地铁直流1500v供电系统保护

1、摘要：本文以直流1500V双边供电的牵引变电所为例,介绍了地铁直流牵引变电所内各开关柜的保护配置,并详细阐述了主要保护的原理,如大电流脱扣保护、电流上升率保护、定时限过流保护、低电压保护、双 边联跳保护、接触网热过负荷保护、框架保护等.最后,对于目前的保护原理中存在的缺乏之处,本文也 做了分析,如多辆列车短时间内相继启动可能会造成保护误动,小电流尤其是有电弧的情况短路故障 与正常运行电流的区分,以及框架保护的选择性问题.关键词：地铁直流保护0引言在我国,地铁是城市公共交通的重点开展方向,设备国产化又是开展的主要原那么.在地铁直流供电继 电保护领域内,国产保护设备还处于起步阶段,目前,国内主要城

2、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 sechron公司的SEPCOS 通过对局部国外产品的研究,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.1 一次系统简介图1显示了一个典型的牵引变电所的电气主接线图,该所将主变电所来的交流高电压典型值：33kV经整流机组包括变压器及整流器降压、整流为直流1500V,再经直流开关柜向接触网供电.我国上海和广州地铁的直流牵引供电系统均是如此,北京地铁采用的

3、是第三轨受流器上海和广州地铁那么是架空接 触网,其馈电电压为 750V.由于750V馈电电压供电距离短、杂散电流大,现在多采用1500V.图2显示的是采用双边供电的上行接触网的分区段示意图下行亦相同,一个供电区由相邻的2个牵引变电所同时供电,这种双边供电的方式提升了供电的可靠性,同时分区段的方式使故障被隔离在某个区段以内,而 不致影响其它供电区段,因而被广泛采用.本文中所讨论的保护原理均基于1500V架空接触网双边供电方图1典型牵引变电所电气主接线参考图ill'MIMM图2双边供电接触网分区段示意图图3短路电流与列车运行电流示意图2牵引变电所内直流保护的配置牵引变电所内的直流保护系统必

4、须在系统发生故障时快速、准确地切除故障,同时又要预防列车正常 运行时一些电气参数的变化引起保护装置误跳闸.后备保护的存在增加了故障切除的可靠性,同时也增加 了与主保护配合的难度,所以保护的配置也不宜过多.不同的牵引变电所其电气特性不同,运行要求不同,所以保护装置的整定值不同,甚至保护的配置亦不相同.通常,牵引变电所内的直流保护安装于开关柜中, 其可能的配置如下：A.馈线柜(图1中对应211, 212, 213, 214开关柜)：a.大电流脱扣保护( over-current protection )；b.电流上升率保护(di/dt protection )；c. 定时限过流保护( defini

5、te-time over-current protection)；d.彳氐电压保护( under-voltage protection )；e. 双边联用上保护 t transfer intertrip protection)；f.接触网热过负荷保护( cable thermal overload protection )；g.自动重合闸( automatic re-closure ).B. 进线柜(图1中对应201, 202开关柜)： a.大电流脱扣保护 over-current protectionb. 逆流保护(reverse current protectionC.负极柜：a.框架保护

6、(frame fault protection).D.轨道电压限制装置a.轨道电压限制保护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,框架保护那么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

7、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.图3是典型的近、远端故障电流与列车受电弓过接触网分段时的电流时间特性示意图.以下介绍牵引变电所内的主要的直流保护的工作原理：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以下车正常启动的电流大, 也要比最大短路电流小.3.2 电流上升率保护广泛使用的中远端短

8、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).该保护启动后,产生跳闸的条件只要在以下两个条件中满足任意一个即可：1 .经过时间Ti后,di/dt仍然大于B;2 .经过时间 T2后,AAL, I=It+T2It；如图3,在t时刻,列车受电弓过接触网分段后重新与接触网连接,此时电流的绝对数值It较小,而di/dt由于充电效应

9、那么较大,短路电流和列车运行电流均可满足启动条件,但经过适当的延时后,对于列车运行 电流来讲,由于充电效应维持的时间很短,电流已经经过了一个从很小到数倍于正常电流,再到正常电流的过程,此时,di/dt通常是负值,4I也很小,所以出发跳闸的条件一个也不满足, 电流上升率保护返回； 对于短路电流来讲,此时,短路仍然存在,只要距离不是非常远,通常一定满足条件1和2,致使保护跳闸.单列列车t时刻启动时,可能di/dt>A,保护启动,但经过时间 Ti后,di/dt<B , I<L,保护自动返回.值得注意的是,定值 Ti、T2、A B、L的选取非常重要,它决定了保护动作的正确性和快速性.

