（电力系统及其自动化专业论文）地铁直流馈线保护研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs u b w a y ，i ti sn e c e s s a r yt oc o n s u n t m a t et h e p r o t e c t i o nf o rd c t r a c t i o np o w e r s u p p l ys y s t e m b u t i ti sv e r yl a t et od e v e l o pt h i s k i n do f p r o t e c t i o na n dt h e r ei sn om a n u f a c t u r e rw h i c hh a st h ea b i l i t yt om a k e i ti n c h i n a s od e v e l o p i n gt h ed cf e e d e rp r o t e c t i o no fs u b w a yi sn e e d e d f r i s t l y , a c c o r d i n gt o t h en o n - l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so ft w e l v e - p h a s er e c t i f i e r , t h et h e s i s g i v e st h ec a l c u l a t i o n m o d e lf o ras h o r tc i r c u i ti nt h es u b w a yt r a c t i o np o w e r s u p p l y n e t w o r k sw h i c hp r o v i d e st h ea c a d e m i cf o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g no f t h es e t t i n g v a l u e sa n dt h es i m u l a t i o no f p r o t e c t i o n s e c o n d l y , t h et h e s i sd e s i g n st h ed c f e e d e rp r o t e c t i o na n dc o n t r o lo f s u b w a y , a n d g i v e s t h e p r i n c i p l e o f s e t t i n ga c c o r d i n g l y , a f t e r i t a n a l y s i z e s t h e c h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i cc u r r e n tu n d e rt o wl o a da n ds h o r tc i r c u i ta n dc o n s i d e r s s e v e r e lf a c t o r s t ov a l i d a t et h er a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g n ，t h et h e s i ss i m u l a t e st h e t r a n s i e n te l e c t r i ec u r r e n tu n d e rt w ow o r kc o n d i t i o n s ( s t a r t i n ga n dp a s s i n gt h e i n s u l a t i o n ) a h ds h o r tc i r c u i t t h er e s u l t so f s i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ed e s i g ni s r a t i o n a l a tl a s t ，t h et h e s i sd e s i g n st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ep r o t e c t i o n b e c a u s et h ef e e d e rs h o r tc i r c u i tc u r r e n to fs u b w a yi sv e r yg r e a t , t h ep l u g i n b o a r d so fi n p u ta n do u t p u ta r ed i f f e r e n tf r o