地鐵直流牽引供電系統(tǒng)饋線保護(hù)技術(shù)研究

蘭州市軌道交通有限公司運(yùn)營(yíng)分公司 張 鑫

1 地鐵直流牽引供電系統(tǒng)特點(diǎn)與保護(hù)要求

1.1 特點(diǎn)

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)主要包括牽引變電站、架空接觸網(wǎng)。由于該供電系統(tǒng)直接與地鐵相連接，同時(shí)具有一定的獨(dú)立性，因而受到外界干擾因素的影響較小，引發(fā)地鐵運(yùn)營(yíng)事故的可能性也隨之降低。在實(shí)際的地鐵運(yùn)行中具有重要的作用。加強(qiáng)對(duì)供電系統(tǒng)中的饋線保護(hù)，有助于降低誤動(dòng)率。加之饋線保護(hù)的高變化率，使得地鐵在運(yùn)行中能保證最高電流的穩(wěn)定性。地鐵直流牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行配置相應(yīng)的饋線保護(hù)裝置過(guò)程中，需要遵循以下原則：

保證裝置的簡(jiǎn)潔性。供電系統(tǒng)由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行容易發(fā)生短路、過(guò)流過(guò)壓以及超負(fù)荷問(wèn)題，當(dāng)故障發(fā)生后容易造成地鐵無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)而引發(fā)一系列的問(wèn)題。對(duì)于短路故障來(lái)說(shuō)，應(yīng)保證饋線保護(hù)技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中能對(duì)故障問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)、合理的解決，從而確保供電系統(tǒng)能在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常供電，保證地鐵正常運(yùn)行。因此需饋線保護(hù)裝置更加簡(jiǎn)潔、方便，進(jìn)一步降低地鐵系統(tǒng)的維修和保養(yǎng)成本。

保證系統(tǒng)裝置的均衡性。饋線保護(hù)裝置的主要應(yīng)用目的在于保持供電系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)牧鲿?。在進(jìn)行饋線保護(hù)時(shí)，需與供電系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律相結(jié)合，從而確保饋線保護(hù)裝置使用更準(zhǔn)確，在保證均衡性的同時(shí)有效解決供電系統(tǒng)故障問(wèn)題。使得供電系統(tǒng)能穩(wěn)定持久地獲得所需電能，降低故障發(fā)生的概率，影響地鐵的正常調(diào)度。能對(duì)故障類型進(jìn)行有效判定進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警，有效提升系統(tǒng)運(yùn)行的有效性和可靠性。

1.2 要求

1.2.1 設(shè)計(jì)要求

供電系統(tǒng)在地鐵的實(shí)際運(yùn)行中需要重視對(duì)電流和電壓的科學(xué)保護(hù)。在實(shí)際操作時(shí)，地鐵直流牽引供電控制系統(tǒng)應(yīng)主要依據(jù)整體功能和系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行方式和狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流斷路器的科學(xué)劃分，通常情況下，直流斷路器的劃分方式可分為整流器回路斷路器、饋線回路斷路器兩種。其中，直流饋線回路斷流器可對(duì)牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)控制，而整流器回路斷流器則能進(jìn)行系統(tǒng)的有效保護(hù)。在實(shí)際的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需從以下方面入手：

如地鐵在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生跳閘等問(wèn)題時(shí)，此時(shí)的接觸網(wǎng)電流和電壓則較大，影響地鐵的正常運(yùn)行。所以在進(jìn)行地鐵牽引直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將重點(diǎn)放在系統(tǒng)跳閘問(wèn)題上；實(shí)現(xiàn)各類保護(hù)裝置間的配合，防止直流系統(tǒng)出現(xiàn)短路問(wèn)題；做好系統(tǒng)特殊故障的保護(hù)工作，在供電系統(tǒng)運(yùn)行中不僅容易發(fā)生常規(guī)性的系統(tǒng)故障問(wèn)題，還容易產(chǎn)生特殊故障問(wèn)題。例如，屏蔽門和接觸網(wǎng)也容易發(fā)生短路，所以在進(jìn)行地鐵牽引直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)做好特殊故障的保護(hù)工作[1]。

