直流牵引供电系统馈线保护

1、直流牵引供电系统馈线保护（深圳地铁有集团运营总部维修中心 ）摘要：地铁牵引供电系统各种各样的故障均有可能发生， 特别是短路引发的一系列故障危害性较大。因此，设置各类 直流开关柜的保护配置，对直流牵引供电系统进行保护。本 文主要对直流牵引供电系统馈线保护等进行探索。关键词： 地铁；直流；保护引言 城市轨道交通的直流牵引供电系统电气保护配置是否 完善、保护定值是否合理，直接关系到地铁的运营安全。直 流牵引供电系统包括牵引整流机组、直流母线、牵引网和电 动客车等 4 部分电力设备 ，每一部分构成一个保护单元 形成一个包含主保护、 后备保护、 辅助保护的体系 .其中牵引 网部分由变电所馈出线、接触网、

2、行走轨和回流线构成，由 于接触网是向列车供电的唯一线路，长时间处于高速摩擦、 振动等恶劣工作环境中，所以牵引网部分发生故障的可能性 很高，这一部分的保护系统是否完善、可靠，在很大程度上 决定着整个供电系统的安全性和可靠性。牵引网保护通常称 作馈线保护，本文作者将对牵引供电系统的馈线保护进行较 深入的分析研究。一、地铁直流牵引网短路电流特点（ 1）地铁直流牵引网短路电流特点a.地铁列车起动时的电流变化率时间以及中远端短路电 流变化率的时间较长；b.和负荷电流变化率比较，短路电流 的变化率要高很多，而远端短路电流变化率同地铁起动的最 高电流变化率相一致；c.若车流密度及直流馈线距离达到一 定值时，

3、最高负荷电流可能会高于或等于末端短路电流。（2）地铁直流保护系统设计要点 直流保护系统设计有以下要点： a .应分析部分特殊故障 形势下的保护，如屏蔽门与接触网的短路故障、隧道电缆支 架与接触网的短路、架空接地线与接触网的短路等。b.在地铁的日常运行中，直流保护系统应避免误跳闸问题以降低对 地铁运行的影响，其可能会产生的影响有地铁列车在经过接 触网分段时的冲击电流影响和地铁起动电流、电压影响等。C.应加强各类保护之间的配合，以确保当直流系统出现短路 故障时故障能够有效切除。二、牵引供电系统保护配置及其原理（一）大电流脱扣保护 当电流超过整定门限，并达到规定的延时时立即跳闸。直流短路的特点是电流

4、快速上升， 保护在短路电流到达峰 值前触发断路器跳闸。对于电流上升非常快的近端短路，大 电流脱扣保护往往先于电流速断保护动作。动作电流 Idz 的整定：Idz=kIdmin式中：k可靠 系数，一般取1.5左右；Idmin 最小的 短路电流值。大电流脱扣保护的整定依据主要是短路电流值和最大 馈线电流值。以牵引整流机组容量为 3000kW 的直流 1500V 牵引供电系统为例，其远端短路电流一般不低于 20kA,最大馈线电流一般不超过3kA,而大电流脱扣保护整定范围一般为412kA,整定值通常在 6kA以上。按每列 车前后两端各设一个受电弓，列车的最大启动电流 3kA 考 虑，当列车前端受电弓通过

5、图 1 中节点 A 时，馈电电流 I2 的电流增量为 750A 左右，即使与最大馈线电流相加，也不 会超过3kA，因此不会影响大电流脱扣保护动作的可靠性。（二） di/dt ? 流上升率及电流增量保护（ DDL） 直流系统短路具有短路电流上升速度快， 短路电流大 的特点，因此， di/dt 电流上升率及电流增量保护是直流系 统重要的保护。（1）DDL 保护为接触网中、远端保护，在牵引变电所 近端短路时，该保护无法动作，即不能作为大电流脱扣的后 备保护。（2） DDL保护分为 DDL+A I与 DDL+A T保护，该保护 通过分析馈线电流增量A I及时间t的关系来判断故障。保护不间断监测直流馈线

6、电流 If 及电流变化率 di/dt 。当电流变化率 di/dt 高于设定值 E 时，该保护启动；如电流变 化率di/dt低于F且未有跳闸出口，则 DDL保护停止。如果测量到的电流增量 I高于参数设定 Imax的时间大于或等于参数 t Imax,贝U DDL+A I保护动作，同时 跳闸信号启动。若保护出口动作前检测到电流变化率 di/dt 低于F,则整个保护复归，相关参数清零。如果A t的测量值高于参数 Tmax,同时A I的测量值 高于参数 A Imin，贝U DDL+A T保护动作，同时跳闸信号启 动。 若保护出口动作前检测到电流变化率 di/dt 低于 F， 则整个保护复归，相关参数清零