mt h ea cf e e d e rp r o t e c t i o n a f t e r a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h et w op o p u l a ri n p u tc o m p o n e n t s ，t h et h e s i sc h o i c e s t h es h u n t i na d d i t i o n ，t h et h e s i sg i v e st h eo r i g i n a ld e s i g no fo u t p u tp l u g i nb o a r d i nt h ep a r to fs o f t w a r et h et h e s i sp r e s e n t sa na l g o r i t h mt oe l i m i n a t et h ei n f l u e n c e o f t h ee x i s to f l o wh a r m o n i cw a v et ot h er a t e - o f - r i s ep r o t e c t i o ni nt h es h o r tc i r c u i t c t w r e n t b ys i m u l a t i o n ，i ti sp r o v e dt h a tt h ea l g o r i t h mc a n m e e tt h ed e m a n da n d t h ee r r o ri sq u i t es m a l l k e y w o r d s ：s u b w a y t r a c t i o np o w e rs u p p l y ，p r o t e c t i o nf o rs u b w a yf e e dl i n e ， s i m u l a t i o no f t h ep r o t e c t i o n ，d cb r e a k e r ，a l g o r i t h m 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 自1 8 9 3 年伦敦建成第一条地铁线路至今已有1 1 0 多年的历史。初步统计， 目前世界上3 5 个国家和地区近8 0 个城市已修建了地铁，线路总长度达5 0 0 0 多公里。我国地铁将有很大的发展，北京、天津、上海、广州、深圳、南京、 沈阳、长春、哈尔滨、青岛、大连、重庆、武汉、杭州、合肥等1 5 个城市已有、 在建或计划发展城市轨道交通c t ，。地铁的大力发展以及技术的不断更新，势必 要求研制更加完善的直流保护以跟上时代的步伐。 1 1 地铁牵引供电概述 地铁以直流电力作为牵引动力，相对于交流供电而言，直流供电具有调速 范围大而且方便、易于控制、牵引网结构简单、电压质量高、投资较节省等优 点。 根据i e c 标准，近年来各个国家和地区修建的地铁均采用两种供电制式： d c 7 5 0 v 三轨和d c l 5 0 0 v 架空接触网。 1 1 1d c 7 5 0 v 三轨制式 地铁的传统供电方式是三轨方式，第三轨由离导电率的特殊软钢制成，沿 线路平行架设于轨道的外侧。地铁车辆的受流靴与其接触受电。这种制式的历 史悠久，在国内外应用较广泛，如前苏联、一些东欧国家、法国、新加坡等以 及我国的北京和天津地铁就采用的这种方式m 。 1 1 2d 0 1 5 0 0 v 架空接触网制式 由于采用了较高的供电电压，使接触网的馈电电流降低，从而便于采用架 空接触网的型式来输送电流，也相应地改善了受流环境，提高了受流质量。架 空接触网广泛应用于国铁、城市有轨及无轨电车、工矿企业的电气化有轨运输 以及进入七十年代以后修建的城市地铁中，如日本、韩国、香港及我国上海和 广州地铁就采用该种供电方式“，。 由于电气特性方面d c l 5 0 0 v 系统有较明显的优势，并且安全性较好，近年 d c l 5 0 0 v 架空接触网制式在一些国家的地铁建设中应用较多，可以说这种制式 近来发展较快，代表了地铁供电系统的发展趋势“”。因此，本文主要针对该 制式。 1 2 直流牵引系统保护的概况 为保证列车安全运行，直流牵引供电系统的安全可靠运行至关重要。在保 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 证牵引供电系统安全可靠地向列车供电方面，直流牵引供电系统的保护发挥了 极其重要的作用，一方面在正常运行状态下，能满足牵引列车的要求，另一方 面在直流牵引供电系统发生故障的情况下，能有选择地迅速切除故障，以保证 列车、设备和旅客的人身安全。 1 2 1 保护原理 直流牵引系统保护因地铁牵引供电系统的不同而不同。