1.2.2 保護(hù)要求

地鐵的運(yùn)行效率受到直流牽引供電系統(tǒng)設(shè)備、地鐵運(yùn)行方式及繼電保護(hù)裝置的影響，通常地鐵直流牽引系統(tǒng)的饋線保護(hù)分為電流類保護(hù)、電壓類保護(hù)、框架類保護(hù)等。需注意的是，地鐵直流牽引系統(tǒng)饋線保護(hù)方式種類較多，通常情況下能通用，當(dāng)前使用最廣泛的保護(hù)方式為電流類保護(hù)。由于地鐵直流牽引供電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生最多的故障為短路問(wèn)題。當(dāng)?shù)罔F直流牽引供電系統(tǒng)發(fā)生短路問(wèn)題時(shí)，容易導(dǎo)致電流迅速增大，電壓隨之降低，造成整個(gè)供電系統(tǒng)的混亂。因此在對(duì)地鐵直流牽引供電體系進(jìn)行保護(hù)時(shí)，首先應(yīng)最大程度降低牽引供電系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的靈敏性和可靠性，其次采取有效的保護(hù)措施，使其能有效滿足不同的供電方案。最后，采用智能化的電流故障識(shí)別裝置，有效保護(hù)供電系統(tǒng)。

2 地鐵直流牽引供電系統(tǒng)控制功能及原理

2.1 分合閘操作

在供電控制系統(tǒng)中，保護(hù)裝置的分合閘可分為兩種，即電保持型斷路器、磁保持型斷路器。上述兩種分合閘能實(shí)現(xiàn)合閘線圈通電時(shí)間的有效控制工作。其中電保持型斷路器能保持合閘線圈的長(zhǎng)期性通電，在輸出1s 脈沖后，合閘線圈會(huì)隨之得到一定的電流。在此過(guò)程中，利用逐步降低電流得到保持電流的方式確保斷路器準(zhǔn)確停留在合閘位置上。而磁保持型斷路器則為短時(shí)期的通電，在輸出1s 脈沖后，此時(shí)的合閘線圈同樣會(huì)得到一定的電流，促使斷路器能立即發(fā)生合閘，此時(shí)線圈失去電流。需要注意的是，自動(dòng)合閘不得進(jìn)行故障試合閘，避免因分合閘此時(shí)增加而導(dǎo)致斷路器的過(guò)度損耗[2]。

2.2 聯(lián)跳

聯(lián)跳功能主要是指利用聯(lián)跳電纜和兩側(cè)的變電所直流開(kāi)關(guān)中的繼電器實(shí)現(xiàn)相互動(dòng)作保護(hù)。當(dāng)聯(lián)跳發(fā)送相應(yīng)的回路信號(hào)后，通過(guò)聯(lián)跳繼電器和相鄰變電所的電纜將其發(fā)送給相鄰的變電所的饋線柜中，當(dāng)相鄰變電所的饋線接收柜接收到信號(hào)后，通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)聯(lián)跳信號(hào)的接收，再進(jìn)行各類聯(lián)跳動(dòng)作的保護(hù)和控制。當(dāng)相鄰變電所的饋線柜在同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行饋線區(qū)供電時(shí)，當(dāng)發(fā)生饋線短路和過(guò)流時(shí)，兩個(gè)變電所的饋線柜需要及時(shí)進(jìn)行雙邊聯(lián)跳，當(dāng)其中任意一個(gè)變電所發(fā)生框架故障時(shí)，變電所中的饋線需要聯(lián)動(dòng)跳閘。

如跳閘是因框架保護(hù)動(dòng)作時(shí)相應(yīng)的保護(hù)裝置能進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，不僅能有效控制跳閘饋線斷路器，還能進(jìn)行聯(lián)跳的同時(shí)及時(shí)斷開(kāi)相鄰變電所的斷路器。該功能作為保護(hù)裝置中的保護(hù)動(dòng)作，此時(shí)需進(jìn)行外接線的加入。但需要注意的是，如饋線斷路器由于變電所出現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)，保護(hù)裝置能及時(shí)的顯示聯(lián)跳信息。

2.3 線路測(cè)試系統(tǒng)

線路測(cè)試是常用的測(cè)試系統(tǒng)，因而存在不同的饋線柜中，因此合閘動(dòng)作前需對(duì)線路段進(jìn)行測(cè)試，避免斷路器和近端短路故障進(jìn)行聯(lián)通。通常情況下，如實(shí)際操作過(guò)程中的電阻值比額定值低時(shí)無(wú)法進(jìn)行合閘。通常情況下，線路測(cè)試的次數(shù)和測(cè)試時(shí)間間隔都可依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的調(diào)整。

3 地鐵直流牽引供電系統(tǒng)饋線保護(hù)技術(shù)要點(diǎn)分析

3.1 大電流脫扣保護(hù)技術(shù)

