一條饋線的開斷和雙邊供電接觸網(wǎng)區(qū)段兩條饋線的開斷”。雙邊聯(lián)跳保護(hù)的原理如下：

圖2顯示了一條接觸網(wǎng)的兩段，左邊一段由牽引變電所A和B（簡(jiǎn)稱A站和B站，下同）供電，右邊一段則由B站和C站供電，當(dāng)短路點(diǎn)發(fā)生在靠近A站的c位置時(shí)，A站的大電流脫扣保護(hù)首先動(dòng)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(hù)均無法動(dòng)作，位于A站的雙邊聯(lián)跳保護(hù)則發(fā)出聯(lián)跳命令，將B站的213開關(guān)跳開。當(dāng)B站退出運(yùn)行時(shí)，則B站越區(qū)隔離開關(guān)2133合上，雙邊聯(lián)跳保護(hù)根據(jù)B站2133的位置判斷另一端是由C站213開關(guān)供電，跳閘的對(duì)象則為C站213開關(guān)。

3.6框架保護(hù)

框架保護(hù)適用于直流設(shè)備的正極對(duì)機(jī)柜外殼（與大地相連）或接觸網(wǎng)對(duì)架空地線短路時(shí)的情況。

如圖4所示，在正常無短路狀態(tài)下，鋼軌（負(fù)極）與地的絕緣良好，幾乎沒有漏電流通過A點(diǎn)，當(dāng)故障f1發(fā)生時(shí)，即直流設(shè)備的正極對(duì)機(jī)柜外殼短路時(shí)，故障電流If1由正極通過A點(diǎn)，經(jīng)泄漏電阻Rl回流至負(fù)極，框架保護(hù)檢測(cè)位于A點(diǎn)的機(jī)柜外殼對(duì)地的漏電流If1，超過整定值則迅速動(dòng)作。通常，在地和負(fù)極之間還安裝一個(gè)排流柜，當(dāng)排流柜投入運(yùn)行時(shí)，其等效電阻值遠(yuǎn)小于Rl，If1大大增加，這樣，即使鋼軌（負(fù)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(hù)動(dòng)作的靈敏性。

當(dāng)故障f2發(fā)生時(shí)，即接觸網(wǎng)與架空地線發(fā)生短路時(shí)，由于A點(diǎn)離故障點(diǎn)較遠(yuǎn)，故漏電流較小，檢測(cè)A點(diǎn)漏電流不能檢出故障，此時(shí)框架保護(hù)檢測(cè)外殼和負(fù)極之間的電位差。在正常無短路狀態(tài)下，外殼和負(fù)極之間的電位差很小，故障f2發(fā)生時(shí)電位差迅速變得很大，框架保護(hù)可以迅速動(dòng)作。而對(duì)于正極對(duì)機(jī)柜外殼短路的情況，若未投入排流柜，鋼軌（負(fù)極）與地的絕緣亦很好，漏電流可能不足以啟動(dòng)框架保護(hù)，但電壓檢測(cè)元件則可使之迅速動(dòng)作。

通常，電流檢測(cè)元件作為框架保護(hù)的主保護(hù)，電壓檢測(cè)元件作為后備保護(hù)。

框架保護(hù)動(dòng)作的結(jié)果是：迅速跳開本站內(nèi)所有的直流開關(guān)、交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)及鄰所向本區(qū)段供電的直流開關(guān)，并需由人工復(fù)歸后方可重新合上開關(guān)；

3.7軌道電壓限制保護(hù)

軌電位限制裝置控制

一控制原則

規(guī)電軌電位限制裝置的控制分兩種，一種是通過檢測(cè)軌道電壓實(shí)現(xiàn)，另一種是通過人工施加試驗(yàn)電壓實(shí)現(xiàn)，如下圖：

正常運(yùn)行，軌電位限制裝置檢測(cè)軌道和大地之間的電壓，該電壓經(jīng)過V11模塊整流后施加給R10；而人工施加的試驗(yàn)電壓，是通過S24旋紐把交流220V電壓經(jīng)過V12整流模塊整流后施加給R10。F21、F22繼電器分別檢測(cè)R10上的電壓，當(dāng)該電壓上升到92V時(shí)，經(jīng)過一定的延時(shí)（0.5秒），F(xiàn)21繼電器動(dòng)作，發(fā)出合閘命令；當(dāng)電壓上升到150V時(shí)，F(xiàn)22繼電器動(dòng)作，發(fā)出合閘命令。由F21繼電器動(dòng)作使斷路器合閘的方式我們稱為“一段動(dòng)作（U›）”，由F22繼電器動(dòng)作使斷路器合閘的方式我們稱為“二段動(dòng)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(qū)動(dòng)得斷路器合閘線圈得電，從而使斷路器合閘。

