浅析地铁直流牵引变电所的保护原理

【摘 要】在我国，地铁是城市公共交通发展的主要方向，也是缓解现有城市交通压力的主要方法和手段。在目前的地铁工作中，设备国产化和电力稳定化已成为追求的重点，也是地铁行业发展的关键原则。本文就以直流1500V双边供电牵引变压站为例，详细的阐述了地铁直流牵引变电所工作保护原理，以供相关工作人员参考借鉴。

【关键词】地铁；牵引变电站；保护；直流

地铁在目前已成为环节城市交通压力的关键，已成为公共交通事业中的重要组成部分。在目前的社会发展中，地铁也被称之为地下铁道，是一种地下运行的城市交通系统和捷运系统。一般来说，地铁在运行中离不开变电站的配合与协助，变电站工作效率的高低直接关系着地铁运行安全与稳定性。这就需要我们在工作中对地铁变电所进行深入系统的研究与总结，对其容易产生的种种缺陷与质量问题深入探讨与研究，从而避免由于变电所运行故障而造成的地铁运营影响。

1.牵引变电所概述

牵引变电所是电力牵引的专用变电所。一般来说，这种变电所主要是针对铁路系统和地铁系统设置的，是通过牵引变电所将区域内的电力系统传输过来的电力，根据电力牵引以及变电站的不同电压要求转变成为适用于电力牵引的电能。然后在根据相关需要分别输送至沿线铁路的架空线路上，从而架设一定的接触网。一般来说，牵引变电所在我们的生活中很少见到，但是它在交通运输行业中却较为常见，且是为车辆运行提供充足能源的关键。一般来说，在目前的地铁运输系统中，电气化铁路沿线存在着诸多的牵引变电所，其相邻间距不能够超过50km。在长的电气化铁路系统中，为了将高压输电线路电能能够形成一套系统化的管理模式和管理方式，一般都是在200～250km的范围之内设置相关的变电所，它在工作中除了需要具备一般变压器所拥有的电能转换之外，还需要将高压电网传输过来的电能通过相关的输电线路转化为普通电能输送给中间变电所，从而进行有效的传递。

2.牵引变电所结构组成

牵引变电所是目前地铁运输领域中最为重要的电力系统之一，其在应用中是以单机容量为10000KV为主的降压变压器组成的，这种变压器结构模式也被我们在工作中常常称之为牵引变压器或者主变压器。在目前的变压器系统中直流钱银变压器最为常见，也是出降压变压站之外最为常见的一种，在现代化社会发展中，我们除了针对交流电变为直流电的半导体整体变压器控制之外，还需要针对其中的开断现象以及电力电路之中存在的关键环节进行控制，从而实现控制工作中的自动化、远程控制和保护功能及要求。这种变电器和控制系统也是地铁变电站工作中的核心工作内容，更是一套系统全面的管理控制流程和工作理念。

3.直流牵引变电所保护原理

在目前我国的地铁行业发展中，我们常见的地铁直流保护设备均是国外生产的，而本国的产品应用较少。在目前的社会发展中，我们国家的地铁辅助产品的应用仍然还存在着一定的不足和缺陷，直流保护设备的原理并不是十分复杂的，而是在功能上实现了全面优化和系统控制的一种综合性结构模式。直流牵引变电所在工作中通常都具备着以下几个方面和环节。

3.1一次系统

直流牵引变电所在工作的过程中是一个典型的电气为主的变电站模式，这种变电所在工作的过程中是交流高压电从整流机组进行降压、蒸馏直至成为1500v控制系统的一种工作模式，这种工作模式经过相关的直流开关控制之后形成个一种接触电网模式。就我国某地铁站变电所为例，其在工作中工设置了2坐110kv/33kv的主变电站和8座牵引降压混合变电站。它在工作的过程中是在确保车辆运行安全和稳定的基础上，对地铁的环控以及照明信号等方面存在着一定的问题与缺陷。变电站作为地铁工作的核心，其在工作中对于电力系统自动化以及全面优化配置的要求较高，其在应用中有着卓越的贡献与管理模式。