在地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中危害最大、發(fā)生頻率最高的短路電流故障對(duì)供電控制系統(tǒng)影響也最大。所以，在實(shí)際的饋線保護(hù)過(guò)程中應(yīng)提高對(duì)短路故障的重視程度，大電流脫扣保護(hù)技術(shù)的有效應(yīng)用可充分解決短路故障，同時(shí)由于大電流脫扣保護(hù)直接存在直流饋線回路斷路器中，所以當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，能立即跳閘，對(duì)饋線進(jìn)行有效保護(hù)。其中對(duì)大電流脫扣保護(hù)裝置來(lái)說(shuō)，其基本公式為Idz＞kIdmin，在該公式中，k代表可靠性系數(shù)，Idz則代表最大脫扣保護(hù)電流，而Idmin則代表短路時(shí)產(chǎn)生的最小保護(hù)電流。從上述公式中可得出，當(dāng)直流斷路器檢測(cè)到的電流比定值電流大時(shí)會(huì)及時(shí)進(jìn)行脫扣和跳閘，因而有效的應(yīng)用大電流脫扣技術(shù)，能科學(xué)地解決控制系統(tǒng)中的近端短路故障問(wèn)題。

3.2 過(guò)流保護(hù)技術(shù)

之所以采用過(guò)流保護(hù)技術(shù)，原因在于能在短路故障發(fā)生后對(duì)傳輸線進(jìn)行有效保護(hù)，防止超高電流現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生運(yùn)行問(wèn)題。在過(guò)流保護(hù)技術(shù)中主要有延時(shí)和無(wú)延時(shí)兩種，從而對(duì)饋線實(shí)現(xiàn)有效地保護(hù)。與大電流脫扣保護(hù)技術(shù)相比，過(guò)流保護(hù)技術(shù)也是當(dāng)電流超過(guò)一定范圍后饋線開(kāi)關(guān)顯示斷開(kāi)狀態(tài)。其中，無(wú)延時(shí)保護(hù)在未設(shè)定延時(shí)動(dòng)作、電流超過(guò)一定范圍時(shí)，能迅速做出反饋，此時(shí)的保護(hù)定值略高于額定數(shù)值。

在實(shí)際的過(guò)流保護(hù)技術(shù)中需符合下列不等式要求：i＞Idtm，其中，Idtm代表可通過(guò)的最大電流值，i 則代表電路所能通過(guò)的電流值。在地鐵直流牽引供電保護(hù)系統(tǒng)中，電流值往往在某一個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)高于最大可通過(guò)數(shù)值，此時(shí)將啟動(dòng)相應(yīng)的繼電保護(hù)裝置，斷路器則迅速跳閘，解決短路故障問(wèn)題。此外，過(guò)流保護(hù)技術(shù)能與信息化饋線保護(hù)裝置相結(jié)合，通過(guò)利用保護(hù)模塊的控制芯片、電源監(jiān)控部件使得饋線保護(hù)實(shí)現(xiàn)積極的價(jià)值，同時(shí)該種保護(hù)技術(shù)的效率也更高。在進(jìn)行系統(tǒng)電流值的有效采集后，對(duì)流經(jīng)該系統(tǒng)的電流進(jìn)行合理判斷，確保其滿足一定的安全范圍，依據(jù)判定結(jié)果進(jìn)行饋線保護(hù)功能的啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的饋線全面保護(hù)。

3.3 電流增量保護(hù)技術(shù)

在地鐵直流牽引供電保護(hù)系統(tǒng)中，電流增量保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用原理在于有效提升電流的上升率，使得供電系統(tǒng)能在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中與電流上升率進(jìn)行有機(jī)融合，對(duì)饋線保護(hù)工作進(jìn)行合理、科學(xué)判定，電流增量保護(hù)技術(shù)主要應(yīng)用于短路故障中。電流增量保護(hù)技術(shù)需要依據(jù)di/dt＞Fdi/dt，△i=i-i1＞△Imax且t＞T 以及t＞T 且△i=i-i1＞△Imin三個(gè)公式判定保護(hù)動(dòng)作的開(kāi)啟。其中，I 代表電流，T代表時(shí)間，t 代表電流上升率的保護(hù)啟動(dòng)時(shí)間。當(dāng)電流不斷調(diào)整時(shí)，進(jìn)行饋線保護(hù)裝置的開(kāi)啟。

此外，電流增量保護(hù)技術(shù)和電流上升率的保護(hù)技術(shù)原理相似，當(dāng)電流上升率饋線保護(hù)裝置啟動(dòng)時(shí)，此時(shí)電流變化率高于定值，地鐵運(yùn)行時(shí)間也隨之延長(zhǎng)，電流上升率逐漸降低后恢復(fù)為正常狀態(tài)，返回饋線保護(hù)功能中。所以，電流增量保護(hù)技術(shù)也更加靈活、方便，但在應(yīng)用該技術(shù)的過(guò)程中需對(duì)故障時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效控制，防止安全事故的發(fā)生。

3.4 定時(shí)限過(guò)流保護(hù)技術(shù)

