地鐵直流牽引供電系統電流變化率保護研究

陸渭歧

摘 要：直流牽引供電保護系統的主保護采用結合電流上升率保護（），電流增量保護（）和延時時間（）的方法，是一種反應電流變化趨勢的保護，本文主要研究基于電流變化率的直流牽引供電系統保護，并通過仿真運算，分析常用電流變化率保護存在的問題、故障原因及不足之處。

關鍵詞：地鐵 直流牽引供電系統 電流變化率 保護

中圖分類號：TM58811；U22318 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（b）-0109-04

我過正處于經濟迅速發展的時代，但是，各城市的交通問題逐漸凸現出來，要解決這個問題，就應該加大城市軌道交通的建設。城市軌道交通直流牽引供電系統是其重要組成部分，直流牽引供電系統的控制與保護是整個系統的核心，為地鐵的穩定運行發揮著極其重要的作用。

1 直流牽引供電一次系統

城市軌道交通牽引供電直流一次系統如圖1所示，它的組成部分包括變直流開關設備、電所內牽引整流機組、鋼軌電位限制裝置、接觸網系統、排流柜等。牽引變電所能夠把軌道交通供電系統的35 kV交流電壓通過降壓變為直流1500 V，然后通過接觸網系統向機車供電。

2 電流變化率保護

電流變化率保護作為地鐵牽引供電系統保護的主保護之一，綜合利用了電流上升率保護和電流增量保護的動作特性，既能克服單獨使用電流上升率保護時易受干擾發生誤動的風險，又克服了單獨使用電流增量保護時會出現拒動的缺點。該保護由延時跳閘和瞬時跳閘兩部分組成，當故障發生時，先達到動作整定條件的保護方式優先發出命令使斷路器跳開。瞬時跳閘主要用于迅速切除牽引供電網中短路電流較大的近端短路故障，延時跳閘主要用于將機車起動電流和較小的短路故障電流區分開來，并保證及時切除線路中遠端短路故障。

2. 1 保護原理

電流增量保護就是當短路故障電流，還沒有達到最大值時，就能判斷出電路故障，并采取相應措施使斷路器跳閘，避免造成更大的損失。其原理圖如圖2所示，一旦發生短路情況，短路電流的增量很大，超過了延遲時間時，短路故障將會被電流增量保護所切除。但是，如果在較長線路的中遠段發生短路故障，短路電路不會一時間增量很大，所以電流增量保護在這種狀態下發生拒動，失去對電路的保護。

電流上升率保護：當短路故障發生于線路中遠端時，這時線路短路電流上升率較小，有可能會低于列車起動時的初始起動電流的電流上升率，此時會受到系統對它的監測，經過延時時間之后，判斷短路故障是否應該切除。動作原理圖3所示，其優點為保護的線路范圍較大，但抗干擾能力比較弱。

2.2 保護動作特性

（1）在機車運行過程中，電流變化率保護裝置會不停地檢測饋線電流大小及其上升率，當檢測到電流上升率大于瞬時跳閘的整定值時，又電流增量達到瞬時跳閘的動作整定值，保護裝置將無延時立刻跳閘。

（2）當電流變化率保護裝置檢測到的電流上升率大于延時跳閘的整定值，但小于延時跳閘時，保護仍會啟動，但是進入延時階段，如若在延遲時間內，電流增量超過了延時保護的動作整定值時，斷路器就會跳閘；如若在延時時間內，電流上升率持續大于保護返回整定值，斷路器仍會跳閘。

2.3 整定值設定原則

（1）瞬時跳閘保護的起動電流上升率的整定值需大于機車起動電流的上升率；延時跳閘保護的起動電流上升率的整定值需小于線路終端短路時最大的短路電流的上升率。

（2）瞬時跳閘保護動作的電流增量的整定值需大于機車起動時的電流增量值，延時跳閘保護動作的電流增量的整定值需大于在時間內線路終端短路電流的增量。

（3）電流增量延時跳閘的時間應大于機車起動時的電流上升率持續時間。

2.4 保護實現

為方便計算電流增量和電流上升率，需對測量電流進行采樣，采樣的間隔設為，因此可得到采樣值：、、、…、、。一般采用3點或5點采樣值來計算電流上升率，其中采用3點采樣值計算公式為：

（1）若時，瞬時跳閘動作，以此刻的電流采樣值設為基準值，計算電流增量，若，則視為故障，保護動作跳閘。然后進入重合閘，否則回到主程序。其處理流程如圖4所示。

（2）若不大于，延時跳閘動作，并計算到達延時時的電流增量，若，則視為故障，保護動作跳閘，然后進入重合閘，否則回到主程序。另外，還需計算到達延時時的電流上升率，若，仍視為故障，保護動作跳閘。其處理流程如圖5所示。

