地鐵牽引供電系統直流饋線保護技術探究

孟科 周非 苗建科 周天鳴 趙陽

摘 要：地鐵直流牽引供電系統是地鐵系統的重要組成，直流饋線保護技術是地鐵直流牽引供電系統的核心。我國地鐵牽引供電系統的研究起步晚，在快速的地鐵發展中供電系統出現了許多問題，供電系統保護裝置的可靠性在不同程度地下降。饋線保護技術是關系到直流牽引供電系統可靠性的關鍵因素，是保護地鐵牽引供電系統正常運行的重要保障。

關鍵詞：地鐵；地鐵牽引供電系統；直流饋線保護技術

中圖分類號：U231 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）01-0148-02

Abstract： The direct current （DC） traction power supply system is an important part of subway system. DC feeder protection technology is the core of metro DC traction power supply system. The research of metro traction power supply system in our country started late， many problems appeared in the power supply system in the rapid development of subway， thus the reliability of the protection device of the power supply system declined in varying degrees. Feeder protection technology is a key factor related to the reliability of DC traction power supply system， so it is an important guarantee to protect the normal operation of subway traction power supply system.

Keywords： subway； subway traction power supply system； DC feeder protection technology

我國的城市軌道交通發展迅速，但整個城市軌道體系的相關配置并沒有完善，會對軌道交通的正常運行造成干擾。地鐵牽引供電系統可以為地鐵提供牽引用電，而直流饋線保護系統可以保護供電系統的正常運行，是地鐵牽引供電系統的關鍵部位，在城市地鐵運行領域對直流饋線保護系統的研究和完善，對地鐵牽引供電系統的運行有重要作用，有助于城市軌道交通減少故障，運行順暢。

1 地鐵牽引供電系統

（1）地鐵供電系統。地鐵運行過程中牽引供電系統的主要功能是保證地鐵正常運行輸送電能，地鐵牽引供電系統中，直流供電系統由牽引變電站、架空接觸網組成，由于與地鐵直接相連，不易受到干擾且易于控制，在城市軌道交通中應用廣泛。（2）地鐵供電系統牽引短路故障。地鐵牽引供電系統發生短路故障時，由于地鐵啟動造成的電流變化異常比發生短路故障的電流變化時間長，饋線故障所引起的短路電流和地鐵啟動時的過電流也會相應變化，并且呈指數函數形式。線路末端發生短路故障時，電流變化量要大于啟動時的電流變化量[1]。當供電線路前端發生短路故障時，異常電流變化會更加明顯，線路末端發生故障時，電流變化的最大值與地鐵啟動時的電流變化最大值相同，如果供電系統的饋線長度增加，線路末端發生短路故障時，短路電流變化率會減小。（3）供電保護系統。直流饋線保護技術中的直流斷路器按照功能一般分為整流回路斷路器和直流饋線斷路器，整流回路斷路器可以在整流器出現短路故障時及時切斷電流，直流饋線斷路器可以在供電線路出現故障時，斷開故障區域的牽引網。地鐵供電系統直流保護技術在運行時，不能忽略除短路故障外的其他故障，在疑似短路故障發生后，要同時檢驗是否存在其他故障原因。其次在地鐵供電系統正常運行期間，地鐵啟動所引起的過電流在通過直流保護系統時容易造成誤動作，對地鐵正常運行造成不必要的干擾。直流保護工作系統可以確保在供電系統出現問題時及時消除故障。（4）直流饋線保護技術的特點。地鐵啟動時的電流變化率持續時間比短路電流變化率的持續時間長，可以作為減少誤操作的區分因素。與地鐵啟動的瞬間電流量相比，短路電流量更高，鐵路延長時電流量可能更低。相比負荷電流變化率，短路電流的變化率更高，并與地鐵啟動時的最高電流變化率一致，直流饋線延長時，故障電流的變化率要比負荷電流變化率更低[2]。（5）直流饋線保護技術的配置原則以及主要影響因素。牽引供電系統內的直流系統故障形式主要有短路故障、過負荷故障、過壓故障等，最常見、危害最大的是短路故障，短路故障的發生與其短路點的位置和短路的性質有緊密的關系。直流短路系統保護裝置要保證在系統發生短路故障時可以快速并且有選擇地切斷故障線路，在系統過負荷時發出警報，在故障消除后盡快恢復供電，減少對地鐵供電和運行的干擾，盡可能地保證在可靠安全供電的前提下，配置力求簡潔，避免配置過多，增加保護難度，也增加工程投資費用[3]。

直流饋線保護系統要考慮的影響因素包括：各系統之間的設備相互配合關系，可以保證在系統發生故障時能夠及時切斷故障區域。保證在地鐵正常運行時，不會因為誤跳閘影響地鐵的正常運行，避免地鐵在啟動時受到沖擊電流的影響。1500伏直流饋線的保護配置應保證在直流供電系統正常供電的情況下，在發生短路故障時可以快速跳閘。