供電系統(tǒng)在實(shí)際的運(yùn)行中，饋線保護(hù)能有效地應(yīng)用于定時(shí)限過(guò)流保護(hù)技術(shù)，從而遠(yuǎn)程解決故障問(wèn)題，防止由于饋線保護(hù)相應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)而產(chǎn)生更嚴(yán)重的問(wèn)題。在定時(shí)限過(guò)流保護(hù)中，能有效地與饋線最大負(fù)荷設(shè)定電流有機(jī)結(jié)合，當(dāng)動(dòng)作持續(xù)發(fā)生延時(shí)地鐵可通過(guò)啟動(dòng)降低操作失誤的頻率。如，某市的地鐵電流的定值設(shè)為3kA，同時(shí)伴隨25s 的延時(shí)。在實(shí)際的供電系統(tǒng)中，當(dāng)故障電流持續(xù)時(shí)間高于定值時(shí)間25s 時(shí)，饋線將立即啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，如電流未到達(dá)25s 的延時(shí)時(shí)間，則認(rèn)定未發(fā)生故障、不引發(fā)跳閘?？傻贸觯憾〞r(shí)限過(guò)流保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用范圍較廣，能精確地利用延時(shí)對(duì)饋線進(jìn)行精準(zhǔn)化的保護(hù)，避免頻繁誤動(dòng)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.5 框架泄漏保護(hù)技術(shù)

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中的框架故障主要發(fā)生在開(kāi)關(guān)設(shè)備柜中，當(dāng)發(fā)生短路問(wèn)題時(shí)，電流在上升的過(guò)程中發(fā)生開(kāi)關(guān)的損壞。所以在進(jìn)行框架泄漏饋線保護(hù)過(guò)程中，需采取針對(duì)性地解決措施，采取有效的饋線保護(hù)技術(shù)，提升開(kāi)關(guān)設(shè)備柜的應(yīng)用效率。在此過(guò)程中應(yīng)不斷加強(qiáng)電力設(shè)備的監(jiān)測(cè)能力，從而做出科學(xué)判斷，避免電流發(fā)生變化，通過(guò)該監(jiān)測(cè)后發(fā)現(xiàn)電流超過(guò)額定電流范圍時(shí)能迅速啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的有效保護(hù)。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行中供電系統(tǒng)未發(fā)生短路問(wèn)題，但設(shè)備開(kāi)關(guān)柜卻發(fā)生異常帶電現(xiàn)象時(shí)，需及時(shí)將電流導(dǎo)入地下進(jìn)行地網(wǎng)的連接，確保饋線保護(hù)能得到迅速地啟動(dòng)，當(dāng)斷路器發(fā)生跳閘時(shí)，實(shí)現(xiàn)饋線的保護(hù)，有效避免后續(xù)的損失[3]。

3.6 低電壓保護(hù)技術(shù)

電壓故障也是地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中常見(jiàn)的故障問(wèn)題，需重視饋線保護(hù)的低電壓保護(hù)技術(shù)的有效應(yīng)用。在應(yīng)用該保護(hù)技術(shù)時(shí)，饋線保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)的條件為最低電壓產(chǎn)生的時(shí)間高于系統(tǒng)的中斷時(shí)間后發(fā)生故障，如故障發(fā)生時(shí)間低于電壓的工作周期，此時(shí)將進(jìn)入低電壓的保護(hù)狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到故障已發(fā)生時(shí)，通過(guò)低電壓保護(hù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)對(duì)饋線的保護(hù)。當(dāng)U ＜Umin時(shí)，U 代表系統(tǒng)的輸出電壓，Umin則代表最小的電壓。

在進(jìn)行饋線保護(hù)時(shí)會(huì)表現(xiàn)出持續(xù)延時(shí)現(xiàn)象，電壓會(huì)長(zhǎng)期處于最小電壓內(nèi)，發(fā)出啟動(dòng)饋線保護(hù)動(dòng)作的相應(yīng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的信號(hào)傳輸順暢。因此，地鐵如要實(shí)現(xiàn)階段性的穩(wěn)定、可靠，需依據(jù)供電系統(tǒng)進(jìn)行合理饋線保護(hù)技術(shù)的選擇，依據(jù)故障的不同進(jìn)行科學(xué)處理，進(jìn)而不斷完善地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的整體性能。

總之，地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)需重視饋線保護(hù)技術(shù)的有效應(yīng)用，從而有效提升地鐵的運(yùn)營(yíng)效率，保持供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此需積極采取相應(yīng)的保護(hù)技術(shù)措施，通過(guò)大電流脫扣保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、電流增量保護(hù)、定時(shí)限過(guò)流保護(hù)等保護(hù)手段，使得地鐵直流牽引供電系統(tǒng)能在饋線保護(hù)技術(shù)的幫助下實(shí)現(xiàn)良好的運(yùn)行，保持地鐵運(yùn)行的安全、穩(wěn)定。