地铁非端部牵引所直流速断保护设定方式研究

杨 晔

0 引言

地铁设计规范中对供电系统运行方式提出要求：牵引变电所（下文简称“牵引所”）正常运行时，非端部区段由相邻的2 座牵引所之间构成双边供电；其中1 座牵引所故障解列时，非端部区段由相隔的2 座牵引所越区“大双边供电”。由于设备故障，会导致非端部区段仅由1 个牵引所单边供电。此时运行方式与规范中的要求不同，地铁运行可能会受到一定的影响。本文结合实际案例，综合分析供电计算和保护整定，对地铁非端部牵引所直流速断保护设定方式进行研究并给出相关建议。

1 非端部牵引所单边供电事故及原因分析

1.1 非端部牵引所单边供电事故描述

参见图1，某地铁早高峰运行时间，N 站—L站上行2B3 区内有2 列列车基本同时启动时，L 站牵引所直流馈线开关212 的Imax保护装置动作，并联跳N 站牵引所直流馈线开关214，造成N 站—L站上行2B3 区接触网失压，列车短时停运。8 s 后直流馈线柜自动重合闸成功，列车限速30 km/h 运行，正常通过2B3 区。

相隔不久，2B3 区内又有2 列列车基本同时启动时，再次出现同样情况。接触网运行维护人员到现场发现N 站接触网上网隔离开关2141 故障后，远方合上N 站接触网越区隔离开关2124，2B3 区由2B2 区越区供电。

图1 N 站—L 站接触网供电分段示意图

通过合闸接触网越区隔离开关，实现大双边供电后，列车能正常运行。

1.2 事故直接原因分析

事故后，运营部门检查现场供电系统的相关设备时发现，N 站接触网上网隔离开关2141 信号检测辅助开关HK 存在功能缺陷：刀闸未合闸到位的情况下，仍发送合闸到位信号至控制信号盘。

由于N 站牵引所上网隔离开关2141 故障，且N 站牵引所越区隔离开关2124 也没有合闸形成大双边供电，导致2B3 区送电后，形成了正线非端部车站始终处于单边供电的状态，即如图2中，N站牵引所虚线所框区域并没有向“N 站—L 站”供电区间进行电能输出。

图2 直流供电系统示意图

如果越区隔离开关2124 合闸，用场路方法进行计算分析，2 列列车的同时启动电流，在大双边供电的条件下，不会导致开关跳闸。因此，接触网隔离开关合闸不到位，导致“N 站—L 站”非端部供电区间处在单边供电状态是上文中保护装置动作、开关跳闸的直接原因。

1.3 事故跳闸直接原因

1.3.1 现场故障电流的实际值

当N 站—L 站上行（2B3 区）实际处于单边供电状态时，该区间运行的列车全部从L 站牵引所直流馈线开关212 取流。单列车加速时最大取流可超过3 000 A，同时，由于单边供电末端网压较低，列车取流更大，从图3中也能看出，2 列列车在同一供电区运行时瞬时取流超过6 000 A，而L 站牵引所直流馈线开关Imax保护动作整定值为6 000 A，因此L 站直流开关212 跳闸。

图3 L站212 开关第一次跳闸波形记录图

1.3.2 牵引电流的理论计算

从现场跳闸波形记录可以看出，2 列列车取流数值大于牵引所直流馈线开关Imax保护整定值。在确保系统安全运行的条件下，为了提供更好的运营服务，避免运营相关事故处理，需要进一步研究牵引电流的数值及保护整定的取值。

（1）单列车供电牵引电流的理论计算。本次事故线路采用B 型车，4 动2 拖6 辆编组，最高运行速度为80 km/h，高峰小时最大行车密度为30对/h。列车定员总重335.60 t，车辆辅助用电功率389 kW。

结合线路实际情况，在列车牵引计算的基础上，按照运行图各区间行车、停站时分进行整流机组负荷电流计算。经计算，与本次事故相关的几个供电区间单列车最大启动电流如表1。

表1 故障时单列车最大启动电流数值表

（2）供电臂上供电牵引电流的理论计算。当正线一座牵引所解列时，如果故障牵引变电所越区隔离开关合闸、相邻变电所形成大双边供电时，虽然整个大供电区间的列车数量增多了，但大双边供电区间内的列车不可能都同时处于启动状态，必然有列车处于再生制动状态，车辆数量的增加让列车释放的再生能量被吸收的概率增大，再生能量可以得到更高效利用，从而减小整流机组的电流输出。

供电系统模拟是按照严格的运行图行车停站时分进行计算的。在实际行车运营时，由于各种因素会使运行图变动，进而对牵引所电流输出产生较大的影响。

图4中N 站牵引所在1 号运行图（发车间隔 2 min）下，最大的母线电流接近5 000 A，能够回馈到牵引所母线处的再生电能不到200 A（图4）；而在30 号运行图下（发车间隔仍为2 min，相对1号运行图，发车时间错位30 s），牵引所最大的母线电流接近7 000 A，反馈大牵引所母线处的再生电流约1 000 A（图5）；二者相比，1 号运行图下由于列车释放的再生能量得到了更充足的利用（反馈到母线侧的就少），那么整流机组的输出电流就会大大减小。因此，运行图的调整对于整流机组的电流输出影响较大，并且运行图变化还存在各种概率因素。

图4 远期高峰小时N 站牵引所1 号 运行图下的牵引所母线电流图

图5 远期高峰小时N 站牵引所30 号 运行图下的牵引所母线电流图

从上述分析可以看出，由于列车制动产生的再生电流和其他列车启动吸收电流之间的相互影响，因此当列车在不同运行图下行驶时，就会直接影响整流机组的电流输出。如果行车交路发生较大变化，同时牵引供电系统出现多重故障，就难以从供电仿真计算中得出精确、合理的馈线电流值。