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

但是，它們之間有一定的區(qū)別：如果是因?yàn)镕21動(dòng)作從而使斷路器合閘，那么延時(shí)10秒后斷路器會(huì)自動(dòng)分閘，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)反復(fù)三次，斷路器合閘不再分開；如果是因?yàn)镕22繼電器動(dòng)作從而使斷路器合閘，，此時(shí)F22會(huì)閉鎖分閘回路，使斷路器不會(huì)延時(shí)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(qū)動(dòng)的斷路器分閘線圈得電，從而使斷路器分閘。

當(dāng)斷路器合閘后，斷路器的輔助接點(diǎn)（S1的23、24）閉合，使繼電器K81受電，經(jīng)過10秒的延時(shí)后，繼電器動(dòng)作，該繼電器的15、18接點(diǎn)閉合，而繼電器K84的常閉接點(diǎn)接通，因此分閘繼電器K01受電，使斷路器分閘。

3.8接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護(hù)

接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護(hù),其保護(hù)的目的是消除熱過負(fù)荷故障，而非短路故障，其工作原理主要是根據(jù)接觸網(wǎng)的電阻，接觸網(wǎng)上流過的電流，計(jì)算出接觸網(wǎng)的發(fā)熱量，從而再根據(jù)接觸網(wǎng)的熱負(fù)荷特性及環(huán)境條件推算出接觸網(wǎng)的電纜溫度。當(dāng)測(cè)量的電纜溫度超過Talarm給出報(bào)警，超過Ttrip則跳開給該接觸網(wǎng)供電的直流開關(guān)。開關(guān)跳開后，電纜逐漸冷卻，當(dāng)溫度進(jìn)一步下降，低于Treclosure，則重新合上直流開關(guān)。圖5給出了接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作的時(shí)序圖。

5接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作時(shí)序圖

4存在的問題

4.1關(guān)于多輛列車短時(shí)間內(nèi)相繼啟動(dòng)

在接觸網(wǎng)的同一供電區(qū)段內(nèi)，若在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)兩輛/多輛列車相繼啟動(dòng)，第一輛列車啟動(dòng)引起電流上升率保護(hù)或定時(shí)限過流保護(hù)啟動(dòng)，而另一輛列車的啟動(dòng)恰巧引起電流上升率保護(hù)或定時(shí)限過流保護(hù)跳閘，這種可能性在理論上是存在的。至于解決的方案，英國(guó)ENOTRAC公司的觀點(diǎn)認(rèn)為，人工智能或神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)可能是最佳的解決辦法，具體的實(shí)施方法尚不得而知。

4.2關(guān)于小電流短路故障

小電流短路故障主要是由于故障點(diǎn)距離牽引所很遠(yuǎn)，或者，短路點(diǎn)的電弧大引起電阻也增大。兩者皆可導(dǎo)致以上介紹的各種保護(hù)均無法正確動(dòng)作。當(dāng)短路點(diǎn)靠近其中一端的牽引所時(shí)，近端短路電流往往較易檢測(cè)，近端牽引所跳開本所開關(guān)并聯(lián)跳鄰所開關(guān)；但若短路點(diǎn)位于相鄰兩個(gè)牽引所中間的接觸網(wǎng)上，可能發(fā)生兩個(gè)牽引所的保護(hù)均無法檢測(cè)小電流短路故障的問題。對(duì)于兩個(gè)牽引所距離太遠(yuǎn)的情況，可以從設(shè)計(jì)上避免；而對(duì)于大電弧的情況，筆者認(rèn)為需要對(duì)電弧的特性進(jìn)行大量的研究，從而給帶電弧的電流建立精確的數(shù)學(xué)模型，使其能夠正確地被保護(hù)裝置所識(shí)別。

4.3關(guān)于框架保護(hù)的選擇性

框架保護(hù)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(dāng)接地點(diǎn)位于整流器出口的A位置時(shí)，只需要跳開交流進(jìn)線開關(guān)105和直流進(jìn)線開關(guān)201即可；當(dāng)接地點(diǎn)位于B位置時(shí)，只需要跳開所有直流開關(guān)；當(dāng)接地點(diǎn)位于C位置時(shí)，只需要跳開直流饋線開關(guān)214并聯(lián)跳右鄰站的直流饋線開關(guān)213（如圖2）。但由于框架保護(hù)的電壓和電流檢測(cè)原理都無法給故障定位在A點(diǎn)、B點(diǎn)還是C點(diǎn)，所以選擇性較差。小電流接地故障的定位一直是個(gè)難題，如同三相交流中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的單相接地故障一樣，尋找準(zhǔn)確的定位方法還需要進(jìn)一步的探索。

5結(jié)論

目前，地鐵直流牽引變電所內(nèi)配置的直流保護(hù)，基本上能夠快速切除大多數(shù)短路、接地故障，但仍然存在一些世界性的難題。國(guó)內(nèi)保護(hù)設(shè)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(hù)。

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