最初的地铁供电系 统一般是第三接触轨供电方式，由于供电电压为真流7 5 0 v ，供电距离较短但回 路电阻相对较大，短路电流较小，有时会存在很难区分短路电流与列车牵引负 荷电流的情况。早期直流保护系统缺少性能优越的保护装置，多采用继电式保 护装置，一般仅设电流速断和过电流保护装置来切除故障。当车辆密度大时， 可能出现最大负荷电流大于末端短路电流或两者相接近，故这种保护装置的效 果往往不理想，为了解决上述问题，一种方法是增加双边联跳保护。因为直流 牵引系统正常情况下采用双边供电，当双边供电回路上出现故障时，往往相对 于菜一侧的牵引变电所为近端故障，短路电流较大，很容易使电流保护动作， 而对于另一侧为远端故障，其短路电流往往不能引起直流断路器跳闸。若采用 了双边联跳保护，则另一侧的直流断路器也会立即跳闸；另一种方法是采用双 边联跳保护与低电压保护相配合。因为发生短路情况会引起直流电压下降，这 样当电流较大而过电流又不能动作时，低电压保护可以做为上述保护的后备保 护，我国北京、天津地铁采用上述保护配置。 由于现在多采用架空接触网牵引供电系统，其供电电压为1 5 0 0 v ，短路情 况与7 5 0 v 三轨供电系统不同。在牵引变电所近端发生故障时，短路电流很大， 电流速断和过电流保护装置可以切断故障。但是，当故障发生在中远端时，由 于线路阻抗变大，短路电流相对变小电流速断和过电流保护可能不会动作， 目前一般采用能反映故障电流上升率和电流增量的保护装置来使断路器跳闸。 1 2 2 实现方式及国内外现状 过去的保护多为继电式和晶体管式，它们的可靠性和灵敏性，越来越不能 满足地铁供电的安全可靠性要求。而微机保护装置因具有下列优点”1 ， ( 1 ) 维护调试方便 ( 2 ) 可靠性高 ( 3 ) 易于获得附加功能 ( 4 ) 灵活性大 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 5 ) 保护性能得到很好改善 而受到用户的青睐。另外，计算机软件、硬件日新月异，现在国内电铁微机保 护采用的3 2 位微机处理机，主频可达4 0 m h z ，技术日趋成熟，功能更加完善， 为研制小型、可靠性更高的微机直流保护奠定了基础。目前研制的直流牵引系 统保护装置多采用微机保护，其中不乏较成熟的保护产品，如s i e m e n s 和 a d t r a n z 公司研制的保护。它们的主保护均为d i d t 一i 保护，分延时和瞬时 跳闸两部分，利用单独的电流上升率( d i d t ) 保护和电流增量( i ) 保护的 特点，将两者结合，这样该保护不仅判别电流上升率大小，而且判别电流增量 大小，分辨能力强，灵敏度高。当近端短路时，d i d t 和i 都较大，保护瞬 时跳闸，当末端短路时，d i d t 和i 虽小，但短路电流持续时间长，故通过 延时跳闸可分辨出故障，从而防止了保护误动。 s i e m e n s 公司研制的直流馈线保护由跳闸单元、宣流断路器、分流器、直 流变换器和电容控制的脱扣器几部分组成。其中跳闸单元3 u b 6 1 是保护的核心 部分，它包括4 块电子电路板( 电源模扳、跳闸电压和跳闸模板、信号评价模 板以及显示、存储和报告模板) ，电路板满足“欧洲”标准，尺寸为1 0 0 m m * 1 6 0 m m 。 电路板插入一个塑料机箱中，通过背板的插接器进行相互连接。背板安装在较 低的位置，有个独立的接线区，断子排与电源、直流断路器和直流变换器相 连接。模板上有标识，些模板上有指识灯和整定拨轮数字，当机箱关闭后， 可以通过玻璃前盖板观察模板情况”。其保护配置如下： 电流上升率保护( d i d t 一i ) 大电流脱扣保护 热力过负荷保护 双边联跳保护 框架泄漏保护 a d t r a n z 公司研制的直流牵引网保护( g e e ) ，将保护与控制集于一体，包 括以下三个功能模块：相关馈线区段的保护、馈线控制、与操作和现场总线的 通讯“。其保护配置如下： 电流速断保护 定时限过电流保护 热力反时限保护 电流上升率保护 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 框架泄漏保护 双边联跳保护 我国广州地铁采用的是s i e m e n s 公司的直流保护产品，上海明珠线采用的 是a d t r a n z 公司的保护产品。经现场运行反映，上述两种保护产品基本可靠， 偶尔有误动现象。 另外，日本也有直流微机保护产品，它的主保护采用电流增量保护和双边 联跳保护相配合“1 。据日本现场运行反映，此保护基本满足要求。 我国宜流牵引系统保护的研制起步较晚，目前还没有个生产厂家具有开 发和生产的能力。国内在此领域曾作过一些工作，主要进展如下： ( 1 ) 基本搞清了保护的配置，也开发了一些样机 ( 2 ) 有些厂家正在启动仿制 目前存在的主要困难是：一般直流保护与直流快速开关作成整体，而直流 快速开关尚未国产化，难于找到很好的配套厂家；另外，缺乏大量的现场实测 数据来检验所提原理和研制的保护的可行性。