地鐵采用的直流供電保護方案

羅易東

摘要：廣州地鐵一號線直流供電系統，其基本原理是接觸網采用1500V直流雙邊供電。在牽引所中通過整流機組把33KV等級的電壓通過降壓整流，轉變成為1500V的直流電通過直流開關輸送到接觸網上，給機車提供動力電源。接觸網本身不具備電氣保護功能，上網電纜、接觸網等設備出現故障，需要通過直流開關柜來判斷故障，進行電氣保護。所以對于直流供電系統來說直流開關柜的地位相當重要，研究直流開關的結構特點及保護功能的實現對地鐵運營來說有著重要的意義。

關鍵詞：直流柜；過流保護；di/dt+ΔI保護

1 引言

在軌道交通領域中應用于車輛供電的系統多采用直流供電的方式，即采用接觸網供電。例如廣州地鐵一號線直流供電系統，其基本原理是接觸網采用1500V直流雙邊供電。在牽引所中通過整流機組把33KV等級的電壓通過降壓整流，轉變成為1500V的直流電通過直流開關輸送到接觸網上，給機車提供動力電源。接觸網本身不具備電氣保護功能，上網電纜、接觸網等設備出現故障，需要通過直流開關柜來判斷故障，進行電氣保護。所以對于直流供電系統來說直流開關柜的地位相當重要，研究直流開關的結構特點及保護功能的實現對地鐵運營來說有著重要的意義。

2 直流開關柜的組成及結構特點

牽引變電所1500V直流開關柜包括以下三種類型設備。

正極柜：連接于整流器閥側正極與1500V正極母線之間的開關柜，實現對整流機組向1500V直流正極母線饋電進行控制。

饋線柜：連接于1500V直流正極母線與牽引網上網隔離開關之間的開關柜，實現對1500V直流正極母線向牽引網饋電進行控制和保護。

負極柜：連接于整流器閥側負極與回流鋼軌之間的開關柜，實現對牽引網回流的控制。

這里著重介紹下饋線柜。1500V饋線柜主要由上部連接、下部連接、驅動裝置、合閘機構、分閘機構、大電流脫扣保護裝置、滅弧裝置以及分合閘位置輔助觸點組成。其中驅動裝置和大電流脫扣保護裝置是1500V直流開關饋線柜的核心部分。

驅動裝置的作用是牽引棘輪拉動動觸頭使其與靜觸頭閉合，完成合閘。驅動裝置由工程塑料支架、限位緩沖彈簧、分閘輔助彈簧、傳動圓鋼組成。整個驅動裝置在合閘線圈鐵心的推動下在受限范圍水平內沿導軌方向前后運動。合閘時鐵心推動驅動裝置往前運動，驅動裝置牽引棘輪拉動動觸頭運動；動觸頭附帶一個輔助觸頭，在合閘前輔助觸頭先與動觸頭接觸，通電之后動觸頭在驅動裝置的作用下與靜觸頭完全閉和。輔助觸頭的作用是避免動觸頭直接與靜觸頭接觸時發生損傷。分閘時先分動觸頭，最后分輔助觸頭，同樣避免分閘產生的拉弧損害動觸頭。

大電流脫扣保護裝置是直流開關上利用電磁原理實現直流保護的一種裝置。有一個由硅鋼片疊成的磁扼垂直套在動觸頭的外側，只要開關回路中的電流達到整定值，磁扼中產生的磁場把銜鐵吸合下來，銜鐵帶動連桿，連桿的運動頂起牽引觸頭棘齒，原來在水平方向的平衡被打破，棘輪向上頂起，軸脫扣后，動觸頭在分閘彈簧的作用下迅速彈開。這時綜合保護裝置根據輔助觸點的輸入和主電路電流電壓測量值進行運算，輸出控制使合閘線圈失電、鐵心后退、驅動裝置在分閘輔助彈簧作用下往回運動，綜合保護裝置發出大電流報警信息。大電流脫扣保護的整定值通過調整磁扼中的磁通路來實現。

3 直流開關柜保護的原理及整定范圍

地鐵1500V直流開關的測控保護一般通過綜合保護裝置來實現，如廣州地鐵二號線采用了西門子DPU96來實現對開關的控制、保護、測量及通信。

3.1 大電流脫扣保護

大電流脫扣保護通過脫扣器實現，其動作過程在文章開頭有過介紹，該保護屬于開關自帶，用于切斷大的短路電流。大的短路電流對線路會造成巨大的損壞，故大的短路電流一出現應立即切斷，其切斷時刻應在其達到電流峰值之前。 廣州地鐵2號線進線開關的整定值為12000A，饋線開關的整定值為9000A。

