地鐵采用的直流供電保護(hù)方案

羅易東

摘要：廣州地鐵一號(hào)線直流供電系統(tǒng)，其基本原理是接觸網(wǎng)采用1500V直流雙邊供電。在牽引所中通過整流機(jī)組把33KV等級(jí)的電壓通過降壓整流，轉(zhuǎn)變成為1500V的直流電通過直流開關(guān)輸送到接觸網(wǎng)上，給機(jī)車提供動(dòng)力電源。接觸網(wǎng)本身不具備電氣保護(hù)功能，上網(wǎng)電纜、接觸網(wǎng)等設(shè)備出現(xiàn)故障，需要通過直流開關(guān)柜來判斷故障，進(jìn)行電氣保護(hù)。所以對(duì)于直流供電系統(tǒng)來說直流開關(guān)柜的地位相當(dāng)重要，研究直流開關(guān)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)來說有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：直流柜；過流保護(hù)；di/dt+ΔI保護(hù)

1 引言

在軌道交通領(lǐng)域中應(yīng)用于車輛供電的系統(tǒng)多采用直流供電的方式，即采用接觸網(wǎng)供電。例如廣州地鐵一號(hào)線直流供電系統(tǒng)，其基本原理是接觸網(wǎng)采用1500V直流雙邊供電。在牽引所中通過整流機(jī)組把33KV等級(jí)的電壓通過降壓整流，轉(zhuǎn)變成為1500V的直流電通過直流開關(guān)輸送到接觸網(wǎng)上，給機(jī)車提供動(dòng)力電源。接觸網(wǎng)本身不具備電氣保護(hù)功能，上網(wǎng)電纜、接觸網(wǎng)等設(shè)備出現(xiàn)故障，需要通過直流開關(guān)柜來判斷故障，進(jìn)行電氣保護(hù)。所以對(duì)于直流供電系統(tǒng)來說直流開關(guān)柜的地位相當(dāng)重要，研究直流開關(guān)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)來說有著重要的意義。

2 直流開關(guān)柜的組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

牽引變電所1500V直流開關(guān)柜包括以下三種類型設(shè)備。

正極柜：連接于整流器閥側(cè)正極與1500V正極母線之間的開關(guān)柜，實(shí)現(xiàn)對(duì)整流機(jī)組向1500V直流正極母線饋電進(jìn)行控制。

饋線柜：連接于1500V直流正極母線與牽引網(wǎng)上網(wǎng)隔離開關(guān)之間的開關(guān)柜，實(shí)現(xiàn)對(duì)1500V直流正極母線向牽引網(wǎng)饋電進(jìn)行控制和保護(hù)。

負(fù)極柜：連接于整流器閥側(cè)負(fù)極與回流鋼軌之間的開關(guān)柜，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引網(wǎng)回流的控制。

這里著重介紹下饋線柜。1500V饋線柜主要由上部連接、下部連接、驅(qū)動(dòng)裝置、合閘機(jī)構(gòu)、分閘機(jī)構(gòu)、大電流脫扣保護(hù)裝置、滅弧裝置以及分合閘位置輔助觸點(diǎn)組成。其中驅(qū)動(dòng)裝置和大電流脫扣保護(hù)裝置是1500V直流開關(guān)饋線柜的核心部分。

驅(qū)動(dòng)裝置的作用是牽引棘輪拉動(dòng)動(dòng)觸頭使其與靜觸頭閉合，完成合閘。驅(qū)動(dòng)裝置由工程塑料支架、限位緩沖彈簧、分閘輔助彈簧、傳動(dòng)圓鋼組成。整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置在合閘線圈鐵心的推動(dòng)下在受限范圍水平內(nèi)沿導(dǎo)軌方向前后運(yùn)動(dòng)。合閘時(shí)鐵心推動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置往前運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)裝置牽引棘輪拉動(dòng)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)；動(dòng)觸頭附帶一個(gè)輔助觸頭，在合閘前輔助觸頭先與動(dòng)觸頭接觸，通電之后動(dòng)觸頭在驅(qū)動(dòng)裝置的作用下與靜觸頭完全閉和。輔助觸頭的作用是避免動(dòng)觸頭直接與靜觸頭接觸時(shí)發(fā)生損傷。分閘時(shí)先分動(dòng)觸頭，最后分輔助觸頭，同樣避免分閘產(chǎn)生的拉弧損害動(dòng)觸頭。