但直流快速开关国产化的步伐有 了长足发展，如西安电力整流器厂现以深圳地铁工程为依托，计划与f k i 公司 合作，通过组装、技术引进、消化吸收等形式，逐步实现直流快速开关的国产 化；西安电器设备镱4 逸厂，现利用自身的技术优势以及积累的经验，正在加速 d s l 8 地铁直流快速开关的试制工作；上海立新电器厂。也正在利用最新掌握的 新技术，积累组织力量，准备以瑞士s e c h e r o n 的u r 4 0 为基础，开发研制新型 的直流快速开关”。可见，成熟的国产直流微机保护的出现为期不远了。 1 3 本文所做的工作 由于目前国内地铁直流馈线保护不是很成熟，理论和现场资料相对来说比 较少，并且本人水平有限，论文所做工作如下： 1 由于直流牵引网故障时短路电流计算，是变电所设备选择、保护设计和 运行分析的重要依据，所以在查阅了相关资料后，在介绍地铁供电系统的结构 和整流机组外特性的基础上，给出了地铁直流牵引网短路电流的计算方法。 2 对地铁直流馈线保护进行配置，给出相应的整定原则，并针对某一地铁 供电系统进行了仿真。本文地铁直流馈线保护配置如下：大电流脱扣保护( 开 关自带) 、电流上升率保护、热力过负荷保护、双边联跳保护和框架泄漏保护。 3 对地铁直流馈线保护硬件进行了设计，重点放在输入插件和出口插件的 设计上。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 4 考虑地铁馈线电流中的低次谐波对电流上升率保护的影响，设计了个 算法，对采样数据进行处理，并利用l a b w i n d o w c v i 对算法进行了验证；解决 各种保护的软件实现问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章地铁直流牵引网短路计算 直流牵引网故障时的短路电流计算，是变电所设备选择、保护设计和运行 分析的重要依据。直流系统短路电流计算，和电力系统与交流供电网阻抗参数、 整流机组参数与外特性以及牵引网阻抗( 电阻) 等有关。因此本章在介绍直流 牵引变电所主结线构成及十二相机组外特性的基础上，给出直流牵引网故障时 的短路电流计算，为后面保护的设计奠定基础。 2 1 直流牵引变电所主结线构成 牵引、降压混合直流变电所典型主结线图如图2 一l 。交流侧电源进线设有 两回路互为备用的独立电源电缆线，每路电源容量应满足车站两个变电所( 牵 引、降压混合所和降压所) 全部一、二级负荷的要求。正常运行时两路进线同 时为两段母线连接的负荷供电，进线断路器均为合闸，母线分段断路器( 或电 动刀闸) 断开。当任一电源进线发生故障而断路时，则由自动装置动作使母线 分段断路器合闸，整个变电所主要由另一电源进线供电。高压汇流母线采用断 路器或电动刀闸分段，有利于母线维修和任一电源进线故障时电路转换的灵活 性。 交流高压配电回路设有两台并联工作的整流机组r c t ，两台动力变压器 s b l 、s b 2 分别连接于分段汇流母线的两段上。高压断路器柜采用手车式真空断 路器、金属全封闭开关柜。 直流侧系统主结线，包括从整流机组的直流输出至直流正母线的电路、回 流线、负母线和整流器阳极连接电路，以及从直流母线馈出的馈线电路等。每 台整流机组的直流输出通过直流快速开关1 g d l 、2 g o l 与正母线相连，其作用是 当任一整流机组和母线之间发生短路故障时，由直流快速开关动作跳闸以保护 机组，此时并使全部馈线快速开关联锁跳闸，切断相邻牵引变电所通过按触轨 ( 网) 向故障点馈出故障电流的电路。从正母线馈出的馈电线也设有快速开关 g d l 作为接触网短路的保护。直流快速开关为手车式结构，装在直流开关柜中。 直流负母线通过负极开关柜的隔离开关与整流器阳极相连。它同时经回流线电 缆和走行轨或专用的回流轨相连m 。 2 2 十二相整流机组的外特性口】【8 1 整流变压器整流器机组是完成降压、把三相交流电变成多相交流并转 换为直流电能的重要设备。整流机组从提高变压器的利用率、减小注入电网谐 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 图2 - 1 牵引、降压混合变电所典型主结线图 r c t 一整流机组； g dl 快速开关：d y h 一直流电压变压器：s b - - 波含量两方面考虑，经济而有效的方法是在三相桥式整流电路的基础上增加整 流相数。为此，用三相桥式整流电路构成十二相脉动整流或等效十二相整流的 接线方式，目前获得了广泛应用。 整流机组的外特性，是指直流输出端电压随着其负荷( 或短路) 电流变化 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 的关系曲线，星非线性特性。其外特性不仅与电源、供电系统的阻抗参数和整 流变压器的阻抗电压有关，而且与整流器特性及其整流接线方式、有无平衡电 抗器，以及整流时的换相角y 等因素有关，其中如变压器等的电抗压降在输出 直流增大情况下并非线性变化的。