地铁直流牵引供电系统电流变化率保护研究

陆渭歧

摘 要：直流牵引供电保护系统的主保护采用结合电流上升率保护（），电流增量保护（）和延时时间（）的方法，是一种反应电流变化趋势的保护，本文主要研究基于电流变化率的直流牵引供电系统保护，并通过仿真运算，分析常用电流变化率保护存在的问题、故障原因及不足之处。

关键词：地铁 直流牵引供电系统 电流变化率 保护

中图分类号：TM58811；U22318 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（b）-0109-04

我过正处于经济迅速发展的时代，但是，各城市的交通问题逐渐凸现出来，要解决这个问题，就应该加大城市轨道交通的建设。城市轨道交通直流牵引供电系统是其重要组成部分，直流牵引供电系统的控制与保护是整个系统的核心，为地铁的稳定运行发挥着极其重要的作用。

1 直流牵引供电一次系统

城市轨道交通牵引供电直流一次系统如图1所示，它的组成部分包括变直流开关设备、电所内牵引整流机组、钢轨电位限制装置、接触网系统、排流柜等。牵引变电所能够把轨道交通供电系统的35 kV交流电压通过降压变为直流1500 V，然后通过接触网系统向机车供电。

2 电流变化率保护

电流变化率保护作为地铁牵引供电系统保护的主保护之一，综合利用了电流上升率保护和电流增量保护的动作特性，既能克服单独使用电流上升率保护时易受干扰发生误动的风险，又克服了单独使用电流增量保护时会出现拒动的缺点。该保护由延时跳闸和瞬时跳闸两部分组成，当故障发生时，先达到动作整定条件的保护方式优先发出命令使断路器跳开。瞬时跳闸主要用于迅速切除牵引供电网中短路电流较大的近端短路故障，延时跳闸主要用于将机车起动电流和较小的短路故障电流区分开来，并保证及时切除线路中远端短路故障。

2. 1 保护原理

电流增量保护就是当短路故障电流，还没有达到最大值时，就能判断出电路故障，并采取相应措施使断路器跳闸，避免造成更大的损失。其原理图如图2所示，一旦发生短路情况，短路电流的增量很大，超过了延迟时间时，短路故障将会被电流增量保护所切除。但是，如果在较长线路的中远段发生短路故障，短路电路不会一时间增量很大，所以电流增量保护在这种状态下发生拒动，失去对电路的保护。

电流上升率保护：当短路故障发生于线路中远端时，这时线路短路电流上升率较小，有可能会低于列车起动时的初始起动电流的电流上升率，此时会受到系统对它的监测，经过延时时间之后，判断短路故障是否应该切除。动作原理图3所示，其优点为保护的线路范围较大，但抗干扰能力比较弱。

2.2 保护动作特性

（1）在机车运行过程中，电流变化率保护装置会不停地检测馈线电流大小及其上升率，当检测到电流上升率大于瞬时跳闸的整定值时，又电流增量达到瞬时跳闸的动作整定值，保护装置将无延时立刻跳闸。

（2）当电流变化率保护装置检测到的电流上升率大于延时跳闸的整定值，但小于延时跳闸时，保护仍会启动，但是进入延时阶段，如若在延迟时间内，电流增量超过了延时保护的动作整定值时，断路器就会跳闸；如若在延时时间内，电流上升率持续大于保护返回整定值，断路器仍会跳闸。

2.3 整定值设定原则

（1）瞬时跳闸保护的起动电流上升率的整定值需大于机车起动电流的上升率；延时跳闸保护的起动电流上升率的整定值需小于线路终端短路时最大的短路电流的上升率。

（2）瞬时跳闸保护动作的电流增量的整定值需大于机车起动时的电流增量值，延时跳闸保护动作的电流增量的整定值需大于在时间内线路终端短路电流的增量。

（3）电流增量延时跳闸的时间应大于机车起动时的电流上升率持续时间。

2.4 保护实现

为方便计算电流增量和电流上升率，需对测量电流进行采样，采样的间隔设为，因此可得到采样值：、、、…、、。一般采用3点或5点采样值来计算电流上升率，其中采用3点采样值计算公式为：

（1）若时，瞬时跳闸动作，以此刻的电流采样值设为基准值，计算电流增量，若，则视为故障，保护动作跳闸。然后进入重合闸，否则回到主程序。其处理流程如图4所示。

（2）若不大于，延时跳闸动作，并计算到达延时时的电流增量，若，则视为故障，保护动作跳闸，然后进入重合闸，否则回到主程序。另外，还需计算到达延时时的电流上升率，若，仍视为故障，保护动作跳闸。其处理流程如图5所示。

3 常用保护存在的问题

随着社会经济的发展，交通运输压力持续增大，因此不得不增加列车运行的密度，这样就会经常出现在同一供电区间内多辆机车同时起动的现象，会造成机车起动时的电流增大，趋近于远端短路故障时的电流大小，保护就会出现误动。而当出现非金属性短路故障时，短路电流又会减小，趋近于机车起动时的电流大小，保护就会出现拒动。

3.1 多机车同时起动

为了防止在同一供电区间内多辆机车同时起动而导致电流变化率保护装置发生误动作的情况，电流上升率保护需要提高整定值和，时间整定值也需相应变化。保护装置这样设置整定值依旧能够正确区别机车起动电流与金属性短路故障电流。但是，对于经大电阻接地的故障，保护装置还是会出现拒动。

