地鐵直流牽引供電系統(tǒng)饋線的保護技術(shù)研究

摘 要：作為直流牽引供電系統(tǒng)保護中的重要組成部分，饋線保護對于保證供電系統(tǒng)的安全性和可靠性具有重要作用。文章首先介紹了地鐵牽引網(wǎng)短路電流特點和直流保護系統(tǒng)設(shè)計注意要點，然后具體探討了地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的饋線保護技術(shù)，以期為相關(guān)技術(shù)與設(shè)計人員提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵；直流牽引供電系統(tǒng)；饋線保護技術(shù)；研究

1 地鐵直流牽引網(wǎng)短路電流特點及直流保護系統(tǒng)設(shè)計要點

1.1 地鐵直流牽引網(wǎng)短路電流特點

（1）通常相比地鐵列車起動時的電流變化率持續(xù)時間，中遠(yuǎn)端短路電流變化率的持續(xù)時間較長；（2）地鐵直流牽引供電系統(tǒng)饋線瞬時故障短路電流及列車起動電流都可以模擬為指數(shù)函數(shù)；（3）相比較地鐵列車起動的瞬時跳躍量，末端短路電流的瞬時跳躍量較高，而當(dāng)線路延長時情況可能相反；（4）相比較負(fù)荷電流變化率，通常短路電流的變化率要高，而遠(yuǎn)端短路電流變化率同地鐵起動的最高電流變化率相一致；且當(dāng)直流饋線不斷延長時，末端故障電流變化率可能要低于負(fù)荷電流變化率；（5）若車流密度及直流饋線距離達到一定值時，最高負(fù)荷電流可能會高于或等于末端短路電流。

1.2 地鐵直流保護系統(tǒng)設(shè)計要點

直流牽引供電系統(tǒng)的保護，主要采用直流開關(guān)設(shè)備實施保護。在系統(tǒng)中，依據(jù)功能狀況可以將直流斷路器劃分為饋線回路斷路器與整流器回路斷路器。直流饋線回路斷路器主要用于對饋線側(cè)的牽引供電控制和保護，其能在變電所接觸網(wǎng)及直流電纜出現(xiàn)故障時及時將故障切除；整流器回路斷路器主要用于對整流器側(cè)的直流輸出進行控制和保護，其能在整流器故障出現(xiàn)時及時將整流器的直流輸出斷開。直流保護系統(tǒng)的設(shè)計要點有：

（1）應(yīng)分析部分特殊故障形勢下的保護，如屏蔽門與接觸網(wǎng)的短路故障、隧道電纜支架與接觸網(wǎng)的短路、架空接地線與接觸網(wǎng)的短路等。

（2）在地鐵的日常運行中，直流保護系統(tǒng)應(yīng)避免誤跳閘問題以降低對地鐵運行的影響，其可能會產(chǎn)生的影響有地鐵列車在經(jīng)過接觸網(wǎng)分段時的沖擊電流影響和地鐵起動電流、電壓影響等。

（3）應(yīng)加強各類保護之間的配合，以確保當(dāng)直流系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時故障能夠有效切除。

2 地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的饋線保護技術(shù)

2.1 接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護

接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保戶是電流上升率保護的輔助保護。此種保護的工作原理為：接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護以接觸網(wǎng)處的橫截面積、電阻率修正常數(shù)、電流、電阻率及長度等為依據(jù)對接觸網(wǎng)的發(fā)熱量進行計算，然后分析空氣比熱、接觸網(wǎng)熱負(fù)荷特性及通風(fēng)量等條件影響，按照經(jīng)驗公式計算出接觸網(wǎng)的電纜溫度。若檢測到電纜溫度高于整定值時并立即報警，發(fā)出跳閘命令，以此對接觸網(wǎng)進行保護。

2.2 電流增量保護與電流上升率保護

電流增量保護與電流上升率保護是地鐵直流饋線保護中的主保護，其不僅能夠?qū)⒔说亩搪冯娏髑谐?，還能將大電流脫扣保護未能切除的小故障電流的遠(yuǎn)端短路故障切除。此種保護的配置方式能有效避免單獨采用電流增量保護的拒動問題和單獨使用電流上升率保護的干擾誤動問題，其保護動作通常分為延時跳閘與瞬時跳閘兩部分，動作較早的決定對高速直流斷路器的斷開。延時跳閘元件主要用于對遠(yuǎn)端短路電流進行識別并實施跳閘。