因此，要精确绘出不同运行或故障状态下的 整流机组外特性曲线是非常复杂的。 下面给出常用的双三相桥式带平衡电抗器并联整流电路的外特性曲线。在 实用计算分析中，经研究经验证明，可采用分段线性化处理方法，由三段线性 直线取代非线性特性曲线，可满足实际工程设计、运行分析中对计算精度的要 求。该整流电路外特性曲线及分段线性处理如图2 2 所示，对线性特性的考虑 原则及其表达式分析讨论如下。 u 曲 比 o 图2 - 2 双三相桥式整流电路外特性曲线 i 、i i 、i i i 一线性化特性童线段；u 。一额定直流电压； i 。出口处最大短路电流 首先设电源、供电系统及牵引变电所交流侧的归算总等值电抗( 每相) 为 x 。交流系统的总归算电阻( 每相) 为，考虑在不同运行状况( 取流大小或 不同短路故障位置) 下的直流系统总电阻为氐( 含牵引网、馈电线与回流线电 阻) ，整流换相角y 的变化用不同的等值系数表征。则整流器外特性主要由上述 诸因素在换流过程中引起的直流电压降所决定。若将不同运行状况区分为三个 线性区，在此区域内外特性可认为是线性变化或近似线性变化的。 1 直流输出端电压、电流处于第1 线性区内。此时回路中交流每相总等值 电阻之和，同交流每相等值电抗与平衡电抗器之和两者的比值应满足 ( r 。+ r 。) ( x 。+ 墨) 2 8 6 5 ，且换相重叠角y 6 0 。，相当于负荷运行或远点短路， 则电压u 。、电流i 。间的线性关系可表达为 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 u 。= u 。一u 。= u 一 u + ( 二x 。+ r 。+ r 。) i d ( 2 一1 ) u d l = u 。+ ( 二x 。+ r 。+ r 。) i d ( 2 - 2 ) 式中，u 。u 。一分别为直流空载电压和通过直流电流后产生的电压降( v ) x 。i 。一由电源供电系统电网、整流变压器等每相电抗归算后的总等 值电抗引起的直流电压降，二为计入换相角y 影响的系数 ki 。一交流系统归算至直流侧的等值电阻( ) 引起的直流电压降 r 。i 。一接触网、馈电线等直流回路产生的电压降 u - 一桥路串联整流元件的正向电压降和动态电阻压降( 可视为不变) 2 直流输出端电压、电流处于第1 i 线性区内。其应满足的参数条件为 0 9 5 5 ( r 。+ k ) ( x 。+ 坼) 6 0 4 和y 6 0 。情况下) 分别取k 为1 4 3 5 ，k m 为3 1 6 5 4 。r a 为整流器回路直至母线的连接电阻。 4 按计算得到的k 、k 2 值和y ，、y ：角大小，分别从前面的( 2 - 1 ) 式至( 2 - 4 ) 式的计算式中找出对应的整流器机组外特性线性区不同短路电流计算式，代入 k l 、k 2 中有关参数，即可求出故障时每个变电所流出的稳态电流i 。i 。 5 两变电所故障线路及其馈线的短路电流( 它们用来进行快速开关和保护 整定，后面一章要用到此短路电流来进行保护整定) ，可按下式得到 ，一每+ 与半 z 一等+ 等 且id= i 。+ i 当考虑电弧电阻r ，时，可按公共电阻r 。相同的方法处理， 一并( 两者相加) 计算。 ( 2 - 1 4 ) ( 2 一1 5 ) ( 2 1 6 ) 或r f 归入r q 中 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第3 章地铁馈线保护与控制 3 1 地铁牵引负荷和牵引网短路电流的特点 地铁牵引负荷电流的大小及其变化速率都随时间而变化。当机车类型和牵 引位置等不同时，负荷电流幅值以及最大变化速率也各不相同。负荷电流的最 大变化率多在列车起动时。短路电流也由于短路点距离变电所的远近不同，它 的幅值、变化牢和上升时间常数也各不相同。 地铁牵引负荷和故障短路电流的比较可归纳以下几点“o ”“”： 1 列车瞬时起动电流和故障电流都可近似表示为指数函数。即 i i = 1 - ( 1 一er ) ，其中i 为电流最终的稳态值，t 为时间常数。 2 当直流馈线距离长，车辆密度大时，有可能出现最大负荷电流大于或等 于末端短路电流。 3 一般短路电流变化率大于负荷电流变化率( 包括起动电流) ，但远端故 障电流变化率和列车起动时最大电流变化率相接近。当直流馈线很长时，还有 可能出现末端短路故障变化率小于负荷电流变化率的情况。 4 一般中远端故障电流变化率持续时间大于列车起动时电流变化率持续时 间。 5 一般末端故障电流瞬对跳跃量大子机车起动瞬时跳跃量，当线路长时， 也可能相反。 3 2 直流保护系统的设计应考虑的因素 直流保护系统的设计应考虑以下几个因素“1 ： 1 直流保护系统应充分考虑到各种保护间的相互配合关系，以保证在直流 系统发生短路故障时。能可靠地切除故障 2 直流保护系统应保证在列车正常运行时，不会误跳闸而影响列车的正常 运行。