刍议地铁直流牵引供电系统电流变化率保护

刍议地铁直流牵引供电系统电流变化率保护

赖坤锐

（深圳地铁运营总部维修中心518173）

摘要：地铁直流牵引供电系统的安全可靠运行是保证列车安全运行的前提。在保证牵引供电系统安全可靠地向列车供电方面,直流牵引供电系统的保护发挥了极其重要的作用,一方面在正常运行状态下,应满足列车运行的要求,另一方面在直流牵引供电系统发生故障的情况下,应有选择性地迅速切除故障,以保证列车、设备和旅客的人身安全。直流供电的控制与保护是地铁直流牵引供电系统的核心部分，研制一种高性能和可靠的直流保护是十分紧迫的。

关键词：地铁；直流；牵引供电系统；电流；变化率；保护

1直流牵引系统保护配置原则

对于以第三接触轨供电方式的地铁供电系统,由于供电电压为直流750V或1500V,因供电距离短但回路电阻相对较大,短路电流相对较小,有时会存在短路电流很难与列车牵引负荷电流区分开的情况。由于早期直流保护系统缺少性能优越的保护装置,一般仅设电流速断和过电流保护装置来切断故障,保护的效果往往不太理想。

为了解决上述问题,一种方法是增加直流双边联跳保护。因为直流牵引系统正常情况下采用双边供电,当双边供电线路上出现短路故障时,往往相对于某一侧的牵引变电所为近端故障,短路电流较大,很容易使电流保护动作,而对于另一侧为远端故障,其短路电流往往不能引起直流断路器跳闸。若采用了直流双边联跳保护,则另一侧的直流断路器也会立即跳闸。

另一种方法是采用直流双边联跳保护与低电压保护相配合,因为发生短路情况,总会引起直流电压下降。这样当电流大而过电流保护不能动作时,低电压保护可以做为上述保护的后备保护。对于采用架空接触网的牵引供电系统,供电电压为直流1500V。在牵引变电所近端发生故障时,短路电流很大,电流速断和过电流保护装置可以切断故障。但是,当故障发生在中、远端时,由于线路阻抗变大,短路电流相对变小,电流速断和过电流保护可能不会动作,目前一般采用能反应故障电流上升率di/dt和电流增量△I的保护装置来使断路器跳闸。

所以,如果在直流牵引供电系统中,配备大电流脱扣保护、电流上升率di/dt和电流增量△I保护、直流双边联跳保护和低电压保护,无论怎样的牵引供电方式,直流系统保护均能保证安全、可靠供电的要求。

2直流牵引系统保护的设置

地铁直流牵引供电系统发生短路故障时,通过直流快速断路器进行故障切除。直流馈线回路断路器本身装设了大电流脱扣,它对接触网近端短路故障较灵敏。当直流短路电流上升率达到5×106A/s时,直流快速断路器跳闸动作,固有时间仅为2～3ms。对于接触网近端短路故障的保护,主要依靠直流快速断路器本身的大电流脱扣保护使断路器跳闸。对于中、远端短路故障保护,馈线直流开关柜上可以考虑设置成套直流保护装置,现以SECHERON的SEPCOS成套直流保护装置为例来说明。

通过设置的电流上升率di/dt和电流增量△I保护来使断路器跳闸。

这两种保护的作用相类似,但保护动作的原理和动作条件不同。其动作的原理和动作的条件为:当电流上升率di/dt大于某一设定值E时,保护启动,经过△T时间后,di/dt大于F值时,di/dt保护动作;当电流上升率di/dt大于某一设定值E时,保护启动,经过△T时间后,di/dt小于F值时,di/dt保护返回;当电流上升率di/dt大于某一设定值E时,保护启动,经过△T时间后,△I大于设定值时,△I保护动作。电流上升率di/dt和电流增量△I保护动作后,出口回路并联,动作于直流断路器跳闸。

为了保证直流系统安全、可靠地供电,直流馈线开关还配置了定时限过电流保护和低电压保护,作为大电流脱扣和电流上升率di/dt与电流增量△I保护的后备保护。

另外还设有直流双边联跳保护,当一端直流馈线回路开关以下保护动作(大电流脱扣保护、电流上升率di/dt和电流增量△I保护、定时限过电流保护、低电压保护)时,通过直流双边联跳保护,可使对侧馈线直流断路器跳闸。整流器回路直流断路器,配置了SEPCOS成套直流保护,主要对整流器进行逆流保护。

3直流牵引系统保护整定方法

3.1大电流脱扣保护。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K。

3.2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。

3.2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。

结语

总而言之，本文针对一些典型地铁直流牵引供电系统保护的基本原理及其动作特性等方面进行了详细的分析研究。在地铁直流供电系统中，还存在很多其他的保护，如双边联跳保护、反时限过流保护、欠压保护、过压保护、电压增量保护等，在一个特定的直流牵引供电系统中，应根据系统的实际情况考虑各种因素来设计直流馈线保护方案。

参考文献

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[2]吴亚捷.地铁直流牵引供电系统双边联跳保护[J].建筑界,2013.

[3]吴书锋,胡平.地铁直流牵引供电系统馈线保护方法分析[J].电力机车与城轨车辆,2014.

[4]黄海浪.大连地铁直流牵引供电系统保护配置及整定研究[J].城市轨道交通研究,2013.

赖坤锐深圳地铁运营总部维修中心518173.（1986－），男，广东汕头人，广州铁路职业技术学院，单位：深圳地铁运营总部维修中心。