地铁直流牵引供电系统保护配合的探讨

张洪松

摘要：地铁直流牵引供电系统的电气保护是否完善、保护定值是否合理，是关系到地铁运营安全、人命关天的大事。本文对地铁直流牵引供电系统的保护配合进行了阐述。

关键词：地铁;直流牵引;供电系统;保护配合

地铁直流牵引供电系统的安全可靠运行是由直流供电控制和保护装置提供保障。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、牵引供电系统概述

地铁供电系统的电源一般取自地方110kV电源，并通过地铁供电系统内部的主变电所进行电压变换，然后通过高压供电到各个牵引变电所变压整流为直流供车辆使用。它是地铁供电系统的关键部分，负责降压，整流和馈电等重要部分，并负责对地铁运营车辆提供电能。

二、直流牵引供电系统保护配合的意义

直流供电系统包括直流开关柜、控制和保护系统、直流电缆、接触网等。其中控制和保护系统对确保轨道交通的安全、可靠的运行具有举足轻重的作用。它一方面确保向地铁列车提供安全可靠的供电，减少甚至消除不必要的停电时间，从而提高经济效益;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。除可靠性要求外，直流牵引供电保护系统必须在系统发生故障时快速、准确地切除故障，同时还要避免列车正常运行时一些电气参数的变化引起保护装置误跳闸。

三、地铁直流牵引供电保护的内容及原理

1、能适用于所有线路供电方案，变动灵活，如单边供电，双边供电供电等。

2、应充分考虑各种保护之间的相互配合关系，以保证在直流系统发生短路故障时，能可靠地切断故障。

3、能正确可靠地区分牵引电流和故障电流、基本保护和后备保护。直流保护系统应保证列车在正常运行时，不会误跳闸而影响列车运行，例如：列车启动时造成的短时间起动电流过大、电压下降的影响，列车过接触网分段时由于车头内滤波电容充电引起的di/dt、冲击变化的影响。

4、直流保护系统应充分考虑某些特殊的故障形式下的保护，如接触网与架空接地线的短路、接触网与隧道内电缆支架的短路故障等。

四、直流牵引系统保护配置原则

对不同的地铁牵引供电系统，直流牵引系统的保护配置可能不相同，但保护的作用相同。只要能滿足保护要求，保证系统安全可靠地供电，系统应尽量少配置一些保护，因保护装置配置得太多，一方面增大了系统投资，另一方面会增加保护配合的难度。

对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，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。为了解决以上问题，一种方法是增加直流双边联跳保护。因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，容易使电流保护动作，而对另一侧为远端故障，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，低电压保护可做为上述保护的后备保护。

对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，短路电流大，电流速断和过电流保护装置可切断故障。但当故障发生在中、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和电流增量的保护装置来使断路器跳闸。所以，若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。

因此，地铁直流牵引供电系统中的保护配置应结合供电系统的实际情况、直流快速断路器的性能及直流保护装置的功能，针对性地加以选择。

五、地铁直流供电系统的保护方法

1、大电流脱扣保护。大电流脱扣保护是一种基于电流大小的保护，属于断路器本体自带的机械保护，作用于切断例如金属性短路的短路电流。当金属性短路故障发生时，尤其是近端金属性短路故障发生时，接触网/接触轨将被短路电流造成巨大的损坏，故此类短路电流出现必须立即切断，并且必须在其到达电流峰值前进行切断。所以，该保护一般作为近端金属性短路的主保护，对金属性短路故障中的近端短路尤为灵敏和有效。

当检测到电流瞬时超过大电流脱扣保护整流电流值时，其大电流脱扣装置即动作使开关切断分闸。大电流脱扣保护装置的固有动作时间仅10毫秒以下，故大电流脱扣保护非常迅速、灵敏。对近端金属性短路，电流上升往往较快，而大电流保护先于电流上升率及电流增量保护动作，故该保护在金属性短路故障中灵敏度最高。

2、电流上升率di/dt和电流增量保护。电流上升率di/d t和电流增量保护，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），值（电流上升率di/dt保护的延迟时间），电流增量定值及电流增量保护的延迟时间t。

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。

保护应在大电流脱扣跳闸装置后动作，一般情况，为了避免误动作，的设定，应尽可能高，但由于设置太高，不能保护远端，所以保护的设定还要根据系统实际情况来选用合适的值。

（电流上升率di/dt保护的延迟时间）的设定和电流增量保护的延迟时间t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和保护。所以di/dt和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，只要保证和t大于半个机车谐振周期即可避免di/dt和保护不受机车谐振的影响。另外，在设定时间时还需考虑一个误差值。

3、定时限过流保护。若直流馈线大电流脱扣保护、di/dt和保护不能动作时，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，还需考虑接触网过负荷特性。一般，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。

4、低电压保护。低电压保护作为馈线的后备保护，其保护设定应低于机车受电回路低电压保护装置的设定。动作时间应考虑机车启动时电压下降时间、直流馈线断路器主保护跳闸时间，以免断路器误动作。

5、逆流保护。一旦直流进线整流器回路出口短路，短路电流很大，则逆流保护应瞬时动作，因正常运行时逆流很小，因此可按小于断路器额定电流的50%来设定。

六、结语

随着地铁系统的快速发展，直流牵引供电系统得到了越来越广泛的应用，地铁牵引供电系统普遍采用直流系统，为了保证列车正常运行和在故障情况下保障设备及人身安全，需对直流供电系统配置详备的保护系统。

参考文献：

[1]董斌.地铁直流牵引供电系统中的di/dt和保护[J].机车电传动，2015（03）.

[2]丁复华.地铁直流牵引供电系统的电气保护与定值[J].都市快轨交通，2015（09）.