地鐵直流牽引變電所的保護(hù)原理

1、共享知識(shí)分享快樂淺析地鐵直流牽引變電所的保護(hù)原理2009年04月04日 星期六03:55 0引言在我國(guó)，地鐵是城市公共交通的重點(diǎn)發(fā)展方向，設(shè)備國(guó)產(chǎn)化又是發(fā)展的主要原則 在地鐵直流供電繼電保護(hù)領(lǐng)域內(nèi)，國(guó)產(chǎn)保護(hù)設(shè)備還處于起步階段，目前，國(guó)內(nèi)主 要城市的地鐵直流保護(hù)設(shè)備均來(lái)自國(guó)外，例如廣州地鐵二號(hào)線選用的是德國(guó) Siemens公司的DPU96武漢輕軌選用的是瑞士 sechron公司的SEPCOS通過(guò)對(duì) 部分國(guó)外產(chǎn)品的研究，筆者認(rèn)為，直流保護(hù)設(shè)備的原理并不是十分復(fù)雜，功能實(shí)現(xiàn)在理論上也沒有任何障礙，希望通過(guò)本文的拋磚引玉，在將來(lái)的不久，能夠看 到國(guó)產(chǎn)的直流保護(hù)設(shè)備在我國(guó)甚至國(guó)際市場(chǎng)成為主流。1 一次系

2、統(tǒng)簡(jiǎn)介圖1顯示了一個(gè)典型的牽引變電所的電氣主接線圖，該所將主變電所來(lái)的交流高電壓（典型值：33kV）經(jīng)整流機(jī)組（包括變壓器及整流器）降壓、整流為直流 1500V,再經(jīng)直流開關(guān)柜向接觸網(wǎng)供電。我國(guó)上海和廣州地鐵的直流牽引供電系 統(tǒng)均是如此，北京地鐵采用的是第三軌受流器（上海和廣州地鐵則是架空接觸 網(wǎng)），其饋電電壓為750V。由于750V饋電電壓供電距離短、雜散電流大，現(xiàn)在 多采用1500M圖2顯示的是采用雙邊供電的上行接觸網(wǎng)的分區(qū)段示意圖（下行 亦相同），一個(gè)供電區(qū)由相鄰的2個(gè)牽引變電所同時(shí)供電，這種雙邊供電的方式 提高了供電的可靠性，同時(shí)分區(qū)段的方式使故障被隔離在某個(gè)區(qū)段以內(nèi)，而不致影響其它供

3、電區(qū)段，因而被廣泛采用。本文中所討論的保護(hù)原理均基于1500V架空接觸網(wǎng)雙邊供電方式。上口頁(yè)眉內(nèi)容圖1典型牽引變電所電氣主接線參考圖I.圖2雙邊供電接觸網(wǎng)分區(qū)段示意圖圖3短路電流與列車運(yùn)行電流示意圖2牽引變電所內(nèi)直流保護(hù)的配置牽引變電所內(nèi)的直流保護(hù)系統(tǒng)必須在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)快速、準(zhǔn)確地切除故障，同時(shí)又要避免列車正常運(yùn)行時(shí)一些電氣參數(shù)的變化引起保護(hù)裝置誤跳閘。后備保護(hù)的存在增加了故障切除的可靠性，同時(shí)也增加了與主保護(hù)配合的難度，所以保護(hù) 的配置也不宜過(guò)多。不同的牽引變電所其電氣特性不同， 運(yùn)行要求不同，所以保 護(hù)裝置的整定值不同，甚至保護(hù)的配置亦不相同。通常，牽引變電所內(nèi)的直流保 護(hù)安裝于開關(guān)柜中

