關于直流牽引供電系統繼電保護配置及整定的探討

李金明

摘 要：現代社會科技化進程的不斷加快，在為供電系統的發展提供堅實基礎的同時，也使得人們對于供電安全問題的關注不斷上升。直流保護裝置作為供電系統的重要防護設備，其整定參數的計算在一定程度上影響了保護裝置的運行效率。為此，相關單位應結合直流系統的實際運行情況，對保護裝置的整定數值進行準確計算，為電力系統的安全運行夯實基礎。

關鍵詞：短路故障特性；整定參數；大電流脫扣

直流保護裝置的合理應用，在一方面可以降低故障電流對供電系統安全運轉的不利影響，控制故障影響范圍；另一方面也能夠提升系統運行的穩定性與可靠性。但在直流牽引的實際供電過程中，由于保護裝置的使用特性與故障電流的位置不同，使得保護裝置的整定值計算存在一定的難度。在此基礎上，本文從觸電網故障電流發生位置的不同，電流上升速率、電流數值的差異等方面出發，對保護定值的科學計算方式進行系統的闡述。

一、直流供電系統的故障特性

直流牽引系統主要構成部分包括：整流機組、牽引網、直流開關以及電纜等幾部分。分析故障發生原因的主要方法是暫態響應法，其基本的理論依據來源于戴維南、疊加定理。回路電阻以及電感參數對短路斷流的重要影響是直流短路故障的主要特性之一，因此，故障電流所處位置不同，短路特性也有所差別，接觸網的近端與中遠端的短路特性就有著較大的差別。

1、近端短路故障的特性

如果線路的短路故障發生在變電所的近端位置，則電流的上升幅度越大，所流經的短路電流也相應增強。接觸網的近端部分出現短路情況，短路電流的預期值能夠達到80kA以上，而電路初始數值的上升率超過5kA/ms。在這一過程中，如果無法快速的切斷短路電流，電流將會在短時間內達到峰值，不僅會對供電設備與系統造成較大的危害，還會在一定程度上降低供電系統的安全系數，引發事故。為此，應在短路電流上升到最大值之前，及時開啟保護裝置，切斷電流。實際的短路當電流變化如圖一所示，電流在極短的時間內達到曲線頂端。

2、中遠端短路故障的特性

在供電系統中，距離接觸網較遠的短路電流由于輸送線路的電感作用τ值會出現加大的情況，因此，短路的電流數值變化相對緩和，初始階段的電流上升率較低，對直流設備的影響相較于近段電流小。

二、保護裝置的方案設計及技術原理

1、保護裝置的方案設計

根據饋線近端與中遠端線路故障的特性差異，單一的幾點保護裝置很難實現對供電系統的全面防護，在此基礎上，為兼顧供電系統防護裝置速動性與安全性的需求，需要根據饋線位置的不同分別設置保護裝置。主要的饋線保護設備主要包括以下幾種：大電流脫扣保護（斷路器本體DA保護）；△I、di/dt保護；熱過負荷保護；雙邊聯跳保護。其中，脫扣防護裝置以及△I、di/dt裝置是防護的關鍵，分別為饋線近端、中遠端防護的主裝置。

2、繼電保護配置的技術原理

大電流脫扣的防護裝置是一種直流短路設備，主要作用于饋線近端的短路電流，作為主保護系統，采用的是磁脫扣的技術原理，根據電流變化程度，實現機械響應或者全分段時間，一旦短路電流的速率超過5kA/ms臨界值時，斷路器的機械響應時間為三到四秒之間，燃弧熄滅的時間達到了二十五秒左右。大電流脫扣的防護裝置可以在短路電流到達頂點前切斷電路，在限制電流數值的同時，降低故障造成的影響。與此同時，對于饋線中遠端的故障問題，由于電流的上升的速率相對較小，大電流脫扣裝置的的反應時間過長，斷電效果不強，因此主要采用微控制處理器來對短路電流進行限制。具體來講，主要通過△I、di/dt進行防護，△I反應電流的數值，di/dt反應電流的上升速率，兩者分別是饋線中、遠端防護裝置的主保護系統。