包括列车起动时的影响( 起动电流、时间以及引起的短时电压下降) ，列 车避接触网分段时的冲击电流的影响。 3 直流保护系统应充分考虑某些特殊故障形式下的保护，如接触网与架空 接地线的短路，接触网与隧道内的电缆支架，接触网与屏蔽门的短路等故障。 直流牵引供电系统的保护，主要依靠真流开关设备，即直流断路器进行保 护。在直流牵引供电系统中，直流断路器按功能分为整流器回路断路器和馈线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 回路断路器。 整流器回路断路器主要控制和保护整流器侧直流输出，当整流器发生故障 时，能快速切断整流器的直流输出。 直流馈线回路断路器，主要控制和保护馈线侧的牵引供电。当变电所近端 直流电缆、接触网发生故障时，能迅速切除故障。 本论文意在设计直流回路断路器的保护，即地铁馈线保护。 3 3 地铁馈线保护设计 其逻辑框图如下： 图3 - 1 直流馈线保护的逻辑框图 跳 闸 3 3 1 电流上升率保护( d i i d t 一i ) 该保护作为地铁馈线保护的主保护，通过综合考虑d i d t 和i 来决定保 护的动作特性。克服了单独d i d t 保护受干扰而误动，以及ai 保护存在拒动 现象的缺点。保护动作特性分两部分，瞬时跳闸和延时跳闸，其中之一较早激 活就由谁决定跳开高速直流断路器。设置瞬时跳闸的目的是尽早地检测到和尽 快地消除故障。它主要被近区或中等距离的故障激活。延时跳闸将保护较远的 故障，延时目的是为了区分较低的短路电流和运行电流。 1 保护动作特性及整定原则 电流上升率保护的动作特性见图3 2 所示。 当电流具有较高初始变化率时，例如d i d t d i d t 。，一旦电流增量 ( ai ) 达到动作值i 。将无延时跳闸。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 1 _ l _ 厂 ； d i d t i n t d d t 图3 2 电流上升率保护动作特性 当电流具有较低初始变化率时，例如d i d t “、 i t 。( 3 - 1 ) 式中，d i d t 。，一电流上升率保护的瞬时动作值 i 。一电流上升率保护的电流增量瞬时动作值 d i d t 一电流初始变化率 i一保护动作时电流增量 动作值计算： j 0 1 朋- 2 “- ( 0 1 7 0 一r t ) ( 3 - 2 ) l l i ，= k 2 i 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 式中，d i l d t 一。一机车起动时的最大电流变化率 i ，一负荷时最大的电流增量 k ，、b一可靠系数，可取k ，为1 1 一1 2 ，k ：为1 2 左右 ( 2 ) 延时跳闸 i d i d t 一。， d i d t d i d t _ “l 1 i i j i ( 3 - 3 ) 【t t 。 式中，d i l d t 。、d i d t 意义同式( 3 - i ) d i d t 。广电流上升率保护的起动值 i t 一“时刻达到时的电流增量 i 。一电流上升率保护的电流增量延时动作值 t 一电流上升率保护时间的延时动作值 动作值计算： 厂i 一“l = k 。i ：d t = k 。t 。 ( 3 4 ) l _ d i l d t 一一。l i k 5 d i d t _ , d 式中，i 。一被保护线路末端短路时电流增量 t 。一机车最大的起动时间 d i d t 。d _ 一被保护线路末端短路时的最大电流变化率 k ，、k 、k ；一可靠系数，分别取k 。为0 8 ，k 。为1 i - i 2 ，k 。为0 8 。 3 讨论 近端故障时，电流变化率很大，电流增量也很大，保护瞬时跳闸。 中远端故障时。电流变化率大于d i l d t _ 。，丽小于d i l d t 一。但当延时t 川 达到时，电流增量大于i 且电流变化率大于零( 即电流上升率的持续时间大 于t ；) ，故延时保护能检出此故障，延时跳闸动作。 机车起动时，电流变化率小于或等于d i l d t 。，此时不管电流增量大于或 等于i j 。由于电流变化率的持续时间小于t 一，故延时跳闸均不动作。 若有干扰使一般负荷时电流变化率大于d i d t 。，但由于电流增量一定小 于i 。，所以不会引起瞬时跳闸误动。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 由以上分析知，该电流上升率保护只要保护整定值恰当便可保护线路的全 长，且动作可靠。 3 3 2 大电流脱扣保护 该保护可作为主保护的辅助保护它属于开关自带，用于切断大的短路电 流。我们知道大的短路电流对线路将造成巨大的损坏，故大的短路电流一出现 应立即切断，其切断时刻应在其达到电流峰值以前。 保护动作特性，当电流大于电流整定值时，开关中脱扣装置动作使开关分 闸。 整定值i ，。的计算： i 。