DC 1 500 V地铁直流馈线热过负荷保护动作分析

马 闯

0 引言

城市轨道交通供电系统通常采用直流供电方式，DC 1 500 V直流馈线一般配置有大电流脱扣保护、电流上升率保护、电流增量保护、过流保护、双边联跳保护以及热过负荷保护[1-2]。大电流脱扣保护作为开关自带保护，主要用于切断大的短路电流；电流上升率保护和电流增量保护则主要作为馈线主保护，用于切除近端短路电流或大电流脱扣保护无法切除的远端短路故障；过流保护一般为馈线后备保护，主要作为上述保护的补充；而双边联跳保护则是为双边供电接触网增设的后备跳闸装置，用于确保故障情况下相邻变电所可靠跳闸。如果直流馈线某处发生故障，各级保护将根据故障类型选择性动作，由保护装置发出跳闸指令快速切断故障电流[3-5]。另外，对于采用接触网或接触轨方式供电的线路，还设置热过负荷保护。本文主要聚焦作为馈线辅助保护的热过负荷保护，并基于广州地铁车辆段直流馈线212实际动作案例对热过负荷保护动作过程进行详细分析。

1 热过负荷保护原理及整定计算

1.1 热过负荷保护原理

热过负荷保护作为直流馈线保护的一种，主要为地铁直流供电系统提供热过载保护，其保护目的是消除热过负荷故障[6-7]。保护装置通过馈线电流、线路参数并结合接触线热负荷特性以及环境条件计算温升，在温度达到保护定值时动作并跳闸。保护对象一般包括柔性接触网和刚性接触网。同时，由于接触线的热特性曲线为一条以电流为变量的反时限曲线，故在计算时需将保护整定得到的曲线与接触线固有特性曲线进行配合，如图1所示，其中曲线A为接触线热特性曲线，曲线B为整定的保护曲线。同时，热过负荷保护作为切除线路长时间过负荷导致电缆过热损坏的非短路故障馈线保护，整定在考虑接触线固有热特性的同时，还应考虑与馈线电流保护、温升-耐受时间曲线相配合[8]。保护整定时，首先根据接触网导线参数（电阻率修正系数、长度、横截面积）计算发热量；再结合比热等导线热负荷特性及环境条件，通过经验公式计算接触网线缆温度；最后将求得的线缆温度与规定值进行比较，当温度超出规定值时发出报警信号及跳闸命令，从而实现对接触网或接触轨的热过负荷保护。具体实施流程如图2所示。

图1 热过负荷保护整定曲线

图2 热过负荷保护整定流程

热过负荷保护作为电流上升率保护的辅助保护[9]，即使线路在过负荷状态下未出现短路故障，接触线或电缆也会缓慢积累热量。特别是当线路有热过负荷电流通过时，即便该电流不会引起过大冲击，但随着电流流经时间的持续增加，其产生的热量也可能导致某些设备出现一定程度损伤，需要进一步考虑温升对保护的影响。

1.2 保护整定计算

热过负荷保护是基于热量累积效应的保护，目前主要采用直流馈线保护装置，输入线路参数即可完成整定，但由于该系统无运算模型，无法判别整定校验结果是否准确[10]，故有必要推导保护整定计算式。DC 1500 V线缆等导体产生的热量应同时满足热平衡公式及能量守恒定律，即产生的热量应等于导体吸收热量与导体散热之和。其中线缆热量计算中只考虑热传导，温度计算则依据能量守恒原则，即当前温度= 先前温度+阻抗损耗温度-电能在输送环境中温度损耗。具体的线路热平衡计算式可表示为

式中：Q为导体功率；c为比热容；G为导体质量；a为导体散热系数，表示温度每升高1 ℃时单位时间从单位导体面积上散发的热量；θ为导体实际温升；S为导体表面积。

根据式（1）可得

由此可得到热过负荷保护整定计算式。其中，0θ为t趋于0时的导体温升，θ∞为t趋于无穷大时的导体温升。实际计算线缆温升时，τ由定值给定，a、S根据保护定值给出的导体比热常数测算。导体比热常数则为不考虑热耗散情况下的单位长度导体通过1 kW·s电流后的温升。