10、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 ,以到达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.3.4 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LU及延时

11、Tdmt必须列车正常运行时的运行情况互相配合,应考虑最大负载以下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<LU,保护启动,在一定的延时时内输出电压一直保持<U,那么低电压保护发出动作信号.3.5 双边联跳保护对于采用双边供电的接触网,它是广泛使用的一种保护手段,正如上文所介绍,在一个供电区内的接触网由两个变电所对其供电的,当其中一个所的直流馈线断路器由于某些保护跳闸的同时,还会发出联跳指令, 使为同一个供电区供电的直流馈线断路器都跳闸.它能切除故障电流特别小的远端短路故障,跳闸命令是由感知到较大

12、近端短路故障电流的相邻站发出的. 只要给一段接触网供电的两个牵引站有一个正确跳闸,另一个马上也会跳闸,因而可靠性很高,保证满足 GB50517-92<<fe下铁道设计标准 >>的第8.2.21条“在事故状态下接触网短路电流的保护,应保证单边供电接触网区段一条馈线的开断和双边供电接触网区段两条馈线的开断.双边联跳保护的原理如下：图2显示了一条接触网的两段,左边一段由牵引变电所A和B 简称A站和B站,下同供电,右边一段那么由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站那么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,

13、位于 A站的双边联跳保护那么发出联跳命令,将B站的213开关跳开.当B站退出运行时,那么B站越区隔离开关2133合上,双边联跳保护根据 B站 2133的位置判断另一端是由 C站213开关供电,跳闸的对象那么为 C站213开关.3.6 框架保护 框架保护适用于直流设备的正极对机柜外壳与大地相连或接触网对架空地线短路时的情况.如图4所示,在正常无短路状态下,钢轨负极与地的绝缘良好,几乎没有漏电流通过A点,当故障fl发生时,即直流设备的正极对机柜外壳短路时,故障电流Ifi由正极通过A点,经泄漏电阻 R回流至负极,框架保护检测位于 A点的机柜外壳对地的漏电流 Ifi,超过整定值那么迅速动作.通常,在地

14、和负极之间还安 装一个排流柜,当排流柜投入运行时,其等效电阻值远小于R, Ifi大大增加,这样,即使钢轨负极与地的绝缘非常良好,泄漏电阻 R非常大,由于排流柜提供了漏电流 Ifi的通道,大大提升了框架保护动作 的灵敏性.当故障f2发生时,即接触网与架空地线发生短路时,由于A点离故障点较远,故漏电流较小,检测 A点漏电流不能检出故障,此时框架保护检测外壳和负极之间的电位差.在正常无短路状态下,外壳和负极之间 的电位差很小,故障f2发生时电位差迅速变得很大,框架保护可以迅速动作.而对于正极对机柜外壳短路的情况,假设未投入排流柜,钢轨负极与地的绝缘亦很好,漏电流可能缺乏以启动框架保护,但电压检 测元

15、件那么可使之迅速动作.通常,电流检测元件作为框架保护的主保护,电压检测元件作为后备保护.框架保护动作的结果是：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,并需由人工复归前方可重新合上开关；3.7 轨道电压限制保护轨电位限制装置限制一限制原那么4 I* k规电轨电位限制装置的限制分两种,一种是通过检测轨道电压实现, 另一种是通过人工施加试验电压实现,如以下图：正常运行,轨电位限制装置检测轨道和大地之间的电压,该电压经过V11模块整流后施加给 R10;而人工施加的试验电压,是通过S24旋纽把交流220V电压经过V12整流模块整流后施加给 R10o F21、F22继电

16、器 分别检测R10上的电压,当该电压上升到 92V时,经过一定的延时0.5秒,F21继电器动作,发出合闸 命令；当电压上升到150V时,F22继电器动作,发出合闸命令.由F21继电器动作使断路器合闸的方式我们称为“一段动作U? , 由F22继电器动作使断路器合闸的方式我们称为“二段动作 U?二、限制过程1 .合闸曲腕M看解合闸的原那么是想尽方法让合闸继电器K02受电,使由它驱动得断路器合闸线圈得电,从而使断路器合闸正常运行时,断路器处在“分闸位置,K01继电器的常闭接点1、2闭合,使K83继电器受电,它的常开接点15、18接通.因此当F21继电器延时动作后,11、14这对接点接通,使合闸继电器