（1）△I保護裝置

△I保護技術是當di/dt超過整定值時，檢測電流實際增量，通過增量的變化對電路電路情況進行檢測的技術。一旦電流上升的速率超過標準值，△I保護將啟動保護裝置，并以此為基礎計算△I，裝置啟動時刻測算的電流為基礎數值。達到？I延時后，若△I達到△I整定值（△Itrip），則保護裝置動作。

（2）di/dt保護裝置

di/dt保護裝置主要是通過對di/dt的檢測，對遠端短路電流進行控制。如果di/dt超出整定值，啟動di/dt保護裝置，如果di/dt的持續時間超過定值，保護裝置出口將會跳閘。

盡管不同供電單位保護裝置的實際工作原理與整定值的設定有所不同，但基本的技術要點大致相同。

三、整定參數的計算

整定參數的計算是直流供電保護裝置能否有效控制短路電流的決定性因素，為保證整定值計算的科學性與合理性，應通過短路計算與校核計算來得到精準的整定參數。

1、短路計算

短路計算的根本目的在于確定饋線的相關保護定值以及保護裝置的靈敏度。計算的主要內容包括計算牽引供電程序在接觸網以及回流軌、接觸網和架空地線之間運行時產生的短路電流及電流的上升速率。通過戴維南、疊加定理，分析RL動態回路的實際情況。在計算的過程中，關鍵點在于總電阻、總電感的計算、確定。由于接觸網與回流軌、架空電線兩種短路電流運行的路徑不同，因此總電阻與總電感的計算方式也有所差別。

2、整定計算

（1）大電流脫扣保護裝置的整定值計算

首先，計算饋線承受電流的最大值，算出初始整定值。為保證保護裝置的選擇性，DA定值結合近端的短路時間，避免出現越區跳閘的情況。與此同時，供電臂兩側的整定值應該保持一致。在滿足所有條件的數值中選取最大值，作為近端保護裝置的整定值。

（2）di/dt保護裝置的整定值計算

di/dt初始定值。該值應大于機車啟動時的最大電流變化率，同時應小于越區供電時區間末端短路t時刻的短路電流變化率di/dt│t=di/dtduration。延時時間（di/dtduration）定值。di/dt保護范圍至下一相鄰供電區間末端，為保證選擇性，其延時時間應與相鄰供電區間的保護配合。同時，還應考慮機車內LC濾波回路充電時（如受電弓的離線導致濾波器充電）可能引起的di/dt保護裝置誤動。di/dt延時時間定值應大于T/2（T為濾波回路充電電流變化率的諧振周期）。取上述2種計算結果中的較大值作為延時時間的定值。

（3）△I保護裝置的整定值計算

△I保護整定的主要參數為di/dt、△I、△Idelay、di/dtduration。其中di/dt、di/dtduration為△I保護元件的參數，不同于di/dt保護元件的參數。△I保護同樣要考慮與機車特性配合，躲過機車啟動或機車濾波器充電導致的△I保護裝置誤動。另外為保證選擇性，還要考慮與相鄰供電區間的保護配合，不致越區跳閘。在該原則下，不同廠家的△I保護可以有多種整定方法，可以用△I定值配合，也可用di/dt定值配合。

結語：直流供電環節的保護裝置整定值計算是保證保護設備運行效率的重中之重。為此，相關供電單位應采取科學、合理的計算方法，結合短路電流的實際運行特征，提升整定參數計算的準確性。根據短路電流流經路線、位置的不同，按照近端、中遠端短路電流上升速率、相同時間內增值的差別，計算出總電阻與總電感的數值，從而為保護裝置的合理應用夯實基礎。

參考文獻：

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