3.2牵引变电所内直流保护的配置

一般来说，牵引变电所在工作的过程中对于直流保护系统的控制要求较高，是通过在系统发生故障的第一时间就能够快速准确的切除相关故障，同时又能够在工作中及时的避免其产生和出现的质量问题以及电气参数模式和相关的保护装置。这种装置在后备保护体系的增加以及保障性切除方面具备着良好的工作优势和作用，并且有效的增加了与主体保护之间存在的难度。因此来说，在目前的直流保护装置设置中，其数量不能够太多，甚至对于保护装置不同类型的控制流程也不予使用。

3.3主要保护的原理

牵引变电所内的直流系统的故障形式主要有：短路故障，过负荷故障，过压故障等等，最常见的也是危害最大的是短路故障。从本质上讲，短路故障有两种类型，一种是正极对负极短路，另一种是正极对大地短路。所内配置的多数保护都是为了切除前一种故障，框架保护则是为了切除后一种故障。

对于前一种故障，多数是由于架空接触网对钢轨短路所引起的，短路点离牵引变电所的距离决定了短路电流的大小。远端短路故障电流的峰值与列车启动时的电流峰值相近，甚至小于该电流，所以，远端短路故障电流与列车启动电流的区分，是牵引变电所直流保护的难点。另外，列车受电弓过接触网分段时，也会有一个峰值较高的电流出现。

3.3.1 大电流脱扣保护

主保护，与交流保护中的速断保护类似，用以快速切除金属性近端短路故障。这种保护是直流断路器内设置的固有保护，没有延时性，它通过断路器内设置的脱扣器实现。当通过断路器的电流超过整定值时，脱扣器马上动作，使断路器跳闸。

一般来说，该保护的整定值要通过计算和短路试验得出，整定值要比最大负荷下列车正常启动的电流大，也要比最大短路电流小。

3.3.2 电流上升率保护

广泛使用的中远端短路主保护，它在多数情况下能正确区分列车正常运行电流和中远端短路电流，主要用于切除大电流脱扣保护不能切除的故障电流较小的中、远端短路故障，其工作原理如下：

电流上升率保护触发的条件是唯一的，即当电流的变化率di/dt>A，A是电流上升率的定值。满足触发条件di/dt>A时，电流上升率保护启动（该时刻记为t）。

3.3.3 定时限过流保护

电流上升率保护的后备保护，通常该保护的电流整定值Idmt较小，一般按馈线最大负荷考虑 ，以达到切除远端短路故障的目的，其动作延时Tdmt也较长，以避开列车启动的时间，广州地铁二号线牵引供电系统中该保护设计的Idmt为3000A，延时Tdmt为30秒。

当电流第一次超过定值时，保护启动，在延时Tdmt的时间段内电流一直超过定值，可认为是短路电流，触发跳闸，如果中间任一时刻电流没有超过定值，保护自动返回，等待下次启动。

3.3.4低电压保护

其作用和定时限过流保护一样，作为电流上升率保护的后备保护，一般与其它保护形式互相配合，不作为单独的保护使断路器调跳闸。它的整定值Umin及延时Tdmt必须列车正常运行时的运行情况互相配合，应考虑最大负载下列车的启动电流和启动持续时间，还要考虑在一个供电区内多部列车连续启动的情况。

当发生短路故障时，直流输出电压迅速下降很多，当输出电压

4.1合闸

合闸的原则是想尽办法让合闸继电器K02受电，使由它驱动得断路器合闸线圈得电，从而使断路器合闸。

4.2分闸

断路器分闸的原则是使分闸继电器K01受电，使由它驱动的断路器分闸线圈得电，从而使断路器分闸。

5.结论

目前，地铁直流牵引变电所内配置的直流保护，基本上能够快速切除大多数短路、接地故障，但仍然存在一些世界性的难题。国内保护设备制造商完全有能力制造出目前广泛使用的这些直流保护。