4、，其可能的配置如下：A.饋線柜(圖1中對(duì)應(yīng)211, 212, 213, 214開關(guān)柜)：a.大電流脫扣保護(hù)(over-current protection );b.電流上升率保護(hù)(di/dt protection );c. 定時(shí)限過(guò)流保護(hù) (definite-time over-current protection )；d.低電壓保護(hù)(under-voltage protection );e.雙邊聯(lián)跳保護(hù)(transfer intertrip protection );f.接觸網(wǎng)熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)(cable thermal overload protection )；g.自動(dòng)重合閘(automat

5、ic re-closure )。B.進(jìn)線柜(圖1中對(duì)應(yīng)201, 202開關(guān)柜)：)；a. 大電流脫扣保護(hù)(over-current protectionb. 逆流保護(hù)(reverse current protection )。C.負(fù)極柜：a. 框架保護(hù)(frame fault protection )。D. 軌道電壓限制裝置a. 軌道電壓限制保護(hù)3 主要保護(hù)的原理牽引變電所內(nèi)的直流系統(tǒng)的故障形式主要有： 短路故障， 過(guò)負(fù)荷故障， 過(guò)壓故障等等， 最常見的也是危害最大的是短路故障。 從本質(zhì)上講， 短路故障有兩種類型，一種是正極對(duì)負(fù)極短路， 另一種是正極對(duì)大地短路。 所內(nèi)配置的多數(shù)保護(hù)都是為 了切

6、除前一種故障，框架保護(hù)則是為了切除后一種故障。對(duì)于前一種故障， 多數(shù)是由于架空接觸網(wǎng)對(duì)鋼軌短路所引起的， 短路點(diǎn)離牽引變電所的距離決定了短路電流的大小。 遠(yuǎn)端短路故障電流的峰值與列車啟動(dòng)時(shí)的電流峰值相近， 甚至小于該電流， 所以， 遠(yuǎn)端短路故障電流與列車啟動(dòng)電流的區(qū)分，是牽引變電所直流保護(hù)的難點(diǎn)。 另外， 列車受電弓過(guò)接觸網(wǎng)分段時(shí)， 也會(huì)有一個(gè) 峰值較高的電流出現(xiàn)。圖 3 是典型的近、 遠(yuǎn)端故障電流與列車受電弓過(guò)接觸網(wǎng)分段時(shí)的電流時(shí)間特性示 意圖。以下介紹牽引變電所內(nèi)的主要的直流保護(hù)的工作原理：3.1 大電流脫扣保護(hù)主保護(hù)， 與交流保護(hù)中的速斷保護(hù)類似， 用以快速切除金屬性近端短路故障。 這種

7、保護(hù)是直流斷路器內(nèi)設(shè)置的固有保護(hù)， 沒有延時(shí)性， 它通過(guò)斷路器內(nèi)設(shè)置的脫扣器實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)通過(guò)斷路器的電流超過(guò)整定值時(shí)， 脫扣器馬上動(dòng)作， 使斷路器跳閘。一般來(lái)說(shuō)， 該保護(hù)的整定值要通過(guò)計(jì)算和短路試驗(yàn)得出， 整定值要比最大負(fù)荷下列車正常啟動(dòng)的電流大，也要比最大短路電流小。3.2 電流上升率保護(hù)廣泛使用的中遠(yuǎn)端短路主保護(hù)， 它在多數(shù)情況下能正確區(qū)分列車正常運(yùn)行電流和中遠(yuǎn)端短路電流，主要用于切除大電流脫扣保護(hù)不能切除的故障電流較小的中、遠(yuǎn)端短路故障，其工作原理如下：電流上升率保護(hù)觸發(fā)的條件是唯一的，即當(dāng)電流的變化率di/dtA ， A 是電流上升率的定值。 滿足觸發(fā)條件di/dtA 時(shí)， 電流上升率保