7、。（三）电流保护（ Imax+、Imax+）由于DDL保护动作范围在 E值与F值之间，且无法作 为大电流脱扣保护的后备。如果短路故障发生在E与机车di/dt 之间时， DDL 保护便起不到保护作用。 此时只能启动电 流保护，即电流保护用作上述两种保护的后备保护，主要通 过分析馈线电流识别故障。SEPCOS-NGfe流保护分为定时限过流保护（Imax+）和电流速断保护（lmax+）。电流速断保护（Imax+）作为直流短 路近端保护的主保护， 按牵引变电所近端短路时流过馈线 断路器的最小短路电流进行整定。保护装置不间断监测当前电流最大值。如果该电流大于 整定值并超过整定时间，保护启动与相应输出激活

8、。如电流 小于整定值则保护返回。（四）低电压保护 用于机车的正常工作电压保护。按机车运行所允许的最 低工作电压考虑， 时间应大于交流侧可能出现的故障投切 造成的停电间隔，还应考虑作为其它馈线保护的后备保护。保护装置不断检测馈线电压，如馈线电压低于 UlMin 且延时时间大于等于 TULMin，则保护出口。（五）热过负荷保护 该保护主要用于接触网的热过负荷保护。当系统电流di/dt 值小于机车 di/dt 值时，由于保护已无法区分与正常负 荷电流相当的短路电流， 或长期持续超过接触网的耐受电 流值时，用热过负荷作为接触网的保护。热过负荷保护以流过馈出线电缆和接触网的电流计算接触网的发热 量，再根

9、据接触网的热负荷特性、环境条件等，得出接触网 的馈线温度进行整定。（六）框架泄漏保护框架泄漏保护是针对直流设备特性而特别设置的，其原理是当直流设备的正极对柜体外壳发生绝缘损坏时，快速切除故障，保证系统安全运行。 框架泄漏保护分为电流 保护和电压保护。直流设备正常运行时，电流检测回路是没有电流通过的。当直流设备的正极对柜体外壳发生绝缘损坏时， 电流通过 电流元件流入地网。当电流达到整定值时，框架泄漏保护的 电流元件动作， 整流机组 35kV 断路器及所有直流断路器 跳闸，且联跳相邻变电所内向相同供电区段供电的直流断路 器。联跳所的直流馈出断路器在跳闸后经 4S 延时，即可通 过PSCADA远方复

10、归故障信号或在变电所内由人工复归故障 信号后投入该断路器。 故障变电所不能通过 PSCADA 远方复 归故障信号，必须在现场故障排除以后，由人工复归故障信 号，各断路器才能重新投入。框架泄漏保护的电压元件根据人体耐受电压-时间特性曲线进行整定，其由两段组成：i段报警，n段跳闸。为减少杂散电流，供电系统中配置有排流柜。排流柜未 投入使用时，电压元件作为电流元件的后备保护。由于钢轨 对地的泄漏电阻大小不可控， 若钢轨对地绝缘良好，接地 电流较小，电流元件有可能不 ?幼鳎 ?此时电压元件可以检测 到故障发生时大地对钢轨的电压差，从而引发保护动作。但 是在排流柜投入使用时，应将电压元件撤除。（七）双边

11、联跳保护 为了更加安全地向接触网供电， 地铁供电系统还设置 了双边联跳保护， 确保在故障情况下， 相邻变电所可靠跳闸。 正常情况下， 两相邻牵引变电所同时向同一段接触网供电。 故障发生时，保护单元检测到保护动作信号，则会通过硬结点向相邻变电所对应直流开关发送跳闸信号，从而引发该直流开关跳闸。（八）自动重合闸？当直流系统出现短路故障时，保护装置动作，待短路故 障排除后需将断路器进行合闸才能使系统恢复运行。通常直 流牵引网的短路故障都具有瞬时性特点，当故障排除以后供 电系统应能在短时间内快速恢复供电。自动重合闸正好能够 满足此项要求。其动作原理为：自动重合闸的基本功能是在 排除直流牵引网的瞬时性故

12、障后使断路器重新合闸，保证系 统恢复供电的可靠性与高效性。自动重合闸应保证自身不存 在任何故障，以避免断路器因分合闸次数过多而大致寿命缩 短，或造成断路器主触头损坏，所以在重合闸前应先测试故 障线路，保障故障排除后再进行合闸。如果重合闸次数高于 整定值，则将故障诊断为系统永久性故障，将重合闸回路关 闭。在自动重合闸中，若线路故障诊断为永久性故障则重合 闸不发生动作；若变电所是被联跳分闸，则应先将变电所合 闸再开启重合闸；若是手动分闸，则自动重合闸不发生动作。三、结束语目前，地铁供电系统配置的各种直流保护，基本上能够 快速、准确切除大多数短路故障，但小电流短路故障与正常 运行电流仍不易区分，可能导致以上各种保护均无法正确动 作。这就需要对该种情况进行大量的分析研究， 从而使其 能够准确地被保护装置所识别。参考文