地铁直流牵引供电系统控制及保护装置的研究

魏虎

深圳地铁运营总部维修中心供电三部广东深圳518000

摘要：随着我国城市化进程的不断深入，地铁行业发展迅速，直流牵引供电系统作为地铁主要供电方式，应用愈加广泛。地铁直流牵引供电系统中的核心部分就是直流供电控制及保护，持续可靠保障车辆供电能力，是地铁直流牵引供电保护的主要问题，因此文章重点就地铁直流牵引供电系统控制及保护装置展开相关研究。

关键词：地铁；直流牵引供电系统；保护装置；研究

近年来，随着城市轨道事业的蓬勃发展。直流牵引供电系作为地铁系统的重要供电方式，保证供电系统可靠性及安全性重要性及其重要。因此探究地铁直流牵引供电系统控制及保护装置极为必要。

一、地铁直流保护系统的设计重点

通常情况下，地铁直流供电系统通过接触网或者接触轨作为载体为机车供电，通过直流开关设备实现直流牵引供电系统的保护。系统中，根据各个开关柜位置和分工的不同直流电路分为整流器回路母排进线断路器及馈线回路断路器两种类型。通常情况下，整流器侧直流输出的保护以及控制是通过整流器回路母排进线断路器实现的，能够在第一时间切断整流器的故障，避免直流输出；对馈线侧牵引供电控制及保护通常使用直流馈线回路断路器，其可以在直流电缆及变电所接触网产生故障时第一时间将故障切除。直流保护系统的设计重点有以下几点：第一，对供电线路（接触网或接触轨）故障保护，如线路对地短路，対地线短路，接触网对周边设备放电等各种电气故障；第二，地铁正常运行时，因机车启动等原因，直流保护要防止误动作，避免其因正常机车启动冲击电流及启动电压，误动作，以此保证地铁能够安全平稳的运行；第三，对各类保护进行合理计算优化整合，在保证可靠性同时，尽可能提升直流系统短路时故障切除的时效性。

二、保护及控制装置的功能

针对直流供电，一般保护装置会设置如下功能：1：独立过电流保护。此保护功：能显示一条确定的不受时间影响的特性曲线，它的作用是防短路电流。：2热反向保护和过电流保护。此保护功能显示过电流和热反向保护特性曲线，它的作用是防止配电设备热过载、防止馈电线路段产生过电流。3：上升变化率保护。由于上升变化率保护具有上升有关（di/dt）和变化有关（ΔI）的限流功能，所以它提供了更广泛的保护。4：线路测试。在合闸直流断路器前，综合线路测试功能承担检测线路段是否存在短路故障。如果线路段存在故障和异常，线路测试也会自动重合闸直流断路器。5：机械脱扣（大电流脱扣），为开关自带功能，能第一时间最快切除线路外，也可以作为后备保护，以防止因变电所失电或其他原因，保护装置无法发出动作命令或无法执行动作，此时可以通过自动机械机构自动进行动作，作为保护装置的后备保护。6：事件分析和记录功能。综合事件功能允许连续分析各类故障：信息存储器按时间顺序记录出现的告警和故障信息。如果发生脱扣，则记录实际信号和测得数值。

三、控制及保护装置功能管理

（一）电流上升率保护（di/dt）以及电流增量保护（ΔI）

地铁直流馈线保护中，此种保护为主要保护，可以切除近端短路电流，还可切除开关自带功能未全部切除的远端短路小故障电流。此保护降低di/dt单独保护出现的干扰误动以及ΔI保护拒动的情况。保护分为瞬时跳闸及延时跳闸两部分，跳闸动作由优先跳闸的动作所决定，延时跳闸主要用于远端短路电流的切除。保护的原理：地铁运行时，保护装置对电流进行实时检测，当电流在设定时间内的上升率超出标准，di/dt将启动保护功能，进入延时阶段，如果延迟阶段内，电流上升率一直超出额定值，那么保护动作开启；如果延时阶段内，电流上升率回落至额定范围内，那么保护将返回。di/dt保护启动进入延时阶段时，ΔI也将进入到延时保护阶段，ΔI保护启动后，继电器将对电流增量进行实时计算。如果电流上升率一直高于di/dt额定保护值，电流增量到达ΔI额定保护值，那么将开启保护动作。其主要设置要躲过列车启动电流同时，又要保障保护装置的灵敏性。因此，其定值设置，及大受列车及接触网选型及车辆运行时刻表限制。