2 试验整定

DC 1 500 V地铁直流供电系统中，确保馈线保护可靠动作的关键是正确区分车辆启动电流与馈线末端故障电流。选取广州地铁2号线车辆段直流馈线212保护动作实际案例进行试验整定。广州地铁2号线起始于广州南站，止于嘉禾望岗站，全长31.41 km。供电系统采用集中供电方式，外部电源额定电压为110 kV，牵引供电系统额定电压为33 kV。每座主变电所设置两台AC 110 kV/AC 33 kV主变压器，车辆段和车站分别设置有AC 33 kV/DC 1 500 V牵引变电所和AC 33 kV/0.4 kV降压变电所，各变电所间通过电缆连接，构成地铁AC 33 kV供电网络。另外，该线接触网额定供电电压为直流1 500 V，且规定实际运行中接触网最高电压不高于1 800 V，最低电压不低于1 000 V。正常工况下，将来自主变电所的AC 33 kV降压整流为DC 1 500 V，再经直流开关柜向接触网供电。为进一步分析热过负荷工况下地铁馈线保护动作过程，以广州地铁2号线车辆段直流馈线212保护跳闸为例进行试验整定分析。

2.1 事件描述

广州地铁2号线车辆段直流馈线212开关7月16日发生热过负荷保护跳闸动作，提取相关事件记录并选取11组典型时刻点信息如表1所示。

表1 事件记录

在该跳闸事件中，系统记录了PRO、DIO、CPU各模块实时状态，且发现车辆在启动过程中两端馈线电压明显下降，启动完成后电压又逐步恢复稳定值。根据现场实测数据，在启动瞬间电流也发生突变。另外，在整个过程中，热保护电流设定值为600 A，热保护动作出口电流为1 219 A。在现场观察SEPCOS-2保护显示屏10 min，发现馈线212一直存在大于300 A的电流，同时保护热积累百分比呈缓慢上升趋势。检查保护定值设置正确，电流回路接线正确可靠且电流输出正常。

2.2 现场测试

对广州地铁2号线车辆段212馈线开关进行保护跳闸测试，系统电气参数如表2所示 。

表2 电气参数

测试共选取4 000～8 200 A电流值共10个点，并依次记录不同测试电流下的热过负荷保护动作情况如表3所示。

表3 热过负荷保护动作时间

由表3可知，不同故障电流下的保护动作时间和报警时间不同，故障电流越大，报警及动作时间越短，故障切除越及时。但同时也存在针对较小电流报警及保护动作不及时的问题，若故障电流持续过久，将对线路及相关设备造成一定程度的损伤，故需进一步选取合理的保护定值。

2.3 保护整定

根据上述测试结果可知，一定程度的故障电流突变将引起保护动作，同时电流幅值的急剧变化也会导致产生电流冲击波峰。故为了掌握突变电流的实时变化情况，需要保护装置对当前馈线电流进行持续监测。具体地，可通过保护装置设定值In与保护时间常数之间的关系函数进行热负荷整定计算，具体计算式见式（3）。现场保护定值设置见表4。

表4 定值设置

根据热量公式计算求得直流馈线热保护动作特性曲线如图3所示。

图3 热过负荷保护动作特性曲线

由图3所示的馈线热过负荷保护动作特性曲线可知：电流越大，保护动作时间越短，热量值上升也越快，即热过负荷保护为反时限保护。若根据本案例实际情况将电流整定为1 219 A，则热量值θt将在170 s后达到跳闸定值并使保护可靠动作。对比现场实测数据和整定结果可知，两种情况下的热过负荷保护均可正常动作，保护设置有效。

综上，根据事件记录和现场测试结果可判断得出：当热保护电流定值为600 A、动作出口电流为1 219 A时，馈线212热保护跳闸为正常动作，故障可在保护有效动作区间内被切除。

3 结论

本文以广州地铁2号线直流馈线实际跳闸事件为例，分析了热过负荷保护的动作过程，并根据现场设定参数进行了保护整定计算。通过对热负荷特性曲线整定分析得出，DC 1 500 V直流馈线212热保护跳闸为正常动作，故障可在保护有效动作区间内被切除。另外，为避免车辆段多车同时静调导致负载电流较大引起热保护动作的情况，建议对车辆段热保护电流定值进行调整。目前，广州地铁2号线车辆段直流馈线运行稳定，相关经验可供实际工程应用参考。