综上所述，在非端部车站，由于其他故障造成单边供电，在多列车同时启动时，导致瞬时取流超过直流馈线开关Imax整定值，这是导致该次跳闸的间接原因。

2 直流速断保护取值分析及建议

在保证系统运行安全的前提下，应尽可能地考虑行车交路变化引起和系统运行方式临时变化的馈线电流波动。通过在整定计算中取一定的过负荷系数来消除影响，就可能避免类似的跳闸事故。

根据《地铁设计规范》（GB 50157-2003）中14.2.5 要求“一座牵引变电所退出运行时，相邻的两座牵引变电所应能分担其供电分区的牵引负荷”，即一座牵引所退出运行，相邻的两座牵引所越区“大双边”向接触网供电。供电计算提供的牵引电流考虑了正常供电、单台整流机组运行、通过越区隔离开关大双边供电，通过直流母线大双边供电4 种情况下的馈线最大负荷电流，但未考虑正线非端部牵引所解列，相邻牵引所单边供电的情况。

Imax的电流保护配置需要考虑正线某座牵引所解列、相邻牵引所单边或是大双边供电条件下整流机组输出的最大电流值。本文以下着重讨论非端部牵引变电所，保证安全的条件下，从供电系统设计、直流保护整定取值、运营检测手段等方面进行局部修正，尽量避免以上列车停运事故的发生。

2.1 既有线保护定值的设置

保护整定要满足速动性、灵敏性、可靠性、选择性的要求。从可靠性来说，就是要从保护的整定上区分各种非故障的运行情况和故障运行情况，保证非故障运行情况下不误动，故障情况下可靠动作。对于速动性、灵敏性和选择性来说，这三者是相互矛盾相互制约的，在保证可靠性的前提下，为提高速动性，必然要降低电流的整定值（跳闸延时一定的情况下），灵敏性同时提高了，但是牺牲了选择性，可能出现越级跳闸的情况，反之亦然。因此，需要在这三者之间找到一个平衡点，同时兼顾速动性、灵敏性、选择性。

直流馈线Imax的整定，是以供电牵引计算模拟出的最大馈线电流结果为基础进行配置的，同时考虑1.05 的可靠系数；另外还要躲开保护区外的误跳，即大于正常双边供电末端短路t= 20 ms 时的短路电流。在综合考虑以上2 个因素的基础上，为便于对定值的录入和管理，笔者对所有的定值进行了归整。

经校验，不管是在正常运行方式下、单台整流机组工作方式下，通过越区隔离开关“大双边”越区供电方式下，还是在通过直流母线“大双边”越区供电方式下，牵引所直流1 500 V 馈线的Imax整定值均满足以上整定原则和要求。之所以出现L站212 馈线Imax跳闸的情况，是由于N 站隔离开关2141 合闸不到位造成了N 站—L 站实际单边供电运行的情况，该运行方式与规范中设定条件相差较大，不在以目前标准为前提的设计考虑范围。

2.2 保护定值可能的解决措施

虽然目前既有线的设定满足规范要求，但从保证行车的角度出发，站在运营的立场考虑，在确保系统运行安全的前提下，考虑现场的情况应有一定的包容性，因此在具体设计过程中，整定计算时要考虑非端部牵引所单边供电的情况，并应对提高Imax整定值的可行性和风险进行分析。

2.3 整定值计算

原则1：整定值应高于预期的馈线峰值电流。

Imax1= 1.05×Ifmax= 1.05×6.32= 6.64 kA

式中，Ifmax为根据供电计算提供的最大负荷电流值，6.32 kA。

原则2：整定值保证相邻区间近端短路的选择性，应由故障区间近端的直流断路器的电流速断保护清除故障，同时应避免在保护范围之外故障情况下断路器跳闸；即大于正常双边供电末端短路t= 20 ms 时的短路电流，考虑1.05 的可靠系数。

Imax2= 1.05×ISC×(1 - EXP(-20/T))= 1.05× 13.32×[1 - EXP（-20/64.48）]= 3.73 kA

式中，ISC为稳态短路电流，计算值为13.32 kA；T为时间常数, 计算值为64.48 ms。

最终计算值Imax＝MAX（Imax1, Imax2）=6.64 kA

2.4 整定值计算调整

根据本文2.3.2 节中单列车最大启动电流表，L站下行单列车最大启动电流为3 724 A，按2 列列车同时启动的情况考虑，将Imax的最终整定值调整为7 500 A，经详细核算得出L 站直流馈线保护整定值调至7 500 A 后，正常运行工况下末端短路的灵敏系数为1.74，能满足系统运行要求。

2.5 对运营部门的要求

该定值调整后，如果运营人员不能及时发现上网隔离开关故障，列车虽然不会由于跳闸停运，但是容易长期带故障运行，设备和电缆等易长期处于高负荷运行状态，对设备的寿命考验苛刻。因此，需要维修部门密切关注设备的运行状态，避免出现变电所长期带故障运行。

3 结语

通过上述论述可知，对于非端部牵引变电所，为避免设备可能故障导致单边供电时，造成列车启动跳闸的情况，在确保系统安全运行的条件下，结合牵引电流计算和保护整定，可以将非端部车站牵引所直流1 500 V 馈线Imax保护整定值均上调至 7 500 A。该建议一般适用于一个供电臂上最多有2列列车启动的情况。在定值调整后，需要运营部门密切关注设备的运行状态。

[1]高云霞.直流牵引供电系统继电保护整定计算方法[J].电气化铁道，2011，22（4）：40-42.