地铁DC1500 V牵引供电系统继电保护方案分析

许锐坤

（广州地铁集团有限公司运营事业总部OCC控制中心，广东 广州 510000）

1.地铁供电系统特点

与其他供电系统不同，地铁供电系统有独特的特点需要独立设计。目前，地铁供电系统变电站以集中供电为主，建立主变电所和车站变电所，一般情况下，主变电所和车站变电所之间的距离在4 km以内，如果主变电所和车险变电所之间的距离大于4 km，一般会在中间设置区间变电所。但实际上，地铁的变电所之间距离很短，因此一般的电路保护方案并不适用于地铁供电系统，所以，地铁的供电系统都是独特的。另外，地铁的供电系统好坏将会直接影响地铁的正常运行，因此，当变电所的一条供电线路损坏时，要确保同一变电所的另一条供电线路能够正常运行，满足地铁的负荷要求。供电系统在发生故障时，继电保护配置要保证在切断故障部位时影响范围较小，在安全的前提下保证地铁的正常运行，因此，对于地铁供电系统的继电保护配置方案应当不断优化。

图1 地铁动力供电系统示意图

2.地铁直流保护系统的设计重点

地铁直流继电保护系统设计内容与其他继电保护系统不同，要符合地铁运行的特点，要保证地铁在运行过程中的安全。地铁直流保护系统中设计的重点内容在于直流电在运送的过程中保护系统能够对故障进行识别与处理，但是并不影响地铁的正常运行与供电，首先地铁直流保护系统要能够对一些特殊形式下的保护进行分析，比如屏蔽门与接触短路故障、架空接地线与接触网短路、隧道电缆支架与接触网短路等等，这些重点位置的保护在保护系统中的设计需要重点关注，采取特殊的措施及手段进行线路保护。其次，地铁在正常运行时可能会出现误跳闸的情况，且发生的概率较大，直流保护系统要能够对地铁经常出现的误跳闸情况进行有效的防治，避免其影响直流电流正常的输送功能和地铁的正常供电。最后，对保护系统各个保护功能进行优化升级，以便在电路输送过程中发生故障时能够第一时间切除故障，提高故障处理的效率。

3.主要保护的原理

在地铁直流1500V牵引供电系统中发生故障是常见的，主要故障类型有短路故障、过负荷故障、过压故障等等，其中经常发生的应当是短路故障，地铁直流系统中短路故障主要有两种类型，一种是正极对负极短路，另一种则是正极对大地短路，直流系统中设计的保护系统应当有针对短路故障专门设置的处理方法。直流保护系统中所设置的保护工作多半是为了切断第一种故障，而对第二种故障则是采取框架保护的形式。

大电流脱扣保护:大电流脱扣保护是直流保护系统中主要保护的一部分，一般是切除金属性近端短路故障，这种保护形式是直流电保护系统中设置的固有保护形式，没有延时性，这种保护性质通保护系统中断路器内设置的脱扣器来实现。当通过断路器的电流超过整定值时，脱扣器能够实现自动跳闸。在这一保护过程中，电流整定值是通过计算与分析得来的，当面临大电流时可以保证自动跳闸，切断电路，避免大电流对整个电路产生影响。

电流上升率保护:当中、远端电路通过小电流发生故障时，就会启动电流上升率保护，直流系统中设置的保护功能能够自主区分是地铁正常运行时产生的短路故障，还是中远端电流发生了短路故障。大电流脱扣保护只能保护地铁在正常运行时发生的短路故障，而对于中远段地区的短路故障可以利用电流上升率保护措施。电流上升率是定值，当超过这一定值时保护系统就会自动跳闸。当通过的电流超过电流上升率固定值时，其系统保护功能能够快速有效地做出跳闸反应措施，避免产生过大的风险故障。

定时限过流保护:在一定时间内通过电流的数值是在一定范围之内的，如果超过这个范围，那么就会有发生短路的可能，影响到整个地铁列车的行进安全。因此，要保证一定时间内通过电流的数量，即定时限过流保护，一般情况下，保护的电流整定值较小，当通过的电流第一次超过定值时，保护系统会自动启动保护程序，当通过的电流一直在超过定值时，可以认为是短路电流，会触动跳闸。如果中间某一时刻通过的电流没有超过定值，那么保护系统会自动返回，等待下次重启。