大電流脫扣保護(hù)裝置是直流開關(guān)上利用電磁原理實(shí)現(xiàn)直流保護(hù)的一種裝置。有一個(gè)由硅鋼片疊成的磁扼垂直套在動(dòng)觸頭的外側(cè)，只要開關(guān)回路中的電流達(dá)到整定值，磁扼中產(chǎn)生的磁場(chǎng)把銜鐵吸合下來，銜鐵帶動(dòng)連桿，連桿的運(yùn)動(dòng)頂起牽引觸頭棘齒，原來在水平方向的平衡被打破，棘輪向上頂起，軸脫扣后，動(dòng)觸頭在分閘彈簧的作用下迅速?gòu)楅_。這時(shí)綜合保護(hù)裝置根據(jù)輔助觸點(diǎn)的輸入和主電路電流電壓測(cè)量值進(jìn)行運(yùn)算，輸出控制使合閘線圈失電、鐵心后退、驅(qū)動(dòng)裝置在分閘輔助彈簧作用下往回運(yùn)動(dòng)，綜合保護(hù)裝置發(fā)出大電流報(bào)警信息。大電流脫扣保護(hù)的整定值通過調(diào)整磁扼中的磁通路來實(shí)現(xiàn)。

3 直流開關(guān)柜保護(hù)的原理及整定范圍

地鐵1500V直流開關(guān)的測(cè)控保護(hù)一般通過綜合保護(hù)裝置來實(shí)現(xiàn)，如廣州地鐵二號(hào)線采用了西門子DPU96來實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)的控制、保護(hù)、測(cè)量及通信。

3.1 大電流脫扣保護(hù)

大電流脫扣保護(hù)通過脫扣器實(shí)現(xiàn)，其動(dòng)作過程在文章開頭有過介紹，該保護(hù)屬于開關(guān)自帶，用于切斷大的短路電流。大的短路電流對(duì)線路會(huì)造成巨大的損壞，故大的短路電流一出現(xiàn)應(yīng)立即切斷，其切斷時(shí)刻應(yīng)在其達(dá)到電流峰值之前。 廣州地鐵2號(hào)線進(jìn)線開關(guān)的整定值為12000A，饋線開關(guān)的整定值為9000A。

3.2 電流上升率保護(hù)（di/dt）和電流增量保護(hù)（ΔI）

該保護(hù)作為地鐵饋線保護(hù)的主保護(hù)，他既能切除近端短路電流，也能切除大電流脫扣保護(hù)不能切除的故障電流較小的遠(yuǎn)端短路故障。保護(hù)動(dòng)作特性分為2部分，瞬時(shí)跳閘和延時(shí)跳閘，其中誰(shuí)較早激活就由誰(shuí)決定跳開高速直流斷路器。延時(shí)跳閘元件主要起識(shí)別遠(yuǎn)端短路電流并跳閘的作用。

西門子DPU96關(guān)于該保護(hù)的整定方法，開關(guān)合閘后，測(cè)量裝置不斷檢測(cè)開關(guān)主電路中電流的變化率di/dt，當(dāng)電流變化率di/dt≥24A/ms時(shí)發(fā)出報(bào)警，當(dāng)di/dt≥40A/ms時(shí)觸發(fā)DPU96產(chǎn)生中斷。在30ms內(nèi)如果電流變化率高于40A/ms則30ms后DPU96保護(hù)分閘；如果30ms內(nèi)電流變化率低于40A/ms，則di/dt復(fù)零，中斷退出。直流開關(guān)設(shè)置的ΔI保護(hù)與di/dt保護(hù)互相配合，當(dāng)di/dt被觸發(fā)后持續(xù)1ms，ΔI達(dá)到整定值4000A（饋線開關(guān)），經(jīng)過延時(shí)（1ms），ΔI動(dòng)作，DPU96保護(hù)分閘。

以上保護(hù)的整定使保護(hù)裝置只針對(duì)故障電流做出分閘響應(yīng)，躲過了牽引變電所很遠(yuǎn)處啟動(dòng)時(shí)的機(jī)車啟動(dòng)電流，列車的電桿架接觸激增電流，列車駛進(jìn)車站的電流等非故障電流曲線。防止了開關(guān)的誤動(dòng)作。

