城市轨道直流牵引供电系统馈线保护

2016-09-03改造者

中国科技信息 2016年10期

改造者：刘维

城市轨道直流牵引供电系统馈线保护

改造者：刘维

在城市轨道交通中，直流牵引供电系统可靠、稳定的运行具有重大意义，馈线保护作为直流供电系统中必不可缺的技术手段，在城市轨道交通运营过程中，其扮演了十分关键的角色。本文在介绍直流牵引供电系统供电制式以及系统构成的基础上，针对于直流牵引网短路故障特性，对供电系统保护所需满足的要求作了介绍，最后给出了目前比较主流的城市轨道交通馈线保护技术。

城轨供电系统

在城市轨道交通运行过程中，直流牵引供电系统主要完成向机车输送电的工作，城轨供电系统主要由高压供电系统、直流供电系统以及内部供电系统构成。从结构上来看，直流供电系统与机车直接相连，其一般由牵引变电站及架空接触网或者第三轨构成，可以输出DC600V-DC3000V等级的电压。之所以在城市轨道交通中使用直流电，主要是因为直流电不易受干扰，便于控制。目前的城市轨道交通中普遍采用的供电制式为DC750V 第三轨和DC1500V 架空接触网。

DC750V第三轨在早期的城市轨道交通建设中使用较多。其主要原理是通过在机车运行轨道附近，搭建电阻率极低的铁轨或铝轨，轨道上机车通过受流靴和第三轨相连接来获得电能。DC1500V架空接触网能提供更高的电压水平，通过比较这两种供电制式，DC1500V架空接触网提高了受流环境和受流质量，机车运行的可靠性得到了增强，并且供电区间范围明显的增加，这样就不需要投入多牵引变电站，节约费用可达40%。因此，近几年来，DC1500V架空接触网供电制式发展迅速，普遍应用在新建的城市轨道交通中。城轨供电系统构成如图1所示。

首先，城市电网产生的AC110kV电压，通过主变电所中的降压变压器转换成AC33kV/AC10kV的电压，接下来，再通过牵引变电所的降压整流作用，将AC33kV/AC10kV的电压转换成DC750V/DC1500V的电压，直流电会传输到馈线上，最终传输到牵引网中，然后由牵引网作用到机车上，使机车获得电能，维持机车运行。

然而，城市轨道交通的快速发展伴随着出现了许多问题，例如在城市轨道交通在运行高峰期时，负载过大；城郊及城际线路供电区间过长；旧线路损伤情况严重等。尤其是馈线侧会受到架设技术以及环境条件因素作用，对机车的可靠运行产生威胁，因此，需要在城轨供电系统中采取相应的保护措施。

供电系统短路故障和直流保护系统

供电系统牵引网短路故障分析

线路中机车启动所造成的电流变化率异常持续短，而线路中间和末端发生短路故障时，有更长的异常电流变化率的时间；

可以将供电系统中的馈线故障所引起的短路电流和机车的启动时的过电流写成指数函数形式；

如果在线路末端发生短路故障时，其电流变化量会比机车启动时所引起的电流变化量大；

一般来说，线路前端发生短路故障时所引起的异常电流变化率更明显，而线路末端发生故障所能引起的电流变化率最大值，可能和机车的启动时的电流变化率大小相同，并且如果供电系统中馈线长度增加，线路末端发生短路故障所能引起的短路电流变化率可能会减小；

在机车数量以及馈线保持固定的情况下，正常的负荷电流最大值要比线路末端发生短路故障引起的异常电流大。

供电系统直流保护系统

城轨供电系统中所使用的直流保护，一般是通过直流断路器来完成的，直流断路器一般分为两种：整流器回路断路器和直流馈线断路器。整流器回路断路器可以在整流器出现短路故障时，切断其输出。直流馈线断路器可以在线路出现短路故障时，将故障区域的牵引网从馈线上断开。城轨供电系统直流保护需要满足的要求有：

（1）不能忽略除馈线故障外的其他故障，例如，接触网和屏蔽门之间故障、接触网和钢筋之间故障、接触网和接地网之间故障等；

（2）在城轨供电系统正常工作期间，往往会由于机车启动时所引起的过电流和过电压，对供电系统的直流保护造成误动作，在设计供电系统直流保护时，要尽量避免这种误动作；

图1　城轨供电系统构成

（3）加强直流保护中每类保护之间的协同工作，确保在供电系统在出现问题时，能够将故障及时清除。

城市轨道交通直流牵引供电系统的馈线保护技术

大电流脱扣保护

大电流脱扣保护是直流断路器自身具备的一种保护形式，当线路前端出现短路故障时，会引起比较大的过电流，该过电流会对供电系统中的设备造成破坏，大电流脱扣保护可以有效避免这种情况，首先设定大电流脱扣保护的整定值，在流过直流断路器的电流超过该整定值时，直流断路器会立即动作跳闸。