17、 K02得电, 断路器合闸.当继电器 F22动作后接通11、14接点,也能使断路器合闸.但是,它们之间有一定的区别：如果是由于F21动作从而使断路器合闸,那么延时10秒后断路器会自动分 闸,在规定的时间内反复三次,断路器合闸不再分开；如果是由于F22继电器动作从而使断路器合闸,此时F22会闭锁分闸回路,使断路器不会延时分开.断脑型占M保持Hl网-X7 S 2 .分闸断路器分闸的原那么是使分闸继电器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.当断路器合闸后,断路器的辅助接点 S1的23、24闭合,使继电器 K81受电,经过10秒的延时后,继 电器动作,该继电器的15、18接点闭

18、合,而继电器 K84的常闭接点接通,因此分闸继电器 K01受电,使断 路器分闸.3 .8接触网热过负荷保护接触网热过负荷保护,其保护的目的是消除热过负荷故障,而非短路故障,其工作原理主要是根据接触网的电阻,接触网上流过的电流,计算出接触网的发热量,从而再根据接触网的热负荷特性及环境条件推算出 接触网的电缆温度.当测量的电缆温度超过T Mm给出报警,超过T tnp那么跳开给该接触网供电的直流开关.开关跳开后,电缆逐渐冷却,当温度进一步下降,低于T reclosure ,那么重新合上直流开关.图 5给出了接触网热过负荷保护动作的时序图.图4正极对地短路故障示意图图5接触网热过负荷保护动作时序图4存

19、在的问题4.1 关于多辆列车短时间内相继启动在接触网的同一供电区段内,假设在短时间内出现两辆/多辆列车相继启动,第一辆列车启动引起电流上升率保护或定时限过流保护启动,而另一辆列车的启动恰巧引起电流上升率保护或定时限过流保护跳闸,这种 可能性在理论上是存在的.至于解决的方案,英国ENOTRA公司的观点认为,人工智能或神经元网络可能是最正确的解决方法,具体的实施方法尚不得而知.4.2 关于小电流短路故障小电流短路故障主要是由于故障点距离牵引所很远,或者,短路点的电弧大引起电阻也增大.两者皆可导 致以上介绍的各种保护均无法正确动作.当短路点靠近其中一端的牵引所时,近端短路电流往往较易检测,近端牵引所

20、跳开本所开关并联跳邻所开关；但假设短路点位于相邻两个牵引所中间的接触网上,可能发生两个牵引所的保护均无法检测小电流短路故障的问题.对于两个牵引所距离太远的情况,可以从设计上预防；而对于大电弧的情况,笔者认为需要对电弧的特性进行大量的研究,从而给带电弧的电流建立精确的数学 模型,使其能够正确地被保护装置所识别.4.3 关于框架保护的选择性框架保护面临的是小电流接地故障,它易于感知,却无法象大电流短路故障那样易定位.如图1所示,当接地点位于整流器出口的 A位置时,只需要跳开交流进线开关105和直流进线开关201即可；当接地点位于B位置时,只需要跳开所有直流开关；当接地点位于C位置时,只需要跳开直流

21、馈线开关214并联跳右邻站的直流馈线开关 213 如图2.但由于框架保护的电压和电流检测原理都无法给故障定位在A点、B点还是C点,所以选择性较差.小电流接地故障的定位一直是个难题,如同三相交流中性点不接地系统的 单相接地故障一样,寻找准确的定位方法还需要进一步的探索.5结论目前,地铁直流牵引变电所内配置的直流保护,根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水平制造出目前广泛使用的这些直流保护.下面是赠送的经典语录和 搞笑语录,不需要的朋友可以下载 后不急删除！ ！谢谢！ ！【感人的话】 要学会感恩、同情、宽容、忍耐、积极与真诚.希望是心灵的一

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29、们是多么渺小. 我们什么时候都能看清自己不如人的地方,那就是对生命有真正信心的时候.【有哲理的话】 胸有平常心,幸福自然来.火的心态如同琴卜的弦,_太紧那么易断, 太松那么无音.只有松紧适度.才能弹出美妙之音.保持一颗平常心.才是人生的真谛. 怀一颗平常心,看淡得失,超越成败,不为物欲所迷,不被烦恼所扰,明心见性,随 缘自适.平常心,是一种人生态度,也是一种生活智慧.【有哲理的话】 绝大多数人都喜欢嘲笑别人,而不愿意被别人嘲笑._在别人处于为难境遇时,你如果能通过自己出丑来减少他的难堪,他一定对你非常感谢.【有哲理的话】对于胸怀大志的有志之士和勤奋努力的人来说,障碍是不会起什么作用的.他们会说

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