8、護(hù)啟動(dòng) （該時(shí)刻記為 t ）該保護(hù)啟動(dòng)后，產(chǎn)生跳閘的條件只要在以下兩個(gè)條件中滿足任意一個(gè)即可：1經(jīng)過(guò)時(shí)間T1 后， di/dt 仍然大于 B；1.1 過(guò)時(shí)I可 T2 后，A IL , A I=I t+T2 It；如圖3，在t 時(shí)刻，列車受電弓過(guò)接觸網(wǎng)分段后重新與接觸網(wǎng)連接，此時(shí)電流的絕對(duì)數(shù)值 I t 較小，而 di/dt 由于充電效應(yīng)則較大，短路電流和列車運(yùn)行電流均可滿足啟動(dòng)條件， 但經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)难訒r(shí)后， 對(duì)于列車運(yùn)行電流來(lái)講， 由于充電效應(yīng)維持的時(shí)間很短， 電流已經(jīng)經(jīng)過(guò)了一個(gè)從很小到數(shù)倍于正常電流， 再到正常電流的過(guò)程，此時(shí)，di/dt通常是負(fù)值，AI也很小，所以出發(fā)跳閘的條件一個(gè)也不滿足，電

9、流上升率保護(hù)返回；對(duì)于短路電流來(lái)講，此時(shí)，短路仍然存在，只要距離不是非常遠(yuǎn)，通常一定滿足條件1 和 2，致使保護(hù)跳閘。單列列車t時(shí)刻啟動(dòng)時(shí)，可能di/dtA,保護(hù)啟動(dòng)，但經(jīng)過(guò)時(shí)間Ti后，di/dtB , AIL,保護(hù)自動(dòng)返回。值得注意的是，定值T1、T2、A、B、 L 的選取非常重要，它決定了保護(hù)動(dòng)作的正確性和快速性。3.3 定時(shí)限過(guò)流保護(hù)電流上升率保護(hù)的后備保護(hù)，通常該保護(hù)的電流整定值Idmt 較小，一般按饋線最大負(fù)荷考慮 ，以達(dá)到切除遠(yuǎn)端短路故障的目的，其動(dòng)作延時(shí)Tdmt 也較長(zhǎng)，以避開列車啟動(dòng)的時(shí)間，廣州地鐵二號(hào)線牽引供電系統(tǒng)中該保護(hù)設(shè)計(jì)的 Idmt 為3000A,延時(shí) Tdmt 為 3

10、0 秒。當(dāng)電流第一次超過(guò)定值時(shí)，保護(hù)啟動(dòng)，在延時(shí)Tdmt 的時(shí)間段內(nèi)電流一直超過(guò)定值，可認(rèn)為是短路電流，觸發(fā)跳閘，如果中間任一時(shí)刻電流沒有超過(guò)定值，保護(hù)自動(dòng)返回，等待下次啟動(dòng)。3.4 低電壓保護(hù)其作用和定時(shí)限過(guò)流保護(hù)一樣， 作為電流上升率保護(hù)的后備保護(hù)， 一般與其它保護(hù)形式互相配合， 不作為單獨(dú)的保護(hù)使斷路器調(diào)跳閘。 它的整定值Umin 及延時(shí)Tdmt必須列車正常運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行情況互相配合， 應(yīng)考慮最大負(fù)載下列車的啟動(dòng)電流和啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間，還要考慮在一個(gè)供電區(qū)內(nèi)多部列車連續(xù)啟動(dòng)的情況。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，直流輸出電壓迅速下降很多，當(dāng)輸出電壓Uin,保護(hù)啟動(dòng)，在一定的延時(shí)時(shí)內(nèi)輸出電壓一直保持Ain,則

