地铁直流牵引变电所的保护原理

1、浅析地铁直流牵引变电所的保护原理2009年04月04日 星期六03:550引言在我国，地铁是城市公共交通的重点发展方向，设备国产化又是发展的主要原则。 在地铁直流供电继电保护领域内，国产保护设备还处于起步阶段，目前，国内主 要城市的地铁直流保护设备均来自国外，例如广州地铁二号线选用的是德国Siemens公司的DPU96武汉轻轨选用的是瑞士 sechron公司的SEPCQS通过对 部分国外产品的研究，笔者认为，直流保护设备的原理并不是十分复杂， 功能实 现在理论上也没有任何障碍，希望通过本文的抛砖引玉，在将来的不久，能够看 到国产的直流保护设备在我国甚至国际市场成为主流。1 一次系统简介图1显示

2、了一个典型的牵引变电所的电气主接线图，该所将主变电所来的交流高电压（典型值：33kV）经整流机组（包括变压器及整流器）降压、整流为直流 1500V,再经直流开关柜向接触网供电。我国上海和广州地铁的直流牵引供电系 统均是如此，北京地铁采用的是第三轨受流器（上海和广州地铁则是架空接触 网），其馈电电压为750V。由于750V馈电电压供电距离短、杂散电流大，现在 多采用1500乂图2显示的是采用双边供电的上行接触网的分区段示意图（下行 亦相同），一个供电区由相邻的2个牵引变电所同时供电，这种双边供电的方式 提高了供电的可靠性，同时分区段的方式使故障被隔离在某个区段以内，而不致影响其它供电区段，因而被

3、广泛采用。本文中所讨论的保护原理均基于1500V架空接触网双边供电方式。图1典型牵引变电所电气主接线参考图uH1Hllsis 411旳fns riL”，1 s|*1 14rilat图2双边供电接触网分区段示意图图3短路电流与列车运行电流示意图2牵引变电所内直流保护的配置牵引变电所内的直流保护系统必须在系统发生故障时快速、准确地切除故障，同时又要避免列车正常运行时一些电气参数的变化引起保护装置误跳闸。后备保护的存在增加了故障切除的可靠性，同时也增加了与主保护配合的难度，所以保护 的配置也不宜过多。不同的牵引变电所其电气特性不同， 运行要求不同，所以保 护装置的整定值不同，甚至保护的配置亦不相同。

4、通常，牵引变电所内的直流保 护安装于开关柜中，其可能的配置如下：A.馈线柜(图1中对应211，212，213，214开关柜)：a. 大电流脱扣保护(over-current protection)；b. 电流上升率保护(di/dt protection )；c. 定时限过流保护(definite-time over-current protection)；d. 低电压保护(under-voltage protection )；e. 双边联跳保护(transfer in tertrip protecti on)；f .接触网热过负荷保护(cable thermal overload protec

5、tion )；g.自动重合闸(automatic re-closure )。B.进线柜(图1中对应201, 202开关柜)：b. 逆流保护(reverse current protection)。C负极柜:a. 框架保护(frame fault protection)。D. 轨道电压限制装置a. 轨道电压限制保护3 主要保护的原理牵引变电所内的直流系统的故障形式主要有:短路故障， 过负荷故障， 过压故障等等，最常见的也是危害最大的是短路故障。 从本质上讲，短路故障有两种类型， 一种是正极对负极短路， 另一种是正极对大地短路。 所内配置的多数保护都是为 了切除前一种故障，框架保护则是为了切除后一

6、种故障。对于前一种故障， 多数是由于架空接触网对钢轨短路所引起的， 短路点离牵引变 电所的距离决定了短路电流的大小。 远端短路故障电流的峰值与列车启动时的电 流峰值相近，甚至小于该电流， 所以，远端短路故障电流与列车启动电流的区分， 是牵引变电所直流保护的难点。 另外，列车受电弓过接触网分段时， 也会有一个 峰值较高的电流出现。图 3 是典型的近、远端故障电流与列车受电弓过接触网分段时的电流时间特性示 意图。以下介绍牵引变电所内的主要的直流保护的工作原理:3.1 大电流脱扣保护 主保护，与交流保护中的速断保护类似， 用以快速切除金属性近端短路故障。 这 种保护是直流断路器内设置的固有保护， 没

7、有延时性， 它通过断路器内设置的脱 扣器实现。当通过断路器的电流超过整定值时， 脱扣器马上动作， 使断路器跳闸。一般来说，该保护的整定值要通过计算和短路试验得出， 整定值要比最大负荷下 列车正常启动的电流大，也要比最大短路电流小。3.2 电流上升率保护广泛使用的中远端短路主保护， 它在多数情况下能正确区分列车正常运行电流和 中远端短路电流，主要用于切除大电流脱扣保护不能切除的故障电流较小的中、 远端短路故障，其工作原理如下:电流上升率保护触发的条件是唯一的，即当电流的变化率di/dtA , A是电流上升率的定值。 满足触发条件 di/dtA 时，电流上升率保护启动 （该时刻记为 t ） 该保护

