摘要：随着地铁的快速发展，直流牵引供电系统得到了广泛的应用，可靠稳定的直流系统保护尤为重要，其主要功能是在直流供电系统发生短路和过负荷故障时能可靠迅速地切除故障，保证地铁列车、供电设备和人身安全，同时还要保证地铁列车在正常运行下保护不发生误动作。论文分析了地铁直流牵引系统的接线方式、系统故障特性及直流馈线保护工作原理。在以上分析基础上，得出了现有保护方式存在着部分缺陷，论文提出了将行波保护应用于地铁直流系统保护，本文简单介绍了行波保护的基本原理，将行波保护和现行保护进行比较，分析了行波保护应用于地铁直流馈线的一些特点。通过分析得出行波保护可以摆脱现行保护的缺点，还具有很多独特优点。理论上来说，将行波保护引入地铁直流牵引系统保护，适应当前地铁牵引供电运营的迫切需求。
关键词：直流牵引供电系统； 地铁直流馈线保护； 保护整定； 行波保护。
一、地铁直流牵引供电系统
1. 地铁直流牵引系统简介
地铁牵引目前普遍采用直流供电方式，相对于交流供电而言，直流供电具有调速方便、易于控制车辆启、制动平稳、电压质量高、投资省等优点。
地铁直流牵引供电系统一般采用如图1所示的主接线形式。直流系统为双母线接线方式，设有工作母线、备用母线和旁路开关。在同一行车方向不同供电分区分段处上行和下行设置了纵向电动隔离开关，当某牵引变电所整体退出运行时，可以通过它实现大双边供电。正常运行时，一个供电区由相邻的两个牵引变电所同时供电。
图1 地铁直流牵引系统的典型主接线
2. 直流牵引供电系统的故障分析
直流牵引供电系统的特点列车取流不是总保持在一个水平上，因受到列车起动、加速等操作环节的影响，电流变化频繁而复杂。图2为地铁直流系统短路电流、列车起动电流随时间变化的特性图。尤其列车起动时，电流短时上升很大，甚至超过中远端短路故障电流，这样就给保护的整定带来了困难。直流牵引系统保护的重点就在于区分列车起动电流和短路电流。
图2 地铁直流系统短路电流特性图
二、地铁直流馈线保护及问题
地铁直流牵引系统以“大电流脱扣保护+DDL保护”作为主保护，以过流保护作为后备保护，辅助增设双边联跳保护和自动重合闸等。
1. 大电流脱扣保护
大的短路电流对线路会造成巨大的损坏，达到电流峰值之前应立即切断。大电流脱扣保护作为线路近端短路的保护，具有灵敏性高，且动作迅速的优点。
2. 直流短路DDL保护
DDL保护是地铁直流馈线的主保护，这种保护的启动条件通常都是同一个预定的电流上升率。在启动后，两种保护进入各自的延时阶段，互不影响，哪个保护先达到动作条件就由它来动作。
3. 直流双边联跳保护
在系统采用双边供电方式时，如果线路末端发生短路故障，往往远侧的断路器不能可靠动作。同一馈电区两侧牵引变电所的馈线开关实现双边联跳。
大双边联跳的自动转换：当实现大双边供电时，利用纵向电动隔离开关的开合位置接点，实现大双边联跳条件自动转换至相邻牵引所。
4. 现行保护缺陷
（1）大电流脱扣保护定值确定困难。
大电流脱扣保护通过动作电流值来动作跳闸。作为线路近端短路的保护，大电流脱扣保护的动作电流值必须整定得小于近端短路电流峰值。如图4所示，列车起动电流曲线是不定的，起动电流峰值与列车司机操作习惯、同一区间同时起动列车数量关系密切，最大时甚至接近近端短路电流峰值，此时将使脱扣保护无法区分列车起动电流和近端短路电流，造成保护装置误动作。
图5
（2）DDL保护整定困难、无法实现故障定位。