11、低電壓保護(hù)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。3.5 雙邊聯(lián)跳保護(hù)對(duì)于采用雙邊供電的接觸網(wǎng) , 它是廣泛使用的一種保護(hù)手段，正如上文所介紹，在一個(gè)供電區(qū)內(nèi)的接觸網(wǎng)由兩個(gè)變電所對(duì)其供電的， 當(dāng)其中一個(gè)所的直流饋線斷路器因?yàn)槟承┍Ｗo(hù)跳閘的同時(shí)， 還會(huì)發(fā)出聯(lián)跳指令， 使為同一個(gè)供電區(qū)供電的直流饋線斷路器都跳閘。它能切除故障電流特別小的遠(yuǎn)端短路故障， 跳閘命令是由感知到較大近端短路故障電流的相鄰站發(fā)出的。只要給一段接觸網(wǎng)供電的兩個(gè)牽引站有一個(gè)正確跳閘，另一個(gè)立刻也會(huì)跳閘，因而可靠性很高，確保滿足GB50517-92的第8.2.21 條“在事故狀態(tài)下接觸網(wǎng)短路電流的保護(hù)，應(yīng)保證單邊供電接觸網(wǎng)區(qū)段一條饋線的開斷和雙邊供電接觸網(wǎng)

12、區(qū)段兩條饋線的開斷”。 雙邊聯(lián)跳保護(hù)的原理如下：圖2顯示了一條接觸網(wǎng)的兩段，左邊一段由牽引變電所 A和B（簡(jiǎn)稱A站和B站, 下同）供電，右邊一段則由B站和C站供電，當(dāng)短路點(diǎn)發(fā)生在靠近A站的c位置 時(shí)，A站的大電流脫扣保護(hù)首先動(dòng)作，而 B站則由于短路電流小等因素，大電流 脫扣和 di/dt 等保護(hù)均無(wú)法動(dòng)作， 位于 A 站的雙邊聯(lián)跳保護(hù)則發(fā)出聯(lián)跳命令，將B站的213開關(guān)跳開。當(dāng)B站退出運(yùn)行時(shí)，則B站越區(qū)隔離開關(guān)2133合上，雙 邊聯(lián)跳保護(hù)根據(jù)B站2133的位置判斷另一端是由C立213開關(guān)供電，跳閘的對(duì) 象則為C站213開關(guān)。3.6 框架保護(hù)框架保護(hù)適用于直流設(shè)備的正極對(duì)機(jī)柜外殼 （與大地相連）

13、或接觸網(wǎng)對(duì)架空地線短路時(shí)的情況。如圖 4 所示，在正常無(wú)短路狀態(tài)下，鋼軌（負(fù)極）與地的絕緣良好，幾乎沒有漏電流通過(guò) A 點(diǎn)，當(dāng)故障f1 發(fā)生時(shí)，即直流設(shè)備的正極對(duì)機(jī)柜外殼短路時(shí)，故障電流If1由正極通過(guò)A點(diǎn)，經(jīng)泄漏電阻Ri回流至負(fù)極，框架保護(hù)檢測(cè)位于A點(diǎn)的機(jī)柜外殼對(duì)地的漏電流I f1 ，超過(guò)整定值則迅速動(dòng)作。通常，在地和負(fù)極之間還安裝一個(gè)排流柜，當(dāng)排流柜投入運(yùn)行時(shí)，其等效電阻值遠(yuǎn)小于Rl ， I f1 大大增加，這樣，即使鋼軌（負(fù)極）與地的絕緣非常良好，泄漏電阻Rl 非常大，由于排流柜提供了漏電流I f1 的通道，大大提高了框架保護(hù)動(dòng)作的靈敏性。當(dāng)故障 f2 發(fā)生時(shí)，即接觸網(wǎng)與架空地線發(fā)生短路