低电压保护:低电压保护欲定时限过流保护作用一样，是电流上升率保护的后备保护，与定时限过流保护不同的是，低电压保护一般情况下要与其他保护形式共同作用，相互配合，单独作用下并不会让总电站发生跳闸。这种保护模式下也有整定值，而它的整定值必须与列车正常运行时的运行情况相互配合。当低电压保护系统启动时，应考虑最大负载下列车的启动电流和启动时间，同时还要考虑在一个变站内多辆列车同时运行连续启动的情况。

双边联跳保护:在某些列车供电系统中，是两个变电站对其共同供电，采用的是双边供电的接触网，这种情况在实际生活中很常见，也是常见的一种保护模式，当其中一个变电站的供电线路发生故障时是会发生联跳反应，引起另一个变电站直流电路器发生跳闸。这种双边联跳的保护模式可以尽量保证是两个变电站的地铁列车在发生故障时不会影响到另一个变电站的正常工作，在事故发生时可以保证接触网短路电流的保护。

框架保护:在上文中提到，短路发生时，正极对大地短路是常见的容易引起短路的位置。而框架保护就是针对正极对大地或者是接触网对架空地线短路时。在正常没有短路的情况下，负极与地的绝缘良好，不会有电流产生，当发生短路时会产生电流，如果使用电流检测元件是可以检测到电流的，那么就要启动框架保护。因此，电流检测元件是框架保护的主保护，电压检测元件是作为后备保护的。框架保护的好处是能够迅速跳开同一个变电站的所有直流开关，以及邻所其他直流开关，而且需要人工复位后才会继续运行。

图2 接触网对架空地线短路

接触网热过负荷保护:接触网热过负荷保护，其实是消除热过负荷故障，而不是短路故障。其主要的工作原理是通过测量接触网的电阻，计算电流值，从而计算出接触网的发热量，通过接触网的热负荷特性以及当时的环境可以计算出电缆的温度，当电缆温度超过一定值时就会跳闸，使直流开关处于闭合状态。而当温度逐渐冷却时，直流开关又会自动打开，呈现一个控制电缆温度的自动调节系统。

4.存在的问题

关于多辆列车短时间内相继启动:地铁内不可能只有一辆列车运行，当一辆列车运行时直流电路可能不会发生故障，同一时间内如果另一辆列车运行那么可能会导致直流电路短路，这种可能性是存在的，虽然在实际中还没有发生过，并不代表它不存在。因此，在今后的直流电路保护中应当考虑多辆列车短时间内相继启动时的电流，避免发生短路故障。

关于小电流短路故障:小电流短路故障是地铁供电系统中可能会发生的问题，而小电流故障是因为故障点距离牵引所很远。当短路点靠近其中一个牵引所时，近端短路往往很容易检测到短路故障。而当短路点位于两个牵引所中间位置时，小电流短路故障可能不会被检测到。另外，短路点的电弧过大也会引起发生故障，对于电弧过大造成的电流短路故障，可能需要针对电弧的特性进行研究，给电弧的电流建立一个模型，避免发生小电流短路故障。

关于框架保护的选择性:框架保护一般适用于小电流发生短路故障时，而对于电流过大引起短路故障时，小电流短路故障无法像大电流短路故障一样容易被发现，一直以来都是困扰地铁供电保护系统的一个难题，寻找准确的定位点才可以针对短路故障进行研究与探索，解决发生短路故障的问题。

5.结语

地铁直流牵引供电系统是地铁众多系统中的一种，与普通变电所不同，地铁变电所具有独特的特点，同时，由于每个城市在建立地铁运行系统时所处的环境和地理位置不同，因此，地铁直流牵引供电系统在设计时应当它的特点采取独特设计。地铁直流供电保护系统在设计时重点内容应当在于发生短路故障时应当如何处理，针对不同的短路故障发生原因其保护处理过程又是不同的。本文在介绍了多种引起短路故障的可能性，同时又针对发生短路故障的原因设计直流保护系统，在发生故障时能够自动解决。本文列举了七种保护方案，在面对不同原因短路故障时系统是如何进行保护处理的。最后，又提出了当前地铁直流供电保护系统中可能存在的问题，这些问题还有待解决的空间。研究地铁直流牵引供电系统的保护，能进一步保证地铁的正常运行，地铁作为一种城市交通工具，也因为是在地下运行，因此而得名，地铁在运行中如果发生故障，其后果是不堪设想的，而直流保护系统的研究可以进一步提高地铁运行的安全性，让地铁成为一个安全，值得人们信任的交通工具，同时也能促进我国直流供电保护系统的研究水准。