8、启动后，产生跳闸的条件只要在以下两个条件中满足任意一个即可： 1 经过时间Ti后，di/dt仍然大于B;2.经过时间 T2 后， IL ,A 1=1 t+T2 - It;如图 3，在 t 时刻，列车受电弓过接触网分段后重新与接触网连接，此时电流的 绝对数值 I t 较小，而 di/dt 由于充电效应则较大，短路电流和列车运行电流均 可满足启动条件， 但经过适当的延时后， 对于列车运行电流来讲， 由于充电效应 维持的时间很短， 电流已经经过了一个从很小到数倍于正常电流， 再到正常电流 的过程，此时，di/dt通常是负值，AI也很小，所以出发跳闸的条件一个也不 满足，电流上升率保护返回；对于短路电

9、流来讲，此时，短路仍然存在，只要距 离不是非常远，通常一定满足条件 1 和 2，致使保护跳闸。单列列车t时刻启动时，可能di/dtA,保护启动，但经过时间Ti后，di/dtvB， A IL, 保护自动返回。值得注意的是，定值Ti、T2、A、B、L的选取非常重要，它决定了保护动作的正 确性和快速性。3.3 定时限过流保护 电流上升率保护的后备保护，通常该保护的电流整定值 Idmt 较小，一般按馈线 最大负荷考虑，以达到切除远端短路故障的目的，其动作延时 Tdmt也较长，以 避开列车启动的时间，广州地铁二号线牵引供电系统中该保护设计的 Idmt 为 3000A,延时 Tdmt 为 30 秒。当电流

10、第一次超过定值时，保护启动，在延时 Tdmt的时间段内电流一直超过定 值，可认为是短路电流，触发跳闸，如果中间任一时刻电流没有超过定值，保护 自动返回，等待下次启动。3.4 低电压保护其作用和定时限过流保护一样， 作为电流上升率保护的后备保护， 一般与其它保 护形式互相配合，不作为单独的保护使断路器调跳闸。它的整定值5n及延时Tdmt 必须列车正常运行时的运行情况互相配合， 应考虑最大负载下列车的启动电流和 启动持续时间，还要考虑在一个供电区内多部列车连续启动的情况。当发生短路故障时，直流输出电压迅速下降很多，当输出电压Unin，保护启动，在一定的延时时内输出电压一直保持的第 8.2.21 条

11、“在事故状态下接触网短路电流的保护，应保证单边供电 接触网区段一条馈线的开断和双边供电接触网区段两条馈线的开断”。 双边联跳 保护的原理如下：图2显示了一条接触网的两段，左边一段由牵引变电所 A和B（简称A站和B站, 下同）供电，右边一段则由B站和C站供电，当短路点发生在靠近A站的c位置 时，A站的大电流脱扣保护首先动作，而 B站则由于短路电流小等因素，大电流 脱扣和di/dt等保护均无法动作，位于A站的双边联跳保护则发出联跳命令， 将 B站的213开关跳开。当B站退出运行时，则B站越区隔离开关2133合上，双 边联跳保护根据B站2133的位置判断另一端是由C站213开关供电，跳闸的对 象则为

12、C站213开关。3.6 框架保护框架保护适用于直流设备的正极对机柜外壳 （与大地相连） 或接触网对架空地线 短路时的情况。如图 4所示，在正常无短路状态下，钢轨（负极）与地的绝缘良好，几乎没有漏电流通过A点，当故障f1发生时，即直流设备的正极对机柜外壳短路时，故障 电流If1由正极通过A点，经泄漏电阻R回流至负极，框架保护检测位于 A点的 机柜外壳对地的漏电流In，超过整定值则迅速动作。通常，在地和负极之间还 安装一个排流柜，当排流柜投入运行时，其等效电阻值远小于Rl， I f1 大大增加，这样，即使钢轨（负极）与地的绝缘非常良好，泄漏电阻Rl 非常大，由于排流柜提供了漏电流In的通道，大大提

13、高了框架保护动作的灵敏性。当故障f2发生时，即接触网与架空地线发生短路时，由于A点离故障点较远，故漏电流较小，检测A点漏电流不能检出故障，此时框架保护检测外壳和负极之 间的电位差。在正常无短路状态下，外壳和负极之间的电位差很小，故障 f2 发 生时电位差迅速变得很大， 框架保护可以迅速动作。 而对于正极对机柜外壳短路 的情况，若未投入排流柜，钢轨（负极）与地的绝缘亦很好，漏电流可能不足以 启动框架保护，但电压检测元件则可使之迅速动作。通常，电流检测元件作为框架保护的主保护，电压检测元件作为后备保护。框架保护动作的结果是： 迅速跳开本站内所有的直流开关、 交流侧进线开关及邻所向本区段供电的直流开