3 常用保護存在的問題

隨著社會經濟的發展，交通運輸壓力持續增大，因此不得不增加列車運行的密度，這樣就會經常出現在同一供電區間內多輛機車同時起動的現象，會造成機車起動時的電流增大，趨近于遠端短路故障時的電流大小，保護就會出現誤動。而當出現非金屬性短路故障時，短路電流又會減小，趨近于機車起動時的電流大小，保護就會出現拒動。

3.1 多機車同時起動

為了防止在同一供電區間內多輛機車同時起動而導致電流變化率保護裝置發生誤動作的情況，電流上升率保護需要提高整定值和，時間整定值也需相應變化。保護裝置這樣設置整定值依舊能夠正確區別機車起動電流與金屬性短路故障電流。但是，對于經大電阻接地的故障，保護裝置還是會出現拒動。

3.2 小電流短路故障

當故障點距離牽引變電所較遠或發生非金屬性短路故障而引起過渡電阻增大的情況，這導致故障電流的穩定值相對較小，電流變化率也會較小并會迅速達到穩定狀態，為保護這種故障，保護需要降低保護定值和的大小，時間定值也需要對應發生變化。電流變化率保護裝置的整定值這樣設置可以避免與正常的機車起動電流相交叉，但如果發生多輛機車在同一供電區間同時起動的情況，機車起動電流必然會增大，起動電流的大小將更加趨近于故障電流，起動電流的增大也會導致電流變化率增大，保護裝置會因此而誤動。如圖6，兩輛機車同一供電區間同時起動，仿真結果如表1所示。endprint

4 結語

由圖7和圖8可見，在此情況下，機車的起動電流和短路電流的幅值與上升率都非常接近，同一供電區間內兩輛機車靠近牽引變電所或同時起動時會導致保護裝置發生誤動，此時電流變化率保護必須要提高整定定值和以及時間定值，導致當線路末端發生短路故障時保護裝置會出現拒動。反之，為了保護這類故障，不得不降低電流變化率保護的保護整定值和，保護裝置又會發生誤動。因此和綜合保護可以正確區分一般情況下機車起動電流和遠端短路故障電流，但是對于機車運行時的特殊情況和一些非金屬性短路故障不能有效區別，并不能完全滿足當今城市軌道交通發展的需要。因此，正確區分遠端短路故障電流與機車起動電流仍舊是繼電保護的重點。

參考文獻

[1] 王艇.地鐵直流牽引供電保護技術與系統實現[D].江蘇大學，2006.

[2] 王曉紅.地鐵直流饋線保護研究[D].西南交通大學，2002.

[3] Bucher F，Dmitriev A I，Ertz M，et al.Multiscale simulation of dry friction in wheel/rail contact[J].Wear，2006，261（7）：874-884.

[4] 劉煒.城市軌道交通供電系統仿真[D]. 成都：西南交通大學，2006.

[5] Hill R J，Carpenter D C.Determination of rail internal impedance for electric railway traction system simulation[C]//IEE Proceedings B （Electric Power Applications）.IET Digital Library， 1991，138（6）：311-321.

[6] Brown J C，Allan J，Mellitt B. Calculation and measurement of rail impedances applicable to remote short circuit fault currents[C]//IEE Proceedings B（Electric Power Applications）. IET Digital Library，1992，139（4）： 295-302.endprint

4 結語

由圖7和圖8可見，在此情況下，機車的起動電流和短路電流的幅值與上升率都非常接近，同一供電區間內兩輛機車靠近牽引變電所或同時起動時會導致保護裝置發生誤動，此時電流變化率保護必須要提高整定定值和以及時間定值，導致當線路末端發生短路故障時保護裝置會出現拒動。反之，為了保護這類故障，不得不降低電流變化率保護的保護整定值和，保護裝置又會發生誤動。因此和綜合保護可以正確區分一般情況下機車起動電流和遠端短路故障電流，但是對于機車運行時的特殊情況和一些非金屬性短路故障不能有效區別，并不能完全滿足當今城市軌道交通發展的需要。因此，正確區分遠端短路故障電流與機車起動電流仍舊是繼電保護的重點。

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4 結語

由圖7和圖8可見，在此情況下，機車的起動電流和短路電流的幅值與上升率都非常接近，同一供電區間內兩輛機車靠近牽引變電所或同時起動時會導致保護裝置發生誤動，此時電流變化率保護必須要提高整定定值和以及時間定值，導致當線路末端發生短路故障時保護裝置會出現拒動。反之，為了保護這類故障，不得不降低電流變化率保護的保護整定值和，保護裝置又會發生誤動。因此和綜合保護可以正確區分一般情況下機車起動電流和遠端短路故障電流，但是對于機車運行時的特殊情況和一些非金屬性短路故障不能有效區別，并不能完全滿足當今城市軌道交通發展的需要。因此，正確區分遠端短路故障電流與機車起動電流仍舊是繼電保護的重點。

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