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，如多輛列車短時間內(nèi)相繼啟動可能會造成保護(hù)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(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，地鐵是城市公共交通的重點發(fā)展方向，設(shè)備國產(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)，國產(chǎn)保護(hù)設(shè)備還處于起步階段，目前，國內(nèi)主要城市的地鐵直流保護(hù)設(shè)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(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，能夠看到國產(chǎn)的直流保護(hù)設(shè)備在我國甚至國際市場成為主流。

1一次系統(tǒng)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(jīng)整流機組（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），一個供電區(qū)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(qū)段的方式使故障被隔離在某個區(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)生故障時快速、準(zhǔn)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(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．自動重合閘（automaticre-closure）。

B．進(jìn)線柜（圖1中對應(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，一種是正極對負(fù)極短路，另一種是正極對大地短路。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。

對于前一種故障，多數(shù)是由于架空接觸網(wǎng)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(yuǎn)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(yuǎn)端短路故障電流與列車啟動電流的區(qū)分，是牽引變電所直流保護(hù)的難點。另外，列車受電弓過接觸網(wǎng)分段時，也會有一個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)分段時的電流時間特性示意圖。

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)，沒有延時性，它通過斷路器內(nèi)設(shè)置的脫扣器實現(xiàn)。當(dāng)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(hù)的整定值要通過計算和短路試驗得出，整定值要比最大負(fù)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(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，電流上升率保護(hù)啟動（該時刻記為t）。該保護(hù)啟動后，產(chǎn)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(jīng)過時間T1后，di/dt仍然大于B；

2．經(jīng)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(wǎng)分段后重新與接觸網(wǎng)連接，此時電流的絕對數(shù)值It較小，而di/dt由于充電效應(yīng)則較大，短路電流和列車運行電流均可滿足啟動條件，但經(jīng)過適當(dāng)?shù)难訒r后，對于列車運行電流來講，由于充電效應(yīng)維持的時間很短，電流已經(jīng)經(jīng)過了一個從很小到數(shù)倍于正常電流，再到正常電流的過程，此時，di/dt通常是負(fù)值，ΔI也很小，所以出發(fā)跳閘的條件一個也不滿足，電流上升率保護(hù)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(yuǎn)，通常一定滿足條件1和2，致使保護(hù)跳閘。

單列列車t時刻啟動時，可能di/dt>A,保護(hù)啟動，但經(jīng)過時間T1后，di/dt<B，ΔI<L,保護(hù)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(hù)動作的正確性和快速性。

3.3定時限過流保護(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(tǒng)中該保護(hù)設(shè)計的Idmt為3000A，延時Tdmt為30秒。

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

3.4低電壓保護(hù)

其作用和定時限過流保護(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，不作為單獨的保護(hù)使斷路器調(diào)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(yīng)考慮最大負(fù)載下列車的啟動電流和啟動持續(xù)時間，還要考慮在一個供電區(qū)內(nèi)多部列車連續(xù)啟動的情況。

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

3.5雙邊聯(lián)跳保護(hù)

對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，在一個供電區(qū)內(nèi)的接觸網(wǎng)由兩個變電所對其供電的，當(dāng)其中一個所的直流饋線斷路器因為某些保護(hù)跳閘的同時，還會發(fā)出聯(lián)跳指令，使為同一個供電區(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(shè)計規(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)短路點發(fā)生在靠近A站的c位置時，A站的大電流脫扣保護(hù)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(hù)均無法動作，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站退出運行時，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)備的正極對機柜外殼（與大地相連）或接觸網(wǎng)對架空地線短路時的情況。

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，當(dāng)故障f1發(fā)生時，即直流設(shè)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(jīng)泄漏電阻Rl回流至負(fù)極，框架保護(hù)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(fù)極之間還安裝一個排流柜，當(dāng)排流柜投入運行時，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)動作的靈敏性。

當(dāng)故障f2發(fā)生時，即接觸網(wǎng)與架空地線發(fā)生短路時，由于A點離故障點較遠(yuǎn)，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(hù)檢測外殼和負(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)生時電位差迅速變得很大，框架保護(hù)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(fù)極）與地的絕緣亦很好，漏電流可能不足以啟動框架保護(hù)，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(hù)的主保護(hù)，電壓檢測元件作為后備保護(hù)。

框架保護(hù)動作的結(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，一種是通過檢測軌道電壓實現(xiàn)，另一種是通過人工施加試驗電壓實現(xiàn)，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(jīng)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(jīng)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(dāng)該電壓上升到92V時，經(jīng)過一定的延時（0.5秒），F(xiàn)21繼電器動作，發(fā)出合閘命令；當(dāng)電壓上升到150V時，F(xiàn)22繼電器動作，發(fā)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(qū)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(dāng)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(dāng)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(qū)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(guī)定的時間內(nèi)反復(fù)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(qū)動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（S1的23、24）閉合，使繼電器K81受電，經(jīng)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(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)測量的電纜溫度超過Talarm給出報警，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)動作的時序圖。

5接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護(hù)動作時序圖

4存在的問題

4.1關(guān)于多輛列車短時間內(nèi)相繼啟動

在接觸網(wǎng)的同一供電區(qū)段內(nèi)，若在短時間內(nèi)出現(xiàn)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(hù)或定時限過流保護(hù)啟動，而另一輛列車的啟動恰巧引起電流上升率保護(hù)或定時限過流保護(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ENOTRAC公司的觀點認(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距離牽引所很遠(yuǎn)，或者，短路點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)均無法正確動作。當(dāng)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(guān)并聯(lián)跳鄰所開關(guān)；但若短路點位于相鄰兩個牽引所中間的接觸網(wǎng)上，可能發(fā)生兩個牽引所的保護(hù)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(yuǎn)的情況，可以從設(shè)計上避免；而對于大電弧的情況，筆者認(rèn)為需要對電弧的特性進(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)接地點位于整流器出口的A位置時，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)接地點位于B位置時，只需要跳開所有直流開關(guān)；當(dāng)接地點位于C位置時，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(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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