一= k 6 i ( 3 - 5 ) 式中，i 。一被保护线路短路电流的最小值 k b 一可靠系数，可取1 5 左右 所计算的整定值，用于开关自身的整定。 3 3 3 双边联跳保护“” 双边联跳保护的特性是：当靠近故障点侧的直流快速开关因大电流脱扣动 作或瞬时跳闸而快速分闸后，髓即将跳闸信号通过联跳导线传送至对端变电所， 使对端变电所的直流快速开关立即跳闸，而与后一开关中电流是否达到其整定 值无关。 双边联跳保护装置的作用是为了保证更加安全地向接触网供电，在故障的 情况下确保相邻变电所可靠跳闸而增设的后备跳闸装重。下面以某地铁线路为 例，说明双边联跳保护装置的作用。其相邻变电所之间采用的供电方式如图3 3 所示。 在a 所无战障情况下，由a 所2 1 l 馈线开关和b 所2 1 3 开关同时向接触网供 电，a 所越区隔离开关打开。如果现在有短路情况发生在d 点，由于短路发生地 点距离b 所比较近，所以b 所馈线保护中的d i d t 瞬时保护或大电流脱扣保护首 先动作，使b 所2 1 3 开关跳闸，由于短路发生地点距离a 所较远，所以经过一段延 时以后，a 所2 1 1 馈线开关中d i d t 延时保护也应该动作。在b 所2 1 3 馈线保护 动作的同时，向本站联跳装置发一个跳闸信号，b 所联跳装置通过站间的联络线 向a 所联跳装置发送一个2 1 1 跳闸信号。这个信号比a 所2 1 1 馈线保护自身的 d i d t 延时保护跳闸信号要慢上一点，因此在这种情况下联跳装置为后备保护。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 图3 3 某地铁线路两相邻变电所接线示意图 在a 所有故障的情况下，a 所退出运行，a 所越区隔离开关合上，如图3 - 4 所 示。这时由b 所2 1 1 开关同时向接触网供电。如果这时短路发生在d 点，同样还 是b 所开关2 1 3 首先动作，由于短路点距离c 所比较远，延时跳闸保护有可能不 动作，所以c 所2 1 1 保护有可能动作也有可能不动作。这要看短路的情况而定， 而联跳装置则比较可靠，只要b 所2 1 3 保护跳闸，它总要发信号给a 所，经过a 所的联跳装置转发，信号发给c 所2 l l 开关，使2 1 1 开关跳闸，这时联跳装置就显 得比较重要。 c 变电所 变电所b 变电所 l ii 2 1 醛弋 2 1 贰 r 1 葶 l f 。1 、 向1 、 i l 每 ii 图3 - 4a 所故障时的供电接线示意图 可见，双边联跳与大电流脱扣或瞬时跳闸相配合，保证了故障的切除，增强 了主保护的可靠性和灵敏度。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 3 3 4 热力过负荷保护 该保护作为电流上升率保护的辅助保护，用于保护最薄弱的设备。当过负荷 电流流过时，该电流虽不致立即引起巨大的破坏，但此电流若持续时间长了，其 产生的热量会超过某些薄弱设备所允许的发热量，引起这些设备不同程度的毁 坏，这是我们所不期望的，该保护能使较薄弱的设备在过负荷时免受损害。 热力过负荷保护的动作特性是：当电流超过整定值时，保护起动当延时达 到时，保护跳闸。 根据i e c - 2 5 5 8 标准热力过负荷保护的跳闸时间特性有以下两种模式”1 ： 1 无记忆模式 扣两。p 3 5 式中，t 一跳闸时间 t 。一时间整定常数 i 一过负荷电流的实测值 i 。一热力过负荷电流保护的电流整定值 2 有记忆模式 咖幽仔， 阮j 以2 式中，t 一3 5 5 * t ( 时间常数) i 厂热力过负荷电流保护的电流整定值 i 一过负荷电流的实测值 i 。一未达过负荷时的电流 k 一取1 0 由 4 0 0 0 ( a ) d i d t 一。d - 1 1 1 1 9 ( a m s ) 1 1 0 ( m m s ) 当末端故障初始电流变化率d i d t _ 一小于列车起动时的最大电流变化率， 但末端故障电流增量i 。大于机车起动时的最大电流增量时，瞬时跳闸及延时 跳闸均动作。延时跳闸保护范围只为0 5 k m 。如l = 3 o k m 时， i , = 5 5 3 1x 0 8 = 4 4 2 4 8 ( a ) 4 0 0 0 ( a ) d i d t _ 。= 7 3 7 5 ( a m s ) 11 0 ( a m s ) 当末端故障初始电流变化率d i d t _ 。小于列车起动时的最大电流变化率， 但末端故障电流增量i 。接近机车起动时的最大电流增量时，瞬时跳闸及延时 跳闸均动作。延时跳闸的保护范围为0 5 k m 。如l = 3 5 k m 时， i , = 4 9 5 9 0 8 = 3 9 6 7 2 ( ) 4 0 0 0 ( a ) d i d t _ d = 6 3 5 8 ( a m s ) 11 0 ( a m s ) 当末端故障初始电流变化率d i d t a 小于列车起动时的最大电流变化率， 且末端故障电流增量i 。