动作电流Idz的整定：

式中：k-可靠系数，一般去1.5左右；Idmin-最小短路电流值。

电流增量保护与电流上升率保护

该保护是城轨供电系统馈线保护中核心技术，它是根据线路发生故障时所引起的短路电流上升率和电流增量来进行判断，本保护将两种保护结合在一起，这样解决了只采用电流上升率保护时，经常出现误动作的问题，还解决了只使用电流增量保护时，偶尔产生的拒动问题。本保护分为瞬时跳闸动作和延时跳闸动作，当供电系统线路中出现大电流故障时，则会发出瞬时跳闸命令，切除线路中的故障；延时跳闸动作是预留一段时间来判断过电流是由机车启动引起，还是线路末端出现短路故障造成的，如果是线路末端的故障，则将此故障及时切除。

电流增量保护与电流上升率保护工作机制：（1）首先是进行电路上升率保护的判断，安装在供电系统中的电流上升率保护装置，会一直检测线路中存在的电流上升率，当检测到线路中电流上升率处于异常情况时，电流上升率保护装置就会进入保护待定的工作状态，同时，进入保护延时期间内，如果在延时期间内，保护装置检测线路中的电流上升率一直处于异常情况，则保护将完成启动，否则，重置保护装置。（2）接下来对电流增量保护进行判断，在电流上升率保护启动时，取那一时刻的线路的电流值当作参考电流值，在此基础上得出电流增量，如果从那一时刻开始，检测到电流增量超过设定的整定值时，并且，电流增量在延时期间一直处于异常情况，则启动电流增量保护，否则，重置保护装置。

定时过电流保护

对于电流增量保护和电流上升率保护来说，定时过电流保护主要起到完善保护的作用，该保护是为了确保线路中小电流的故障能够顺利被切除，该保护在切除故障时，有一定的延时，并且在设定整定值时，有正负整定值的区分。

接触网热过负荷保护

城轨供电系统处于运行高峰期时，会出现过电流的情况，这种过电流情况会引起牵引网温度的升高，造成供电系统中设备的破坏，严重的甚至会烧坏电缆，因此，必须需要避免此种情况的产生，接触网热过负荷保护是一种辅助性质的保护，专门防止过热所设置的保护，该保护是根据供电系统中的某些物理状态量，依据平时总结的经验，进行整定值的设定，当检测到牵引网温度超过整定值时，则启动跳闸保护。

框架泄露保护

在城轨供电系统中安装了许多开关设备柜，如果柜子出现短路情况时，产生的过电流会造成设备柜的破坏，如果工作人员接触到柜子，也会对其造成安全威胁。

框架泄漏保护在进行保护时，需要检测电流和电压两个状态量。由于设备柜是和接地网直接相连的，当设备柜出现短路情况时，会引起较大的接地电流，若该接地电流超过设定整定值时，则启动电流保护动作。同样的，所检测的电压状态量是轨道和接地网的电压值，如果该电压量超过设定的整定值时，则启动电压保护动作。

双边联跳保护

双边联跳保护是指连接同一段接触网的两个牵引变电站，在该段牵引网出现短路故障时，如果其中一个变电站启动保护动作时，于此同时，该变电站也会向连接同一段接触网的另一个变电站发送保护动作命令，令两个牵引变电站的保护均动作跳闸，这样是为了确保牵引网中的线路故障能够有效的切除。

自动重合闸

城轨供电系统出现的故障一般情况下都为意外因素所引起的瞬时故障，在启动保护装置将线路中故障消除时，需要将断路器进行重合闸，使其继续起到保护线路的作用，手动的重合闸不能达到快速性的要求，需要自动重合闸来完成。

在自动重合闸过程中，不能把存在问题的装置进行自动重合闸，另外，在进行自动重合闸前，必须确保牵引网线路中也不存在故障问题，要不然会造成断路器不断的分开、合闸，这种情况持续时间长的话会对断路器造成破坏。因此，需要设定自动重合闸的次数限制，当超过限制时，就把该故障考虑成非瞬时故障，不再进行自动重合闸。