南京地铁运营有限责任公司
摘要：轨道交通牵引供电系统普遍采用直流系统，为了保证列车正常运行和在故障情况下保障设备及人身安全，需要对直流供电系统配置详备的保护系统，本文主要分析了直流保护系统设计需考虑的因素及一般的整定计算的方法。
关键词：直流保护；计算方法；保护配置
1引言
随着我国国民经济的持续发展，城市交通日趋紧张，而地铁成为解决大中城市交通拥挤问题的最佳方案。为了降低工程造价，设备国产化又是发展的主要原则。目前，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，国内主要城市的地铁直流保护均采用进口一体化设备，主要有Siemens公司的DPU96和瑞士Sechron公司的SEPCOS。本文提出了直流牵引供电系统保护配置要求、原则以及整定计算方法，通过对直流保护系统原理的分析，希望能对轨道交通直流供电系统保护设备的国产化有所帮助。
2直流保护系统配置原则及应考虑的主要因素
对于不同的地铁牵引供电系统，直流牵引系统的保护配置可能不相同，但是保护的作用是相同的。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，最常见也是危害最大的属短路故障。短路故障与发生的短路点位置和短路性质密切相关，直流短路系统保护装置应能保证系统在发生短路故障时能够快速、有选择性切掉故障线路；在系统过负荷时能够发出报警；在故障消除后能够尽快的恢复供电。
另外在保证系统能够安全可靠供电的前提下，直流保护系统配置应力求简洁，避免保护配置过多，增加保护配合难度，同时也增加了工程投资费用。基于以上原则，直流保护系统同时应考虑以下因素：
（1）各种保护之间的相互配合关系，保证在直流系统发生短路故障时能可靠地切除故障；
（2）保证列车正常运行时不会误跳闸而影响列车运行，能够避免列车的启动电流的影响和列车过牵引网分段时冲击电流的影响；
（3）1500V直流馈线的保护配置应保证直流供电系统正常及越区供电情况下牵引网在近端、中部及远端发生短路故障时均能快速跳闸。
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3 直流牵引系统保护的设置
目前轨道交通牵引变电所内的直流保护安装于直流开关柜内，根据直流系统保护配置的原则及主要因素，主流的配置如下：
（1）进线柜
大电流脱扣保护
逆流保护
（2）馈线柜
大电流脱扣保护
di/dt+ΔI保护
电流速断保护
过电流保护
热过负荷保护
双边联跳保护
低电压保护
（3）负极柜
框架保护
（4）钢轨电位限制装置
钢轨电位限制保护
4 直流牵引系统保护整定所需的基础参数及保护原理
为了完成直流牵引系统的保护整定，需要通过直流供电计算及短路计算确定以下主要参数，供保护整定时使用：
牵引变电所正常和越区供电时各直流馈线电流；
牵引变电所正常和越区工况下的直流短路电流；
正常供电和越区工况下的区间牵引网直流短路电流，同时应对不同阻抗形式下分别进行计算，保证保护整定能适用于各种运行方式；
能反映短路电流上升率的di/dt值；
根据以上计算所得的各类直流短路电流和电流的变化率参数，结合保护设备自身的特点可以完成各类直流保护的设置。
（1）大电流脱扣保护
直流快速断路器本体的大电流脱扣保护，作为牵引网近端短路的主保护，采用磁脱扣原理，短路点距变电所越近，电流上升率 越大，断路器的脱扣跳闸时间越短，当牵引网发生近端短路时，短路电流数值很大，而且电流上升率di/dt也很大，当直流短路电流上升率达到5kA/ms时，直流快速断路器的固有脱扣时间只有3～4ms，燃弧熄灭时间为25ms左右。断路器能在短路电流达到稳态值之前提前快速切断。
大电流脱扣保护,作为牵引变电所近端保护,其定值按直流馈线峰值电流设定,该值应躲过机车启动电流的最大值,还应考虑一个安全系数；同时进线大电流脱扣的整定与馈线大电流脱扣整定值应进行配合。