14、時(shí)，由于 A 點(diǎn)離故障點(diǎn)較遠(yuǎn)，故漏電流較小， 檢測(cè) A 點(diǎn)漏電流不能檢出故障， 此時(shí)框架保護(hù)檢測(cè)外殼和負(fù)極之間的電位差。在正常無(wú)短路狀態(tài)下，外殼和負(fù)極之間的電位差很小，故障f2 發(fā)生時(shí)電位差迅速變得很大， 框架保護(hù)可以迅速動(dòng)作。 而對(duì)于正極對(duì)機(jī)柜外殼短路的情況，若未投入排流柜，鋼軌（負(fù)極）與地的絕緣亦很好，漏電流可能不足以啟動(dòng)框架保護(hù)，但電壓檢測(cè)元件則可使之迅速動(dòng)作。通常，電流檢測(cè)元件作為框架保護(hù)的主保護(hù)，電壓檢測(cè)元件作為后備保護(hù)。框架保護(hù)動(dòng)作的結(jié)果是： 迅速跳開本站內(nèi)所有的直流開關(guān)、 交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)及鄰所向本區(qū)段供電的直流開關(guān)，并需由人工復(fù)歸后方可重新合上開關(guān)；3.7 軌道電壓限制保護(hù) 軌電

15、位限制裝置控制一控制原則 規(guī)電軌電位限制裝置的控制分兩種， 一種是通過(guò)檢測(cè)軌道電壓實(shí)現(xiàn)，另一種是通 過(guò)人工施加試驗(yàn)電壓實(shí)現(xiàn)，如下圖：正常運(yùn)行，軌電位限制裝置檢測(cè)軌道和大地之間的電壓，該電壓經(jīng)過(guò)V11模塊整流后施加給R10;而人工施加的試馬電壓，是通過(guò) S24旋紐把交流220V電壓經(jīng) 過(guò)V12整流模塊整流后施加給 R1Q F21、F22繼電器分別檢測(cè)R10上的電壓，當(dāng) 該電壓上升到92V時(shí)，經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)（0.5秒），F(xiàn)21繼電器動(dòng)作，發(fā)出合閘 命令；當(dāng)電壓上升到150V時(shí)，F(xiàn)22繼電器動(dòng)作，發(fā)出合閘命令。由 F21繼電器 動(dòng)作使斷路器合閘的方式我們稱為“一段動(dòng)作（U? ”，由F22繼電器動(dòng)作使

16、 斷路器合閘的方式我們稱為“二段動(dòng)作 （U? o、控制過(guò)程1 .合閘附箱器am幡器門同HQV/MAI 6/rt*t j合閘的原則是想盡辦法讓合閘繼電器 K02受電，使由它驅(qū)動(dòng)得斷路器合閘線圈得 電，從而使斷路器合閘。正常運(yùn)行時(shí)，斷路器處在“分閘”位置， K01繼電器的常閉接點(diǎn)（1、2）閉合， 使K83繼電器受電，它的常開接點(diǎn)（15、18）接通。因此當(dāng)F21繼電器延時(shí)動(dòng)作 后，11、14這對(duì)接點(diǎn)接通，使合閘繼電器 K02得電，斷路器合閘。當(dāng)繼電器F22 動(dòng)作后接通11、14接點(diǎn)，也能使斷路器合閘。但是，它們之間有一定的區(qū)別：如果是因?yàn)镕21動(dòng)作從而使斷路器合閘，那么延 時(shí)10秒后斷路器會(huì)自動(dòng)分閘

17、，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)反復(fù)三次，斷路器合閘不再分開； 如果是因?yàn)镕22繼電器動(dòng)作從而使斷路器合閘，此時(shí)F22會(huì)閉鎖分閘回路，使 斷路器不會(huì)延時(shí)分開。斷路那分“那黨蹄器仆修侃特時(shí)剛2 .分閘斷路器分閘的原則是使分閘繼電器 K01受電，使由它驅(qū)動(dòng)的斷路器分閘線圈得 電，從而使斷路器分閘。當(dāng)斷路器合閘后，斷路器的輔助接點(diǎn)（S1的23、24）閉合，使繼電器K81受電， 經(jīng)過(guò)10秒的延時(shí)后，繼電器動(dòng)作，該繼電器的 15、18接點(diǎn)閉合，而繼電器K84 的常閉接點(diǎn)接通，因此分閘繼電器 K01受電，使斷路器分閘。3 .8接觸網(wǎng)熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)接觸網(wǎng)熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)，其保護(hù)的目的是消除熱過(guò)負(fù)荷故障，而非短路故障，其工 作原理

