摘要：近年来，我国的交通行业发展迅速，地铁工程建设越来越多。本文介绍地铁直流牵引供电系统的重要性和事故影响的严重性，根据地铁直流牵引供电系统的原理、特点，目前继电保护装置特点及保护原理的优缺点，结合地铁直流牵引供电系统的供电网络特点，提出一种地铁直流供电系统直流开关网络化保护系统方案，并对该网络化保护系统的网络结构和工作原理进行阐述。该系统能实现对直流开关全面、快速的保护及联跳，并具备数据上传和分析功能。
关键词：地铁供电系统；直流开关；网络化保护
在轨道交通领域中应用于车辆供电的系统多采用直流供电的方式，即采用接触网供电。例如广州地铁一号线直流供电系统，其基本原理是接触网采用1500V直流双边供电。在牵引所中通过整流机组把33KV等级的电压通过降压整流，转变成为1500V的直流电通过直流开关输送到接触网上，给机车提供动力电源。接触网本身不具备电气保护功能，上网电缆、接触网等设备出现故障，需要通过直流开关柜来判断故障，进行电气保护。所以对于直流供电系统来说直流开关柜的地位相当重要，研究直流开关的结构特点及保护功能的实现对地铁运营来说有着重要的意义。
1地铁直流供电系统概述
地铁直流供电系统如图1所示，它并不是单纯孤立的系统，从系统结构上看，包括2路进线和4路以上馈线。进线电源由交流33ｋＶ电压经变压器降压后，再经整流机组整流而来；4路以上馈线则供给地铁线路接触网用于列车运行。在这整个过程中，有较多电能转换和供配电环节需要进行动作和保护。从系统运行来看，地铁直流供电系统需要给地铁线上密集的列车运行提供动力能源，负荷电流通常达到几百上千安，因此地铁直流供电系统要经过可靠性和长久大负荷的考验。为此，在地铁直流供电系统中，如何实现更全面、快速的保护是研究直流供电系统的重要课题。
2直流开关柜保护的原理及整定范围
2.1大电流脱扣保护
大电流脱扣保护通过脱扣器实现，其动作过程在文章开头有过介绍，该保护属于开关自带，用于切断大的短路电流。大的短路电流对线路会造成巨大的损坏，故大的短路电流一出现应立即切断，其切断时刻应在其达到电流峰值之前。广州地铁2号线进线开关的整定值为12000A，馈线开关的整定值为9000A。
2.2电流上升率保护（di/dt）和电流增量保护（ΔI）
保护动作特性分为2部分，瞬时跳闸和延时跳闸，其中谁较早激活就由谁决定跳开高速直流断路器。延时跳闸元件主要起识别远端短路电流并跳闸的作用。西门子DPU96关于该保护的整定方法，开关合闸后，测量装置不断检测开关主电路中电流的变化率di/dt，当电流变化率di/dt≥24A/ms时发出报警，当di/dt≥40A/ms时触发DPU96产生中断。在30ms内如果电流变化率高于40A/ms则30ms后DPU96保护分闸；如果30ms内电流变化率低于40A/ms，则di/dt复零，中断退出。直流开关设置的ΔI保护与di/dt保护互相配合，当di/dt被触发后持续1ms，ΔI达到整定值4000A（馈线开关），经过延时（1ms），ΔI动作，DPU96保护分闸。
2.3直流开关网络化保护装置
直流开关网络化保护装置通过本身的光口模块进行通信，采用IEC61850规约的GOOSE报文格式传输信号，完成直流开关保护装置间的联跳、闭锁信息交互，从而取代传统硬接线方式。电流采集信号依次经直流电流输入模块、信号调理模块和Ａ／Ｄ转换电路后输入MCU芯片STM32F4的第一ADC采集端口；电压采集信号依次经直流电压输入模块、信号调理模块和Ａ／Ｄ转换电路后输入芯片STM32F4的第二ADC采集端口；MCU芯片STM32F4还通过以太网模块和光电转换模块与光纤网络相互连接，通过开关量输入接口输入开关状态，通过开关量输出接口输出报警控制信号，MCU芯片STM32F4还外接有电源电路、看门狗电路、键盘指示灯、液晶显示模块和存储器。
