地铁直流牵引供电系统馈线保护方法研究.doc

地铁直流牵引供电系统馈线保护方法研究作者：西南交通大学 丁丽娜 韩红彬摘要：针对目前国内地铁直流馈线保护方法不是很成熟，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，详细分析了大电流脱扣保护。di/dt电流上升率及电流增量保护、过流保护、双边联跳保护、接触网热过负荷保护，自动重合闸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，电流增量I和电流上升持续时间t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：馈线；直流；保护；地铁随着我国国民经济的持续发展，城市交通日趋紧张。而地铁成为解决大中城市交通拥挤问 题的最佳方案。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。在地铁牵引供电系统中有以下几种主要的直流馈线保护：大电流脱扣保护、di/dt电流上升率及电流增量保护、过流保护、双边联跳保互、接触网热过负荷保护、自动重合闸保护。 1保护原理 牵引供电系统可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见的、同时也是最危险的故障就是发生各种形式的短路。当被保护线路上发生短路故障时，其主要特征就是电流增加和电压降低。利用这2两个特征，可以构成电流电压保护。本文重点介绍馈线保护的主保护及后备保护。 1.1大电流脱扣保护 该保护属于开关自带，用于切断大的短路电流。大的短路电流对线路会造成巨大的损坏，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之前。 假设被保护线路短路电流的最小值为Idmin，动作电流整定为IdzkIdmin(其中k为可靠系数)，一旦检测到瞬时电流超过动作电流时，立即跳闸，其固有动作时间仅几毫秒，所以大电流脱扣保护非常灵敏，尤其电流上升非常快的近端短路，往往先于电流上升率及电流增量保护动作。 1.2电流上升率保护（di/dt）和电流增量保护（I） 该保护作为地铁馈线保护的主保护，他既能切除近端短路电流，也能切除大电流脱扣保护不能切除的故障电流较小的远端短路故障。该保护克服了单独di/dt保护受干扰而误动，以及I保护存在拒动现象的缺点。保护动作特性分为2部分，瞬时跳闸和延时跳闸，其中谁较早激活就由谁决定跳开高速直流断路器。延时跳闸元件主要起识别远端短路电流并跳闸的作用。 保护原理：在运行当中，保护装置不断检测电流上升率。当电流上升率在给定的时间T 1内高于保护设定的电流上升率F时，di/dt保护启动，进入延时阶段。若在整个延时阶段，电流的上升率都高于保护的整定值，则保护动作；若在延时的阶段，电流上升率回落到保护整定值之下，则保护返回。图1为保护的动作特性。曲线1在A点处di/dtF,保护启动，经延时在B点处发跳闸命令。曲线2是列车加速时的电流曲线，由于di/d t未超过F，保护不动作。 在di/dt保护启动的同时I保护也启动进入保护延时阶段，从I保护启动的时刻开始继电器以启动时刻的电流作为基准点计算相对电流增量。若电流上升率一直维持在di/dt保护整定值之上，在达到I延时值后，电流增量达到I保护整定值，则保护动作。在计算电流增量的过程中允许电流上升率在相对较短的时间内回落到di/dt保护整定值之下。只要这段时间不超过di/dt返回延时整定值，则保护不返回；反之保护返回。图2是保护的动作特性，图中F为di/dt的整定值，在A点曲线电流上升率超过F，K为故障时的最小电流增量，T2为I延时整定值。当检测到的电流增量小于K时，可以肯定不是故障情况；若大于K则有可能是故障情况，需检测其他参数（如t或I）来进一步判断。 对图中各曲线的分析如下： （1）曲线1的电流增量小于K，肯定不是故障情况，该电流曲线实际表示机车在距离 牵引变电所很远处启动时的机车启动电流。 （2）曲线2的电流增量小于K，也肯定不是故障情况。 （3）曲线3的电流增量虽然超过I整定值，但电流变化率的延时时间不足(小于T1)，在这一段时间内不作I的判断，经过几毫秒的延时后电流就开始下降，故不是故障情况。该曲线实际表示列车的电杆架接触，电容器充电的线路电流曲线。 （4）曲线4的电流增量超过I整定值，延时时间也满足，故可以肯定是故障情况。 （5）曲线5的电流增量超过K，有可能是故障情况。再检测电流上升持续时间，发现其值超过了di/dt延时整定值，则肯定是故障情况。如果此时没能通过检测时间t参数来激活电流变化率di/dt保护，则电流增量保护动作使直流馈线断路器跳闸清除故障。 （6）曲线6的电流增量超过K，有可能是故障情况。在电流上升的过程中，电流上升率回落到di/dt整定值以下，且超过了di/dt返回延时值，因此保护返回。在B点保护重新启动，并以B点作为新基准点。该曲线是列车驶进车站的电流变化曲线。 对于远端故障电流由于其上升的速率比近端的慢，峰值也小很多，通常与列车启动或通过接触网分段时的电流瞬时峰值相近，甚至小于该电流。所以远端故障电流与列车启动电流的区分是变电所直流保护的难点。文献1提出了一种自适应保护方法，该方法可提高保护的可靠性和灵敏度。文献2对于I的检测精度和分离进行了研究。这些方法对于该保护都是有益的补充。 1.3过流保护 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Idz。对于Imax值的设定，可分别设定正反方向的Imax值和Imax值。当机车处于再生状态或当地牵引变电所整流机组退出运行，所内直流馈线被用于直流越区供电回路时，如果线路发生故障，会有反向电流通过直流馈线断路器，反向过流保护用于检测并清除该故障。 1.4双边联跳保护 双边联跳保护是为了更加安全的向接触网供电，在故障情况下确保相邻变电所可靠跳闸而增设的后备跳闸装置。 在无故障的情况下，两变电所同时向接触网供电，如果有短路情况发生，则距离短路点较近变电所A的馈线保护的di/dt瞬时保护或速断保护先动作，同时向本站联跳装置发一个跳闸信号，并通过站间联络向另一变电所联跳装置发送跳闸信号，较远变电所B经过一段延时，通过di/dt延时保护或过流保护也动作，但是比联跳装置的跳闸信号先动作。这种情况联跳作为后备保护。 在故障情况下，变电所B退出运行并通过隔离开关由相邻变电所C越区供电时，同样还是上述情况，变电所A的保护先动作，由于短路点距变电所C较远，该变电所相应保护可能不动作（视短路情况），而联跳装置则比较可靠，只要变电所A保护跳闸，变电所C经变电所B接收跳闸信号，使开关跳闸，此时双边联跳保护就比较重要。 1.5接触网热过负荷保护 该保护作为电流上升率保护的辅助保护，当直流线路处于过负荷状态时，即使没有任何短路故障发生，接触线或进线电缆的温度也会上升，当热过负荷电流流过时，该电流虽不至引起巨大的破坏，但此电流持续时间长了，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损坏。 动作原理：接触网热过负荷保护主要是根据接触网的电阻率、电阻率修正系数、长度、横截面积、电流，计算出接触网的发热量，再根据接触网和空气的比热等热负荷特性及通风量等环境条件，由经验公式给出接触网的电缆温度。当测量的电缆温度超出规定值便发出报警，跳闸命令，从而达到保护接触网的目的。 该保护的对象是接触网。接触线有其自身固有的热特性，是一条以电流为变量的反时限曲线。这就要求保护装置整定的曲线与接触线的固有曲线进行配合。同时，保护装置的整定曲线还应与馈线的电流保护进行配合。配合曲线如图3所示：曲线1为接触线热特性曲线，曲线2为热过负荷保护整定的保护曲线。 1.6自动重合闸 使用自动重合闸的目的是为了在瞬时性故障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。