（2）电流上升率di/dt和电流增量△I保护电流上升率di/dt和电流增量△I保护,为接触网中、远端保护,该保护应确定E值(起动值),F值(返回值),△T值(电流上升率di/dt保护的延迟时间),电流增量△I定值以及电流增量△I保护的延迟时间t△I。
电流上升率di/dt的设定,一般应大于机车电流的变化率和小于最小短路电流的变化率。由于机车电流的最大变化率远远小于最小短路电流的变化率,因此设定值选取范围较大,为了避免机车启动时引起该保护的误动作,E值的选取为t等于零时di/dt的值,而F值选为机车启动电流的变化率。
△I保护应该在大电流脱扣跳闸装置后动作,一般情况,为了避免误动作,△I的设定,应尽可能高,但由于设置太高,不能保护远端,所以△I保护的设定还要根据系统实际情况来选用合适的值。△T(电流上升率di/dt保护的延迟时间)的设定和电流增量△I保护的延迟时间t△I的设定,由于机车内有滤波器,带有电感和电容,当机车受电弓过接触网分段绝缘器时,滤波器有一个充电过程,这时有可能启动di/dt和△I保护。所以di/dt和△I保护动作延迟时间应大于由于机车内有滤波器而引起谐振的误动时间。由于在谐振周期内半个周期时谐振波将过零点,使得di/dt在过零点时因小于F值而返回。所以,只要保证△T和t△I大于半个机车谐振周期即可避免di/dt和△I保护不受机车谐振的影响。另外在设定时间时再考虑一个误差值。
（3）定时限过流保护
如果直流馈线大电流脱扣保护、di/dt和△I保护不能动作时,则可依靠过电流保护做为上述两种保护的后备保护。为了扩大保护的范围,过电流保护的设定值应尽量小,时间应尽量长,并应大于上述两种保护的延迟动作时间,还须考虑接触网过负荷特性。一般地,电流设定应按照馈线最大负荷计算,延迟时间应根据机车启动时电流峰值时间和接触网电流与时间曲线来确定。
（4）逆流保护
一旦直流进线整流器回路出口短路,短路电流很大,则逆流保护应瞬时动作,因正常运行时逆流很小,因此可按小于断路器额定电流的50%来设定。
（5）框架泄漏保护
牵引变电所内的直流设备采用绝缘安装，如果在直流设备内发生正极对壳体的泄漏，短路电流会经过壳体、地、轨-地泄漏电阻或排流二极管、OVPD流回负极母线，这种泄漏故障，一般最初的短路电流都不大，但如不及时清除，事故会逐渐发展扩大，短路电流可能由最初的几十安培上升到几万安培。而不论故障发生在整流器出口，还是发生在直流母线、或是在直流馈线的出口，由于整流机组中压保护、直流进线、馈线的保护动作整定值都是按最大负荷电流或是按短路电流整定，整定值都较高，对于这种泄漏初期的故障电流都难以检测出来，事故扩大后几万安培的短路电流足以摧毁直流设备并发生火灾、爆炸等严重后果，因此为保护直流设备，应设置专门检测这种泄漏故障的具有高灵敏度的保护-框架泄漏保护，以在泄漏初期就及时快速将故障清除。框架保护一般有电流保护和电压保护两种，在使用时应与钢轨电位限制装置的整定值和动作时间相配合。
（6）双边联跳保护
目前在我国双边联跳是采用电缆来实现的，这种方式简单、直观、可靠。随着光缆应用的普及和低成本化以及抗干扰能力强，已出现采用光缆来取代电缆实现联跳的，但工程经验较少。
5 直流保护配合验证
直流牵引供电系统保护的整定值,不仅要依靠计算确定,还要通过直流短路试验加以验证。通过计算只能给出各保护的初始值,各种保护能否在地铁运行中很好的配合,只有通过直流短路试验,根据试验结果的分析,才能得以最终确定保护整定值。
【参考文献】
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［3］丁复华.地铁直流牵引供电系统的电气保护与定值[J].都市快轨交通,2005,18（4）.
论文作者:李江华
论文发表刊物:《工程管理前沿》2015年6期
论文发表时间:2017/7/27
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