浅谈地铁直流牵引供电系统保护

摘要：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,研制高性能和可靠的直流保护是十分紧迫的。本文介绍了地铁直流牵引供电系统中采用的几种直流馈线保护方法，详细分析了电流上升率保护(di/dt)及电流增量保护、过流保护、双边联跳保护、自动重合闸保护、框架保护的基本保护原理，并举例说明了如何通过对电流上升率的测量来区分故障情况和正常运行情况，为地铁馈线保护的配置提供了理论基础。 关键词：保护；馈线；直流；保护；地铁

中图分类号： U231+.3文献标识码：A 文章编号：

目前，国内主要城市的地铁直流保护设备均来自国外，例如广州地铁二号线选用的是德国Siemens公司的DPU96，武汉轻轨选用的是瑞士Secheron公司的SEPCOS。通过对部分国外产品的研究，笔者认为，直流保护设备的原理并不是十分复杂，功能实现在理论上也没有任何障碍，希望通过本文的抛砖引玉，在将来的不久，能够看到国产的直流保护设备在我国甚至国际市场成为主流。

一 电流上升率保护(di/dt)和电流增量保护ΔI

电流上升率保护(di/dt)和电流增量保护ΔI是两种重要的保护。这两种保护可以在短路发生的初期检测到故障，相应的断路器可以在短路电流达到稳态值之前将故障回路切除，保护设备的安全。它的原理是：直流牵引的正常电流与故障电流在特征上有比较明显的区别。例如，假设列车的最大工作电流为4kA，列车起动时电流从零增长到最大电流值约需要8秒，那么一列列车正常的起动电流上升率仅为0.5kA/s,而故障电流的上升率可达到单列列车起动电流的几十甚至上百倍。电流上升率保护(di/dt)（以下简称di/dt保护）和电流增量I保护（以下简称I保护）就是根据故障电流和正常工作电流在上升率这一特征上的不同来实现保护功能的。

在实际运用中，di/dt保护和I保护是通过相互配合来实现保护功能的，而且这两种保护的起动条件通常都是同一个预定的电流上升率值。在起动后，两种保护进入各自的延时阶段，互不影响，哪个保护先达到动作条件就由它来动作。在这一点上，有些类似于通常所说的定时限过流保护和电流速断保护。一般情况下，di/dt保护主要针对中远距离的非金属性短路故障，I保护主要针对中近距离的非金属性短路故障（金属性直接短路故障由断路器自身的电磁脱扣装置来跳闸）。

在双边供电线路中，di/dt和ΔI保护整定的原则如下：

（a）di/dt的整定值应尽可能的小，以获得尽可能大的保护范围。

（b）di/dt的整定值应足够大，以躲过列车的启动电流和滤波器充电电流。

（c）ΔI的整定值应足够大，以躲过保护区域之外发生故障时的故障电流。

（d）di/dt的延时应足够长，以免越区跳闸。

二 过流保护

过电流保护指故障电流超过过流保护整定值，故障出现时间超过保护整定时间后发出跳闸命令。它的动作原理是：电网中发生相间短路故障时，电流会突然增大，电压突然下降，过流保护就是按线路选择性的要求，整定电流继电器的动作电流的。当线路中故障电流达到电流继电器的动作值时，电流继电器动作按保护装置选择性的要求，有选择性的切断故障线路。它可作为上述两种保护的后备保护,在保护控制单元预先整定电流Imax值和时间T值。当通过直流馈线短路的电流值在预先设定的时间T内超过Imax值时，过流保护装置动作使直流馈线断路器跳闸来清除故障。显然，Imax值应小于大电流脱扣保护装置动作值,对于Imax值的设定，可分别设定正反方向的Imax＋值和Imax－值。

三 双边联跳保护

由于行车密度大，导致负荷电流也较大，当最大负荷电流可与馈线最小短路电流相比拟时，大电流脱扣的电流整定值不可能太小，这样对于电流保护来说，保护范围不可能太大。故在某些情况下，当馈线发生短路故障时，可能会有一侧直流断路器电流保护不动作的情况。但由于I和di/dt保护的灵敏度很大，无论馈线发生什么故障，它们都可动作于跳闸，为进一步提高保护的可靠性，所以对于双边供电的馈线，均考虑设置双边联跳保护。双边联跳保护的原理如下：一条接触网的两段，左边一段由牵引变电所A和B（简称A站和B站）供电，右边一段则由B站和C站供电，当短路点发生在靠近A站的c位置时，A站的大电流脱扣保护首先动作，而B站则由于短路电流小等因素，大电流脱扣和di/dt等保护均无法动作，位于A站的双边联跳保护则发出联跳命令，将B站相应的开关跳开。当B站退出运行时，则B站越区隔离开关合上，双边联跳保护根据B站越区隔离开关的位置判断另一端是由C站相应的开关供电。

四 自动重合闸

使用自动重合闸的目的是为了在瞬时性故障（雷击、架空线闪路等）消除后使线路重新投入运行，从而在最短的时间内恢复整个系统的正常运行状态。对于直流牵引系统，经常会发生短路而使过流脱扣器经常动作。但由于大部分短路故障是短暂的，所以使用自动重合闸系统可提高系统的可靠性。断路器每隔一段时间（时间长短可调节）重合闸一次。如果重合闸的次数超过预定的次数，合闸仍不成功，则认为是永久性故障，闭锁重合闸回路。重合闸一次后不允许再重合的称为一次重合闸，允许再重合一次的称为二次重合闸（一般很少使用）。有了重合闸功能之后，在发生故障后，继电保护先不考虑保护整定时间，马上进行跳闸，跳闸后，再进行重合闸，重合后故障不能切除，然后再根据继电保护整定时间进行跳闸，此种重合闸为前加速重合闸。发生事故后继电保护先根据保护整定时间进行保护跳闸，然后进行重合闸，重合闸不成功无延时迅速发出跳闸命令，此种重合闸称为后加速重合闸。

五 框架保护

为了防止直流牵引供电设备内部绝缘降低时造成人身危险，每个牵引降压变电所内设置了一套直流系统框架泄漏保护装置，该保护包含反映直流泄漏电流的过电流保护和反映接触电压的过电压保护，而过电压保护还与车站的钢轨电位限制装置相配合，作为钢轨电位限制装置的后备保护。电流型框架保护通过检测直流设备对地的泄漏电流来触发保护动作。当直流设备绝缘发生变化,直流设备对柜体的泄漏电流达到整定值,电流型框架保护动作, 迅速跳开本站内所有的直流开关、交流侧进线开关及邻所向本区段供电的直流开关，并需由人工复归后方可重新合上开关。电压型框架保护通过检测直流设备框架对直流设备负极之间的电压来触发保护动作。由于电流型框架保护装置的阻抗很小,直流设备框架可看作直接接地,所以检测的电压相当于钢轨对地的电压。当直流设备内正极对外壳短路时,地电位升高,会在钢轨和地之间检测到一个电压,当这个电压大于整定值时, 电压型框架保护动作,同电流型框架保护相同, 跳开本站内所有的直流开关、交流侧进线开关及邻所向本区段供电的直流开关，故障排除后,需人工复归框架泄漏保护,断路器才能重新投入。

[参考文献]：

[1]郑瞳炽.城市轨道交通牵引供电系统[M].中国铁道出版社,2000.

[2]丘玉蓉.田胜利.地铁直流1500V开关柜框架泄漏保护探讨[J].电力系统自动化,2001(25).

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