3.2 小电流短路故障

当故障点距离牵引变电所较远或发生非金属性短路故障而引起过渡电阻增大的情况，这导致故障电流的稳定值相对较小，电流变化率也会较小并会迅速达到稳定状态，为保护这种故障，保护需要降低保护定值和的大小，时间定值也需要对应发生变化。电流变化率保护装置的整定值这样设置可以避免与正常的机车起动电流相交叉，但如果发生多辆机车在同一供电区间同时起动的情况，机车起动电流必然会增大，起动电流的大小将更加趋近于故障电流，起动电流的增大也会导致电流变化率增大，保护装置会因此而误动。如图6，两辆机车同一供电区间同时起动，仿真结果如表1所示。endprint

4 结语

由图7和图8可见，在此情况下，机车的起动电流和短路电流的幅值与上升率都非常接近，同一供电区间内两辆机车靠近牵引变电所或同时起动时会导致保护装置发生误动，此时电流变化率保护必须要提高整定定值和以及时间定值，导致当线路末端发生短路故障时保护装置会出现拒动。反之，为了保护这类故障，不得不降低电流变化率保护的保护整定值和，保护装置又会发生误动。因此和综合保护可以正确区分一般情况下机车起动电流和远端短路故障电流，但是对于机车运行时的特殊情况和一些非金属性短路故障不能有效区别，并不能完全满足当今城市轨道交通发展的需要。因此，正确区分远端短路故障电流与机车起动电流仍旧是继电保护的重点。

参考文献

[1] 王艇.地铁直流牵引供电保护技术与系统实现[D].江苏大学，2006.

[2] 王晓红.地铁直流馈线保护研究[D].西南交通大学，2002.

[3] Bucher F，Dmitriev A I，Ertz M，et al.Multiscale simulation of dry friction in wheel/rail contact[J].Wear，2006，261（7）：874-884.

[4] 刘炜.城市轨道交通供电系统仿真[D]. 成都：西南交通大学，2006.

[5] Hill R J，Carpenter D C.Determination of rail internal impedance for electric railway traction system simulation[C]//IEE Proceedings B （Electric Power Applications）.IET Digital Library， 1991，138（6）：311-321.

[6] Brown J C，Allan J，Mellitt B. Calculation and measurement of rail impedances applicable to remote short circuit fault currents[C]//IEE Proceedings B（Electric Power Applications）. IET Digital Library，1992，139（4）： 295-302.endprint

4 结语

由图7和图8可见，在此情况下，机车的起动电流和短路电流的幅值与上升率都非常接近，同一供电区间内两辆机车靠近牵引变电所或同时起动时会导致保护装置发生误动，此时电流变化率保护必须要提高整定定值和以及时间定值，导致当线路末端发生短路故障时保护装置会出现拒动。反之，为了保护这类故障，不得不降低电流变化率保护的保护整定值和，保护装置又会发生误动。因此和综合保护可以正确区分一般情况下机车起动电流和远端短路故障电流，但是对于机车运行时的特殊情况和一些非金属性短路故障不能有效区别，并不能完全满足当今城市轨道交通发展的需要。因此，正确区分远端短路故障电流与机车起动电流仍旧是继电保护的重点。

参考文献

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[2] 王晓红.地铁直流馈线保护研究[D].西南交通大学，2002.

[3] Bucher F，Dmitriev A I，Ertz M，et al.Multiscale simulation of dry friction in wheel/rail contact[J].Wear，2006，261（7）：874-884.

[4] 刘炜.城市轨道交通供电系统仿真[D]. 成都：西南交通大学，2006.

[5] Hill R J，Carpenter D C.Determination of rail internal impedance for electric railway traction system simulation[C]//IEE Proceedings B （Electric Power Applications）.IET Digital Library， 1991，138（6）：311-321.

[6] Brown J C，Allan J，Mellitt B. Calculation and measurement of rail impedances applicable to remote short circuit fault currents[C]//IEE Proceedings B（Electric Power Applications）. IET Digital Library，1992，139（4）： 295-302.endprint

4 结语

由图7和图8可见，在此情况下，机车的起动电流和短路电流的幅值与上升率都非常接近，同一供电区间内两辆机车靠近牵引变电所或同时起动时会导致保护装置发生误动，此时电流变化率保护必须要提高整定定值和以及时间定值，导致当线路末端发生短路故障时保护装置会出现拒动。反之，为了保护这类故障，不得不降低电流变化率保护的保护整定值和，保护装置又会发生误动。因此和综合保护可以正确区分一般情况下机车起动电流和远端短路故障电流，但是对于机车运行时的特殊情况和一些非金属性短路故障不能有效区别，并不能完全满足当今城市轨道交通发展的需要。因此，正确区分远端短路故障电流与机车起动电流仍旧是继电保护的重点。

参考文献

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[2] 王晓红.地铁直流馈线保护研究[D].西南交通大学，2002.

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[5] Hill R J，Carpenter D C.Determination of rail internal impedance for electric railway traction system simulation[C]//IEE Proceedings B （Electric Power Applications）.IET Digital Library， 1991，138（6）：311-321.

[6] Brown J C，Allan J，Mellitt B. Calculation and measurement of rail impedances applicable to remote short circuit fault currents[C]//IEE Proceedings B（Electric Power Applications）. IET Digital Library，1992，139（4）： 295-302.endprint