14、关，并需由人工复归后方可重新合上开关；3.7轨道电压限制保护轨电位限制装置控制一控制原则规电轨电位限制装置的控制分两种， 一种是通过检测轨道电压实现，另一种是通 过人工施加试验电压实现，如下图：正常运行，轨电位限制装置检测轨道和大地之间的电压，该电压经过V11模块整流后施加给R10;而人工施加的试验电压，是通过 S24旋纽把交流220V电压经 过V12整流模块整流后施加给 R1Q F21、F22继电器分别检测R10上的电压，当 该电压上升到92V时，经过一定的延时（0.5秒），F21继电器动作，发出合闸 命令；当电压上升到150V时，F22继电器动作，发出合闸命令。由 F21继电器 动作使断路

15、器合闸的方式我们称为“一段动作（U?”，由F22继电器动作使 断路器合闸的方式我们称为“二段动作” （U? o二、控制过程1.合闸Hi W A Hflfr KhCf合闸的原则是想尽办法让合闸继电器 K02受电，使由它驱动得断路器合闸线圈得 电，从而使断路器合闸。正常运行时，断路器处在“分闸”位置， K01继电器的常闭接点（1、2）闭合， 使K83继电器受电，它的常开接点（15、18）接通。因此当F21继电器延时动作 后，11、14这对接点接通，使合闸继电器 K02得电，断路器合闸。当继电器F22 动作后接通11、14接点，也能使断路器合闸。但是，它们之间有一定的区别：如果是因为F21动作从而使

16、断路器合闸，那么延 时10秒后断路器会自动分闸，在规定的时间内反复三次，断路器合闸不再分开； 如果是因为F22继电器动作从而使断路器合闸，此时F22会闭锁分闸回路，使 断路器不会延时分开。2.分闸 断路器分闸的原则是使分闸继电器 K01受电，使由它驱动的断路器分闸线圈得 电，从而使断路器分闸。当断路器合闸后，断路器的辅助接点（S1的23、24）闭合，使继电器K81受电， 经过10秒的延时后，继电器动作，该继电器的 15、18接点闭合，而继电器K84 的常闭接点接通，因此分闸继电器 K01受电，使断路器分闸。3.8接触网热过负荷保护接触网热过负荷保护，其保护的目的是消除热过负荷故障，而非短路故障

17、，其工 作原理主要是根据接触网的电阻，接触网上流过的电流，计算出接触网的发热量， 从而再根据接触网的热负荷特性及环境条件推算出接触网的电缆温度。当测量的电缆温度超过T alarm给出报警，超过T trip则跳开给该接触网供电的直流开关。开 关跳开后，电缆逐渐冷却，当温度进一步下降，低于Treasure，则重新合上直流开关。图5给出了接触网热过负荷保护动作的时序图图4正极对地短路故障示意图图5接触网热过负荷保护动作时序图4存在的问题4.1 关于多辆列车短时间内相继启动 在接触网的同一供电区段内，若在短时间内出现两辆 /多辆列车相继启动，第一 辆列车启动引起电流上升率保护或定时限过流保护启动，而另

18、一辆列车的启动恰 巧引起电流上升率保护或定时限过流保护跳闸，这种可能性在理论上是存在的。 至于解决的方案，英国ENOTRA公司的观点认为，人工智能或神经元网络可能是 最佳的解决办法，具体的实施方法尚不得而知。4.2 关于小电流短路故障 小电流短路故障主要是由于故障点距离牵引所很远， 或者，短路点的电弧大引起 电阻也增大。两者皆可导致以上介绍的各种保护均无法正确动作。 当短路点靠近 其中一端的牵引所时，近端短路电流往往较易检测，近端牵引所跳开本所开关并 联跳邻所开关；但若短路点位于相邻两个牵引所中间的接触网上， 可能发生两个 牵引所的保护均无法检测小电流短路故障的问题。 对于两个牵引所距离太远的

19、情 况，可以从设计上避免；而对于大电弧的情况，笔者认为需要对电弧的特性进行 大量的研究，从而给带电弧的电流建立精确的数学模型， 使其能够正确地被保护 装置所识别。4.3 关于框架保护的选择性 框架保护面临的是小电流接地故障， 它易于感知，却无法象大电流短路故障那样 易定位。如图1所示，当接地点位于整流器出口的 A位置时，只需要跳开交流进 线开关105和直流进线开关201即可；当接地点位于B位置时，只需要跳开所有 直流开关；当接地点位于C位置时，只需要跳开直流馈线开关214并联跳右邻站 的直流馈线开关 213(如图 2)。但由于框架保护的电压和电流检测原理都无法 给故障定位在A点、B点还是C点，所以