直流牽引供電系統繼電保護配置及整定的探討

何俊文

中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063

摘要 在地鐵運行中，直流牽引供電系統的安全運行直接關系到地鐵列車的正常運行。直流牽引供電系統繼電保護方案，對直流供電系統的安全運行，起著非常重要的作用。本文針對直流牽引供電系統繼電保護的配置及整定，結合相關實例進行了一定的分析和研究。

關鍵詞：直流牽引；供電系統；繼電保護配置；整定；

1 引言

截至2014年底，我國累計有22個城市建成投運城軌線路101條，運營線路長度3155公里。在地鐵運行中，直流牽引供電系統的安全運行直接關系到地鐵列車的正常運行，與軌道交通的日常運營聯系緊密。在地鐵直流牽引供電系統運行過程中，直流保護是非常重要的一項工作內容，對供電系統運行的可靠性以及安全性具有重要的保障作用。由于直流牽引供電系統自身的特點，使得直流保護整定計算具有較為困難及復雜的特點。對此，本文結合直流供電系統繼電保護裝置的配置功能，對牽引供電系統繼電保護整定進行分析與研究，并結合工程實例進行整定計算及試驗驗證。

2 直流牽引供電系統保護配置與整定計算

軌道交通牽引供電系統的運行方式一般可以分為雙邊供電、單邊供電以及大雙邊供電三種。如果在系統運行過程中接觸網（軌）發生了故障，不僅同短路點距離較近的變電所會向發生短路位置的故障點進行供電，整個線路的變電所都會共同向其進行供電。對此，在對直流牽引供電系統保護進行計算時則不能僅僅使用普通的保護計算方式，而需要在充分聯系直流牽引供電特點的基礎上開展整定計算。

2.1 直流饋線保護

本文針對某一運營的地鐵線路進行分析，該工程直流開關柜裝備了某型號直流饋線保護裝置，開關本身具有本體保護功能，保護裝置具有大電流脫扣保護、di/dt 、定時限過流保護、熱過負荷保護以及雙邊連跳保護等。

2.1.1 直流高速開關本體保護

在直流高速開關本體方面，其所使用的UR40斷路器自身所具有保護功能并不具有延時性，其固定分閘時間為4ms，能夠較為快速的對發生在近端的金屬性短路故障進行切除，并能夠通過其自身所具有的脫扣器實現跳閘。其整定范圍大于最大負荷的正常啟動電流，其值同近端最大保護電流相比則較小。在同機車保護配合應用之后，則能夠有效的躲過機車斷路器所具有的電流脫扣保護。在以單邊方式進行供電時，其能夠以較為可靠的方式對末端電弧性短路故障電流進行切除，且要求整定值同末端電弧性短路故障電流相比要小。而在大雙邊方式進行供電的情況下，則需要對對上述條件進行校核。

2.1.2 di/dt+△I保護

電流上升率（di/dt）保護是主要針對接觸網遠端發生短路故障的情況，在實際應用發生故障時，該短路電流所具有的幅值同直線饋線負荷電流相比則要小，且斷路器自身不能夠起到保護的作用。實際整定要求方面，則具有以下幾方面的內容：首先，其需要大于接觸網過分段沖擊以及機車啟動所產生的電流變化率；其次，應當小于線路末端短路電流變化率。電流增量保護是主要針對近端接觸網發生短路故障的情況。di/dt+△I保護是接觸網饋線的主保護，兩者具有著相互獨立、相互配合的應用特點。在實際應用中，為了避免電流增量可能受到干擾誤動影響，會對短路電流上升率以及延時時間等附加部分限制條件。

2.1.3 IMAX穩態電流整定原則與功能

IMAX穩態電流保護為近、中段短路故障所具有的后備保護，其在實際應用中的整定要求為需要小于大電流脫扣保護整定值，所具有的返回系數為80%，且需大于電流增量值。

2.1.4 IDMT定時限過電流保護整定原則與功能

IDMT定時限過電流保護是針對線路在末端發生短路故障的后備保護，要求其整定值應當小于接地線同線路末端接觸的最小短路電流，且能夠大于車輛電機啟動時間與電流。對于不同車輛來說，其電動機啟動的時間與電流方面存在一定差異。

2.1.5 熱過負荷保護整定原則與功能

對該保護而言，其所具有的功能能夠對過負荷故障進行消除，而并非對于短路故障所施加的保護。在該保護中，根據接觸網（軌）及饋線電纜流過的電流，對接觸網（軌）所具有的發熱量進行計算。當計算的溫度超出了整定范圍，系統則會出現跳閘或者進行報警。

2.1.6 雙邊聯跳保護

雙邊聯跳保護是在故障情況下，為了能夠對相鄰變電所饋線實現可靠跳閘而設立的后備保護。當故障發生時，同短路故障點距離較近的變電所饋線會優先動作，對于距離較遠的變電所，則會因為故障電流值達不到保護定值而不會出現跳閘操作。為此，專門設置雙邊聯跳保護解決上述問題，當離故障點較近一側的直流饋線斷路器發生跳閘后，啟動聯跳裝置，向對側直流饋線保護裝置發出聯跳信號。

2.2 鋼軌過電壓保護

直流牽引供電系統中，鋼軌對地絕緣安裝，牽引電流在通過軌道時會產生電壓降，當大雙邊方式進行供電或者多列車同時進站制動時，軌道對地電位可能會迅速升高，超過規范允許值，對人體安防護存在一定影響。對此，通過對鋼軌電位限制裝置的合理整定實現對乘客以及列車工作人員的安全作出保證。

3.案例分析

結合上述原則，針對南方某新建地鐵線路進行整定，該線路采用DC1500V接觸軌供電，6輛B型車編組，列車采用西門子牽引系統，單列車最大啟動電流為3000A。結合直流供電系統短路計算，對直流饋線保護進行如下整定。開關本體保護整定為：10kA；電流速斷保護Imax整定為8000A，1ms；定時限過電流保護：4000A，25s；di/dt+△I保護：啟動值：50kA/s，返回值：15kA/s，△I：4800A；熱過負荷保護：3000A，10min；鋼軌電位：I段：120V，0.5s，II段：150V，0.2s，III段：600V，無延時。根據上述整定值，分別進行近、遠端短路試驗，均成功跳閘，圖1-3為短路試驗結果。試驗結果表明上述整定值能夠滿足直流系統繼電保護要求。

圖一 某站近端短路時，柜體泄壓通道噴射電弧，斷路器成功分斷

圖二 遠端短路時短路電流

圖三 近端短路時短路電流

3 結束語

近年來，隨著我國地鐵交通事業的發展，人們對于地鐵出行的安全性以及穩定性也具有了更高的要求。在上文中，我們對直流牽引供電系統繼電保護配置及整定進行了一定的研究與探討，并結合實際工程案例，進行了整定計算，并通過短路試驗進行了驗證。試驗結果表明該組整定值具有良好的選擇性、速動性和可靠性。直流供電系統有其自身特點，其繼電保護整定策略需根據實際的線路情況、供電制式，并結合繼電保護裝置的配置功能進行制定，以獲得更為穩定的運行效果。

參考文獻

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