3.3 過流保護(hù)

過流保護(hù)可作為上述兩種保護(hù)的后備保護(hù)。在保護(hù)控制單元預(yù)先整定電流Imax值和時(shí)間T值。當(dāng)通過直流饋線短路的電流值在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間T內(nèi)超過Imax值時(shí)，過流保護(hù)裝置動(dòng)作使直流饋線斷路器跳閘來清除故障。顯然，Imax值應(yīng)小于大電流脫扣保護(hù)裝置動(dòng)作值Idz。對(duì)于Imax值的設(shè)定，可分別設(shè)定正反方向的Imax＋值和Imax－值。當(dāng)機(jī)車處于再生狀態(tài)或當(dāng)?shù)貭恳冸娝鳈C(jī)組退出運(yùn)行，所內(nèi)直流饋線被用于直流越區(qū)供電回路時(shí)，如果線路發(fā)生故障，會(huì)有反向電流通過直流饋線斷路器，反向過流保護(hù)用于檢測(cè)并清除該故障，在西門子的DPU96中可設(shè)定Imax值，如廣州地鐵2號(hào)線饋線整定過流為Imax=8000A。

3.4 框架保護(hù)

直流開關(guān)柜、整流器柜、回流柜設(shè)置有框架保護(hù)。框架保護(hù)分為電流型與電壓型。其原理為：負(fù)極柜的S7（控制器）檢測(cè)框架與大地之間的電流和框架對(duì)負(fù)極的電壓，達(dá)到整定值則S7輸出控制，通過硬線觸點(diǎn)向本所所有1500V直流開關(guān)及鄰所相鄰1500V直流開關(guān)發(fā)出聯(lián)跳信號(hào)（脈沖寬度大于500ms），每個(gè)直流開關(guān)的DPU96或S7收到信號(hào)后保護(hù)分閘同時(shí)閉鎖自動(dòng)重合閘程序。

3.5 自動(dòng)重合閘

使用自動(dòng)重合閘的目的是為了在瞬時(shí)性故障消除后使線路重新投入運(yùn)行，從而在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于直流牽引系統(tǒng)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生短路而使過流脫扣器經(jīng)常動(dòng)作。但由于大部分短路故障是短暫的，所以使用自動(dòng)重合閘系統(tǒng)可提高系統(tǒng)的可靠性。斷路器每隔一段時(shí)間（時(shí)間長(zhǎng)短可調(diào)節(jié)）重合閘一次。如果重合閘的次數(shù)超過預(yù)定的次數(shù)，合閘仍不成功，則認(rèn)為是永久性故障，閉鎖重合閘回路。 DPU96在實(shí)現(xiàn)這一功能時(shí)需要檢測(cè)判斷發(fā)生大電流脫扣分閘、Imax保護(hù)、過電流保護(hù)、di/dt+ΔI保護(hù)時(shí)，DPU96通過硬線觸點(diǎn)向鄰所饋線1500V直流開關(guān)發(fā)聯(lián)跳信號(hào)（設(shè)計(jì)整定脈沖寬度少于500ms）,聯(lián)跳鄰所饋線1500V直流開關(guān)；鄰所饋線開關(guān)DPU96檢測(cè)到聯(lián)跳信號(hào)后進(jìn)行判斷，滿足條件則跳閘進(jìn)入自動(dòng)重合閘程序。如果脈沖大于500ms（框架保護(hù)動(dòng)作）則跳閘后退出重合閘程序。

4 結(jié)論

在目前國(guó)內(nèi)的直流供電系統(tǒng)中普遍采用以上介紹的直流供電模式，直流供電的保護(hù)方法也基本一致，前面結(jié)合理論及實(shí)際實(shí)現(xiàn)方法對(duì)地鐵直流開關(guān)柜進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，故掌握好直流開關(guān)柜的控制保護(hù)原理，對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)故障檢修有極其重要的意義。只有深入分析好直流開關(guān)柜的各項(xiàng)保護(hù)功能，有針對(duì)性的采取檢修措施和相關(guān)對(duì)策，積累運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，才能確保運(yùn)營(yíng)供電系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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