此種保護的動作原理為：（1）在直流系統(tǒng)正常工作中，保護裝置對電流上升率進行實時監(jiān)測，若電流上升率在既定時間內(nèi)比保護整定的電流上升率高時，則電流上升率保護動作，進入延時階段；如果在延時階段內(nèi)電流的上升率始終比保護設(shè)定值高，則啟動保護動作；若在延時階段內(nèi)，電流的上升率恢復(fù)到保護設(shè)定值范圍內(nèi)，則保護返回。（2）在電流上升率保護動作開始時，電流增量保護也會進入保護延時階段，且保護以繼電器啟動時刻的電流為基線對相對電流增量進行計算。當(dāng)電流上升率始終高于保護設(shè)定值時，當(dāng)滿足電流增量保護延時值時，電流增量同時也會高于保護設(shè)定值，此時電流增量保護動作。

2.3 自動重合閘

當(dāng)直流系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時，保護裝置動作，待短路故障排除后需將斷路器進行合閘才能使系統(tǒng)恢復(fù)運行。通常直流牽引網(wǎng)的短路故障都具有瞬時性特點，當(dāng)故障排除以后供電系統(tǒng)應(yīng)能在短時間內(nèi)快速恢復(fù)供電。自動重合閘正好能夠滿足此項要求。其動作原理為：自動重合閘的基本功能是在排除直流牽引網(wǎng)的瞬時性故障后使斷路器重新合閘，保證系統(tǒng)恢復(fù)供電的可靠性與高效性。自動重合閘應(yīng)保證自身不存在任何故障，以避免斷路器因分合閘次數(shù)過多而大致壽命縮短，或造成斷路器主觸頭損壞，所以在重合閘前應(yīng)先測試故障線路，保障故障排除后再進行合閘。如果重合閘次數(shù)高于整定值，則將故障診斷為系統(tǒng)永久性故障，將重合閘回路關(guān)閉。

在自動重合閘中，若線路故障診斷為永久性故障則重合閘不發(fā)生動作；若變電所是被聯(lián)跳分閘，則應(yīng)先將變電所合閘再開啟重合閘；若是手動分閘，則自動重合閘不發(fā)生動作。

2.4 大電流脫扣保護

大電流脫扣保護是一種開關(guān)自帶保護，其基本功能是將較大的短路電流切除。過大的短路電流經(jīng)常會嚴(yán)重?fù)p壞線路，所以在此種短路電流出現(xiàn)時應(yīng)及時進行切斷，且應(yīng)保證切斷過程在短路電流達到峰值前。若被保護線路短路電流的最低值為Idmin，動作電流設(shè)定應(yīng)為Idz>kIdmin，k表示可靠系數(shù)。當(dāng)檢測到短路電流高于動作電流時應(yīng)立刻進行挑閘動作，其自身動作時間通常在幾毫秒以內(nèi)，因此大電流脫扣保護動作異常靈敏，特別對于電流上升過快的近端短路故障，通常在電流增量保護及電流上升率保護動作前已經(jīng)完成跳閘。

2.5 定時限過流保護

此種保護通常作為電流增量保護與電流上升率保護的后備保護，基本功能是對遠(yuǎn)端短路故障進行切除。其動作時間通常為十幾秒到幾十秒，對于故障部分的切除具有一定的延時性。在保護啟動值設(shè)定時往往分成負(fù)方向設(shè)定值和正方向設(shè)定值兩方面。

3 結(jié)束語

直流饋線保護的質(zhì)量將直接關(guān)系著地鐵供電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與安全性，因此，相關(guān)技術(shù)與設(shè)計人員應(yīng)加強有關(guān)地鐵直流牽引供電系統(tǒng)饋線保護的研究，總結(jié)地鐵直流饋線保護系統(tǒng)的設(shè)計要點及關(guān)鍵技術(shù)措施，以逐步提高直流饋線系統(tǒng)的保護水平。

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作者簡介：陳自滿（1984-），男，廣東省揭陽市人，助理工程師，大學(xué)本科，深圳市地鐵集團有限公司運營總部，從事地鐵供電系統(tǒng)運行維護工作。