小于机车起动时的最大电流增量，瞬时跳闸及延时跳 闸均动作。延时跳闸的保护范围为l k m 。明显加长。如l = 4 k m ，时， i d = 4 4 7 9 0 8 = 3 5 8 2 ( a ) 4 0 0 0 ( a ) d i d t 一。a = 5 5 ，9 9 ( a m s ) 1 1 0 ( a m s ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 7 页 ( 上面分析中，系数0 8 是考虑当短路时线路有负荷情况下，由于负荷产生 的附加压降，而引起短路电流要比无负荷时小得多而引入的。) 由以上分析可见，当供电区间短时，只有瞬时跳闸动作，当供电区间长时，瞬 时跳闸无法保护末端短路，末端短路由延时跳闹保护，且供电区间越长，延时保 护的范围越大。总之，电流上升率保护可保护供电区间的全长，作为主保护可靠 性很高。 ( 2 ) 辅助、后备保护分析 由仿真结果知，大电流脱扣保护范围超过了供电区间全长的半。这样通过 与双边联跳保护配合可保护供电区间的全长，分析如下： 以l = 3 5 k m 为例，a 所大电流脱扣保护的范围为o 3 k f ，b 所大电流脱扣保 护范围也为o 3 k m 。这样当距离h 所3 k m 以内短路时，a 所大电流脱扣动作，通 过双边联跳b 所直流快速开关跳闸：当距离a 所3 k m 以外短路时，a 所大电流脱 扣无能为力，但此时b 所大电流脱扣动作，通过双边联跳跳开a 所的直流快速开 关。 由上述分析，不难看出，大电流脱扣与双边联跳保护配合作后各保护是完全 合理、可靠的。 ( 3 ) 跳闸时间 由仿真结果可知，瞬时跳闸的跳闸时间在7 5 m s 以内，延时跳闸的跳闸时间 在1 3 5 m s 左右，大电流脱扣保护与双边联跳保护配合后跳闸时间不超过 2 0 m s + t l ，t l 为双边联跳保护跳闸信号从一个变电所传送到另一个变电所的时 间。 2 机车工况下仿真结果及分析 图4 - 7 机车工况下电流仿真面板 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 当l = 3 8 k m 时的机车起动仿真结果 表4 6 机车起动点距 i ( k a ) 初始变化率 时间常数起动电流达保护动 变电所的距离 d i d t ( a m s ) t ( m s ) 稳态的时间作情况 1 d ( k m ) ( m s ) o 53 4 3 51 0 3 0 73 3 31 0 1 1 03 3 8 49 9 5 23 41 0 2保 1 53 3 3 69 6 23 4 71 0 3护 2 03 2 8 89 3 】3 5 31 0 4 不 2 53 2 4 2 9 0 23 6 1 0 4 动 3 0 3 1 9 78 7 43 6 6 1 0 5 作 3 53 1 5 38 4 8 8 3 7 1 0 6 机车过分段绝缘时的仿真结果 表4 - 7 a i ( k a ) 初始变化率 时间常数t ( m s )起动电流达稳态的 保护动作情况 d i d t ( a m s ) 时间( m s ) 3 2 8 8 1 5 6 1 42 1 17 3 保护不动作 ( 1 ) 机车起动时仿真结果分析 由表4 - 6 数据可见，机车在任一点起动时初始电流变化率d i d t 均小于 d i d t 。( 1 1 0 a m s ) ，电流达稳态时的时间均小于t ，( 1 3 5 m s ) ，故按照保护设计 思想，电流上升率保护不动作而仿真结果显示的正是电流上升率保护不动作。 ( 2 ) 机车过分段绝缘时仿真结果分析 由表4 - 7 数据可见机车过绝缘分段时，由于电流增量小于i j ，故电流上升 率保护不应动作，仿真结果与其相同。 综合以上分析，可以看出仿真结果与预想结果基本是吻合的，故本保护的 设计是合理的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 9 页 第5 章地铁馈线保护的硬件设计 本文中地铁馈线保护的硬件由个直流输入插件j 。、两个保护插件j z 和j 3 、 一个信号插件 、一个出口插件 、一个电源插件j e 和一个删1 人机接口板组 成，其结构如图5 - l 所示。 模拟量 外部珏由部开入 直 流 输 入 插 件 j i 开入 模数变换 开出 通信 插件j 开入 模数变换 开出 通信 信号插件j 出日插件 稳压屯潭 f 打印机f _ 1 删1 人机接口卜+ 变电站自动化系统 图5 - 1 地铁馈线保护硬件结构 上图中外部开入为电缆隔开1 ( o n o f f ) 、电缆隔开2 ( o n o f f ) 、断路器 ( o n o f f ) 、在线测试接触器( o n o f f ) 、对端联跳等等，j 2 、j 。的开出为保护 跳闸、保护告警、供电电压不正常等报告。内部开入为信号复归、d s p 启动、 重合自检等。 下面分