2.4自动重合闸
断路器每隔一段时间（时间长短可调节）重合闸一次。如果重合闸的次数超过预定的次数，合闸仍不成功，则认为是永久性故障，闭锁重合闸回路。DPU96在实现这一功能时需要检测判断发生大电流脱扣分闸、Imax保护、过电流保护、di/dt+ΔI保护时，DPU96通过硬线触点向邻所馈线1500V直流开关发联跳信号（设计整定脉冲宽度少于500ms）,联跳邻所馈线1500V直流开关；邻所馈线开关DPU96检测到联跳信号后进行判断，满足条件则跳闸进入自动重合闸程序。
3基于IEC61850网络保护系统设计
3.1系统结构
采用交换机与光纤跳线搭建间隔层与过程层网络，可减少柜间的二次保护电缆接线，通信传输速率可达到100M及以上，保护装置的通信部分通过ＵＣＡIEC61850一致性测试认证，GOOSE网络采用IEC61850推荐的冗余、零自愈时间的高可靠通信网络。地铁直流供电系统的直流电房内设有直流开关柜，直流开关柜内设置的直流断路器负责自有线路的短路及过载故障的跳闸，设置的正极母线用于直流进线和直接馈线的汇流连接。直流开关网络化保护装置安装于直流开关柜内，柜内每台断路器配置一台直流开关网络化保护装置进行保护，柜间的所有直流牵引保护测控装置的间隔层网络接口通过光纤交换机以光纤为通信介质进行星形网络连接，组建成间隔层的GOOSE网络。间隔层网络传输的是IEC61850通信协议的GOOSE报文，直流开关网络化保护装置通过GOOSE网络传输直流牵引保护测控装置的状态、动作命令及联跳信息。
3.2测试效果
在试验室搭建网络化保护试验平台进行模拟验证。（1）在直流牵引保护测控装置内部设置GOOSE开入变量状态，记录关联的各测控装置保护GOOSE变量的变化情况。（2）模拟直流供电系统联跳故障，通过模拟网络保护（逆流保护、框架保护）验证互操作的可靠性。逆流保护：发生逆流故障时，直流进线保护装置动作切除故障并闭锁开关，动作信号则通过光纤GOOSE网络传递至同组的中压馈线柜保护装置联跳中压馈线开关，中压馈线50ms内完成跳闸。框架保护：发生框架电流／电压动作时，负极柜保护装置检测到框架保护元件的动作信号后，通过光纤GOOSE通信将该信号传递至本站的保护装置联跳对应开关并闭锁，中压馈线50ms内完成跳闸，直流进线、馈线5ms完成跳闸。由于不存在外围继电器联动及硬接线传输，因此网络化保护的动作时间明显缩短。由测试效果可看出，当地铁直流供电系统出现故障时，联跳和状态信号将通过间隔层的光纤网络进行快速传递，实现直流开关及中压馈线的联跳，防止故障范围扩大及备用线路投入，从而实现对直流供电系统可靠有效的保护。
结语
综上所述，在目前国内的直流供电系统中普遍采用以上介绍的直流供电模式，直流供电的保护方法也基本一致，前面结合理论及实际实现方法对地铁直流开关柜进行了系统的分析，故掌握好直流开关柜的控制保护原理，对地铁运营故障检修有极其重要的意义。只有深入分析好直流开关柜的各项保护功能，有针对性的采取检修措施和相关对策，积累运营经验，才能确保运营供电系统正常稳定运行。
参考文献
[1]于松伟．城市轨道交通供电系统设计原理与应用［M］．成都：西南交通大学出版社，2008．
[2]何宗华．城市轨道交通工程设计指南［M］．北京：中国建筑工业出版社，1996．
[3]于喜林.DDL保护在直流牵引供电系统的应用[J],电气化铁道，2004（3）.
论文作者:崔佳
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/12
标签：供电系统论文; 电流论文; 地铁论文; 保护装置论文; 馈线论文; 信号论文; 开关柜论文; 《电力设备》2018年第27期论文;