DDL保护主要用来保护中远端短路。DDL保护可以区分列车起动电流和短路电流，只要保护整定值恰当便可保护线路全长，且动作可靠。曲线1、2为中端短路电流、远端短路电流随时间变化曲线。曲线3、4为列车起动电流随时间变化曲线。DDL保护的延时时间 的数值应该大于列车起动时间的最大值。如果延时时间过小，容易引起保护误动作，严重影响地铁正常运营；如果延时时间过大，当发生短路故障时，不能及时切除故障，甚至会扩大故障范围。
（3）双边联跳。
馈线保护设置了双边联跳装置以后，一般将馈线保护定值设置在左右供电臂短路电流交点以下，即可保证正常的双边供电不会形成死区（如图6（a））。因为区间任何一点发生短路，都可以使一端开关跳闸。而当系统采用大双边供电时，由于线路太长，在供电区的中点附近可能出现死区（如图6（b））。
图6
总之，随着地铁运力加大、负荷越来越大，使得现行保护动作值的整定变得越来越困难，造成了频繁的误动作跳闸，严重影响供电系统的可靠供电和地铁的正常运营。
三、行波保护
通过上一章节可以看出地铁直流系统现有保护容易引起误动作，已无法满足当前要求。行波保护是现在供电线路检测和保护的研究热点，并在电力系统已有应用。
1. 行波保护简介
当行波沿导线运动时，如果线路的参数或波阻抗在某一点处突然改变，那么在该点处将发生波的反射和折射。行波保护就是利用上述行波方程及其变化方程和行波的折、反射特点等行波理论来实现的超高速继电保护。它利用故障开始初期出现的行波电压、行波电流或两者组合中含有的暂态故障信息，在极短时间内检出故障。
2. 行波保护的特点
行波保护与现行的保护比，包括以下特点：
（1）大电流脱扣保护没有延时，但是它只能保护极短的线路，DDL保护要求有延时时间，且此延时时间很长，违背了继电保护速动性的要求。行波保护具有快速动作性能。同传统保护相比，行波保护检测线路的暂态行波，具有快速动作性能，理论上在几十毫秒就能判断并动作。
（2）传统保护，特别是主保护DDL保护，具有整定困难的缺点。而且受系统振荡影响大，通过自动重合闸区分永久故障和瞬时故障，使系统遭受故障的二次冲击。行波保护故障判据是线路故障所产生的暂态行波，摆脱了DDL保护整定值配合困难的缺点，对故障的判断准确，避免了不必要的误动作。行波保护还能实现准确的故障定位。
（3）传统保护受过渡电阻的影响。过渡电阻的存在，使得短路电流波形曲线变得更平缓。使继保装置检测值达不到大电流脱扣保护定值或DDL保护的电流增量起动值，造成保护拒动，保护失效。行波保护不受过渡电阻的影响。
（4）当系统采用大双边供电方式时，传统保护存在保护的死区，且对于区间中部的故障灵敏性低。行波保护可以保护整个线路，不存在保护死区，且灵敏性高。
四、结论
地铁直流系统现有的保护方式存在整定困难、大双边供电时有保护死区，且采用盲目式重合闸区分永久故障和瞬时故障等问题。行波保护摆脱了这些缺点。此外，行波保护还具有不受过渡电阻、系统振荡和长线分布电容等影响的独特优点。理论上来说，行波保护的上述优点正是地铁直流牵引系统输电线路所需要的。
参考文献
[1] 于喜林.DDL保护在直流牵引供电系统中的应用[J].电气化铁道，2004，03:27-30.
[2] 董新洲,葛耀中,贺家李，等.输电线路行波保护的现状与展望[J].电力系统自动化，2000，05：56-61.
[3] 何桦.基于小波变换的地铁直流侧远方短路电流分析[D].河海大学，2002.
论文作者:孟雅
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/5/23
标签：电流论文; 地铁论文; 故障论文; 系统论文; 列车论文; 供电系统论文; 线路论文; 《基层建设》2019年第5期论文;