（二）接触网过热负荷保护

此种保护作为电流上升率保护辅助保护。直流线路负荷超载，即便未发生短路，温度也会升高，电流虽不大，但是存储的热量越来越大，易造成设备损坏。工作的原理是：将接触网各参数作为参考依据，计算接触网发热量，通过对接触网热负荷特性、空气比热及通风条件等影响因素的分析，利用公式进行接触网电缆温度的计算。如果监测结果为电缆温度超出整定值，将立即报警，跳闸指令马上发出，以此实现接触网保护，进而保护整个线路。其受接触网及散热方式影响较大。也与车辆运行时刻表密切相关。

（三）大电流脱扣保护

能迅速对大的短路电流进行切除，属开关自带功能。短路电流过大对线路的损坏程度较大，这样的情况也时常发生，故此，在过大电流出现时且未达到短路电流峰值之前切断。如果被保护线路短路电流最低值设置为Idmin，k作为可靠系数，动作电流的设置是kIdmin＜Idz。当短路电流超出动作电流时，跳闸动作立即启动，而且启动的速度仅为几毫秒，故此，大电流脱扣保护动作的灵敏性十分可靠，尤其是处理近端短路电流上升过快的故障，一般在电流上升率保护及电流增量保护前完成跳闸动作。同时，当保护装置故障时，充当保护，防止因装置故障导致故障扩大。

（四）自动重合闸

一般情况，接触网或轨道较易受环境影响，异物侵限，瞬时异物跌落等都极易导致接短路保护动作，因此直流短路故障瞬时性较为突出，故障排除后可在短时间内就恢复正常供电。直流系统短路故障发生时，保护装置进行保护，短路故障排除之后，需将断路器重新合闸，方能使系统运行恢复正常，保证供电系统可靠，自动重合闸是实现这一动作的理想保护装置。动作原理是：直流牵引网瞬间事故排除后，实现断路器闸的重新闭合，提升系统供电恢复的时效性及可靠性。此外，还需保证自动重合闸自身没有故障，防止重合闸因为短路次数进行多次分合闸后降低使用的寿命，亦或是导致断路器主触头的损坏，故此，需在重合闸之前进行故障线路的检测，确保故障排除后进行重合闸动作。若整定值低于重合闸次数，那么，可做系统永久性故障之诊断，将关闭重合闸的回路。

（五）定时限过流保护

此保护为后备保护方法，主要是切除远端短路故障。动作完成需十几秒到几十秒，故此，切除故障有延时性。设置启动保护值时，通常分为正方向设定值及反方向设定值两个方面。此外，为了保证接触网供电的可靠性及安全性，地铁供电系统中还设置了双边联跳保护，以此保证了故障状态下，相邻变电所跳闸的可靠性。通常情况下，由两个相邻的牵引变电所一同向接触网供电。若出现故障，保护动作信号由保护单元检测到，进而利用硬结点发送跳闸信号至相邻变电所的直流开关，使直流开关实现跳闸动作。

总之，我国地铁供电系统中的保护措施能够准确、迅速的对短路故障进行切除。但是正常运行电流与小电流故障依旧不易辨别，进而影响保护动作的正确性。因此应努力使其能够被保护装置准确辨识，进而提升直流馈线保护的能力。同时，地铁牵引供电系统与行车高度相关，因此，在不同的行车密度及供电区间，必须合理设置保护方式和定值，保障可靠性的同时，兼顾灵敏性，坚决防止因保护设置不当，引起正常车辆启动跳闸或因不能反应车辆故障不动做造成故障扩大化。

参考文献

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[2]张勋,李乾.直流牵引供电系统短路故障分析[J].电气技术,2013,(11)

[3]汤海.地铁供电系统保护装置探讨[J].电力安全技术,2012,(06)