3.2 電流上升率保護（di/dt）和電流增量保護（ΔI）

該保護作為地鐵饋線保護的主保護，他既能切除近端短路電流，也能切除大電流脫扣保護不能切除的故障電流較小的遠端短路故障。保護動作特性分為2部分，瞬時跳閘和延時跳閘，其中誰較早激活就由誰決定跳開高速直流斷路器。延時跳閘元件主要起識別遠端短路電流并跳閘的作用。

西門子DPU96關于該保護的整定方法，開關合閘后，測量裝置不斷檢測開關主電路中電流的變化率di/dt，當電流變化率di/dt≥24A/ms時發出報警，當di/dt≥40A/ms時觸發DPU96產生中斷。在30ms內如果電流變化率高于40A/ms則30ms后DPU96保護分閘；如果30ms內電流變化率低于40A/ms，則di/dt復零，中斷退出。直流開關設置的ΔI保護與di/dt保護互相配合，當di/dt被觸發后持續1ms，ΔI達到整定值4000A（饋線開關），經過延時（1ms），ΔI動作，DPU96保護分閘。

以上保護的整定使保護裝置只針對故障電流做出分閘響應，躲過了牽引變電所很遠處啟動時的機車啟動電流，列車的電桿架接觸激增電流，列車駛進車站的電流等非故障電流曲線。防止了開關的誤動作。

3.3 過流保護

過流保護可作為上述兩種保護的后備保護。在保護控制單元預先整定電流Imax值和時間T值。當通過直流饋線短路的電流值在預先設定的時間T內超過Imax值時，過流保護裝置動作使直流饋線斷路器跳閘來清除故障。顯然，Imax值應小于大電流脫扣保護裝置動作值Idz。對于Imax值的設定，可分別設定正反方向的Imax＋值和Imax－值。當機車處于再生狀態或當地牽引變電所整流機組退出運行，所內直流饋線被用于直流越區供電回路時，如果線路發生故障，會有反向電流通過直流饋線斷路器，反向過流保護用于檢測并清除該故障，在西門子的DPU96中可設定Imax值，如廣州地鐵2號線饋線整定過流為Imax=8000A。

3.4 框架保護

直流開關柜、整流器柜、回流柜設置有框架保護。框架保護分為電流型與電壓型。其原理為：負極柜的S7（控制器）檢測框架與大地之間的電流和框架對負極的電壓，達到整定值則S7輸出控制，通過硬線觸點向本所所有1500V直流開關及鄰所相鄰1500V直流開關發出聯跳信號（脈沖寬度大于500ms），每個直流開關的DPU96或S7收到信號后保護分閘同時閉鎖自動重合閘程序。

3.5 自動重合閘

使用自動重合閘的目的是為了在瞬時性故障消除后使線路重新投入運行，從而在最短的時間內恢復整個系統的正常運行狀態。對于直流牽引系統，經常會發生短路而使過流脫扣器經常動作。但由于大部分短路故障是短暫的，所以使用自動重合閘系統可提高系統的可靠性。斷路器每隔一段時間（時間長短可調節）重合閘一次。如果重合閘的次數超過預定的次數，合閘仍不成功，則認為是永久性故障，閉鎖重合閘回路。 DPU96在實現這一功能時需要檢測判斷發生大電流脫扣分閘、Imax保護、過電流保護、di/dt+ΔI保護時，DPU96通過硬線觸點向鄰所饋線1500V直流開關發聯跳信號（設計整定脈沖寬度少于500ms）,聯跳鄰所饋線1500V直流開關；鄰所饋線開關DPU96檢測到聯跳信號后進行判斷，滿足條件則跳閘進入自動重合閘程序。如果脈沖大于500ms（框架保護動作）則跳閘后退出重合閘程序。

4 結論

在目前國內的直流供電系統中普遍采用以上介紹的直流供電模式，直流供電的保護方法也基本一致，前面結合理論及實際實現方法對地鐵直流開關柜進行了系統的分析，故掌握好直流開關柜的控制保護原理，對地鐵運營故障檢修有極其重要的意義。只有深入分析好直流開關柜的各項保護功能，有針對性的采取檢修措施和相關對策，積累運營經驗，才能確保運營供電系統正常穩定運行。

參考文獻

[1]GB/T10411-2005，城市軌道交通直流牽引供電系統[S].

[2]于喜林.DDL保護在直流牽引供電系統的應用[J],電氣化鐵道，2004（3）.