18、主要是根據(jù)接觸網(wǎng)的電阻，接觸網(wǎng)上流過(guò)的電流，計(jì)算出接觸網(wǎng)的發(fā)熱量， 從而再根據(jù)接觸網(wǎng)的熱負(fù)荷特性及環(huán)境條件推算出接觸網(wǎng)的電纜溫度。當(dāng)測(cè)量的電纜溫度超過(guò)T alarm給出報(bào)警，超過(guò)T trip則跳開給該接觸網(wǎng)供電的直流開關(guān)。開 關(guān)跳開后，電纜逐漸冷卻，當(dāng)溫度進(jìn)一步下降，低于Tre-,則重新合上直流開關(guān)。圖5給出了接觸網(wǎng)熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作的時(shí)序圖圖4正極對(duì)地短路故障示意圖圖5接觸網(wǎng)熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作時(shí)序圖4存在的問題4.1 關(guān)于多輛列車短時(shí)間內(nèi)相繼啟動(dòng) 在接觸網(wǎng)的同一供電區(qū)段內(nèi)，若在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)兩輛 /多輛列車相繼啟動(dòng)，第一 輛列車啟動(dòng)引起電流上升率保護(hù)或定時(shí)限過(guò)流保護(hù)啟動(dòng)，而另一輛列車的啟動(dòng)恰 巧引

19、起電流上升率保護(hù)或定時(shí)限過(guò)流保護(hù)跳閘，這種可能性在理論上是存在的。至于解決的方案，英國(guó)ENOTRAC司的觀點(diǎn)認(rèn)為，人工智能或神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)可能是 最佳的解決辦法，具體的實(shí)施方法尚不得而知。4.2 關(guān)于小電流短路故障 小電流短路故障主要是由于故障點(diǎn)距離牽引所很遠(yuǎn)， 或者，短路點(diǎn)的電弧大引起 電阻也增大。兩者皆可導(dǎo)致以上介紹的各種保護(hù)均無(wú)法正確動(dòng)作。 當(dāng)短路點(diǎn)靠近 其中一端的牽引所時(shí)，近端短路電流往往較易檢測(cè)，近端牽引所跳開本所開關(guān)并 聯(lián)跳鄰所開關(guān)；但若短路點(diǎn)位于相鄰兩個(gè)牽引所中間的接觸網(wǎng)上， 可能發(fā)生兩個(gè) 牽引所的保護(hù)均無(wú)法檢測(cè)小電流短路故障的問題。 對(duì)于兩個(gè)牽引所距離太遠(yuǎn)的情 況，可以從設(shè)計(jì)上避免；而對(duì)于大電弧的情況，筆者認(rèn)為需要對(duì)電弧的特性進(jìn)行 大量的研究，從而給帶電弧的電流建立精確的數(shù)學(xué)模型， 使其能夠正確地被保護(hù) 裝置所識(shí)別。4.3 關(guān)于框架保護(hù)的選擇性它易于感知，卻無(wú)法象大電流短路故障那樣框架保護(hù)面臨的是小電流接地故障, 易定位。 如圖 1 所示， 當(dāng)接地點(diǎn)位于整流器出口的 A 位置時(shí)， 只需要跳開交流進(jìn)線開關(guān)105和直流進(jìn)線開關(guān)201即可；當(dāng)接地點(diǎn)位于B位置時(shí)，只需要跳開所有 直流開關(guān)；當(dāng)接地點(diǎn)位于C位置時(shí)，只需要跳開直流饋線開關(guān)214并聯(lián)跳右鄰站 的直流饋線開關(guān)213(如圖2)。但由于框架保護(hù)的電壓和電流檢