2 地鐵牽引供電系統直流饋線保護技術

（1）大電流脫扣保護。大電流脫扣保護是指線路前端出現短路故障，從而會引起較大的過電流，對供電系統設備造成破壞時，有效避免這種情況。在檢測到短路電流高于動作電流時，大電流脫扣保護可以及時進行跳閘動作，動作異常靈敏。在出現近端短路故障時，必須保證在電流增量和電流上升率保護動作開始前進行跳閘。（2）定時過電流保護。定時過電流保護主要起到確保供電線路中小電流故障可以被及時清除的作用，清除故障時有一定的延時，因此制定整定值時有正負區分[4]。定時過電流保護是電流增量保護和電流上升率保護的后備措施，動作時間要控制在幾十秒之內，在切除故障時具有一定的延時性。定時過電流保護作為大電流脫口保護和電流上升率保護的后備保護，可以在直流饋線短路電流值超過預先設定的最大電流值時，通過直流饋線斷路器動作跳閘來清除故障。設定最大電流值時，可以分別反方向設定電流值，地鐵運行過程中，變電所內直流饋線被用于直流供電時，線路發生故障，反向電流通過直流饋線斷路器，可以檢測并清除故障。（3）接觸網過熱負荷保護。在地鐵運行高峰期會出現過電流，此時牽引網溫度升高，會對供電系統造成破壞，設備損壞。接觸網熱過負荷保護就是要避免接觸網過熱所設置的保護，根據對供電系統狀態的監測，并依據平時的經驗，設定整定值，在溫度超過整定值時，過熱負荷保護就會啟動跳閘。根據接觸網的狀態計算接觸網的發熱量，在根據熱負荷和環境條件。計算出接觸網的電纜溫度。電纜溫度在超出規定值時報警，并發出跳閘命令，從而保護接觸網。由于接觸網特有的熱特性，保護裝置的曲線要與接觸線的曲線進行配合，并于饋線電流保護進行配合。（4）框架泄漏保護。在地鐵供電系統中開關設備柜出現短路情況時，產生的電流就會對設備造成損壞，在工作人員接觸開關設備柜時也會對工作人員造成安全威脅。由于設備與接地網直接連接，在設備出現特殊情況時會帶來異常的接地電流，通過框架泄露保護對設備狀態的實時監測，在接地電流超過設定的整定值時，框架泄露保護就會啟動，開啟電流保護動作。在系統正常運行時，沒有檢測到電流通過，而柜體發生損壞時，電流流入接地網，達到整定值，框架泄露保護動作，斷路器和直流斷路器跳閘。（5）雙邊連跳保護。雙邊連跳保護是指連接接觸網的兩個牽引變電站，在接觸網發生故障時，其中一個變電站啟動保護動作，另一個變電站收到保護動作命令，兩個牽引變電站就會同時跳閘，減少故障帶來的影響，并有效排除故障。在具體操作中，兩個相鄰的牽引變電所在同一時間向同一段接觸網供電，在故障發生時，檢測到動作信號，會向相鄰的變電所發送直流開關跳閘信號，引發相鄰變電所的直流開關跳閘。（6）自動重合閘。地鐵牽引供電系統中出現的故障一般為瞬間故障，在啟動保護裝置切斷故障區域后，要啟動自動重合閘繼續起到保護作用。在自動重合閘運作時，需要確保牽引網線路不存在故障，不然會造成斷路器長時間切斷，對系統造成破壞[6]。要設定自動重合閘啟動次數超過限值時，將該部分確定為非瞬時性故障，不再啟動自動重合閘。在自動重合閘運行過程中，若線路故障被診斷為永久性故障，要先將變電所重啟，再開啟重合閘。在手動分閘后，自動重合閘不會再動作。自動重合閘的動作次數超過預定次數時，合閘不成功，則為永久性故障，此時要閉鎖重合閘回路。（7）電流增量保護與電流上升率保護。電流增量保護與電流上升率保護是直流饋線保護技術中的主要措施，在發生故障時，可以將近端短路電流切斷，也可以做到大電流脫扣保護，短路故障切除能夠有效避免電路中電流上升率保護的干擾問題。延時跳閘主要用于遠端短路電流識別和調查。智能系統在正常工作中通過保護裝置，實時監測電流上升率，在既定的時間內被保護鎖定，則電流上升率保護動作進入延時階段，電流上升率始終比保護設定值高，在啟動保護動作時，電流上升率位置在設定值保護范圍內，對電流增量進行計算，電流上升率始終高于保護設定的，電流總量也高于保護設定值，此時電流增量實施保護動作。（8）低電壓保護。低電壓保護主要用于地鐵的正常工作電壓保護，地鐵運行所允許的最低工作電壓時間要大于可能出現的故障造成的停電間隔，在地鐵供電系統發生故障時可以成為其它管線保護的后備保護設備。（9）逆流保護。在整流器回路出口短路的電流通過時，逆流保護會瞬時啟動，保護供電系統，由于引起逆流保護的斷路器電流都很小，因此可按照小于斷路器額定電流的一半進行逆流保護電流量的確定。（10）直流保護配合的驗證。直流牽引供電系統保護技術的整定值可以通過計算確定，也可以通過直流短路試驗，在通過計算得出整定值后，還要測驗其能否配合地鐵的正常運行。通過直流短路試驗結果分析，最終才能確定保護的整定值。

3 結束語

地鐵牽引供電系統的直流饋線保護技術的質量直接影響地鐵運行的穩定性，對于地鐵牽引供電系統，加強保護措施具有非常重要的意義，進一步完善直流饋線保護技術，可以有效保證地鐵穩定供電，對地鐵牽引供電系統的順利運行有重要作用。相關技術人員要做好地鐵牽引供電系統直流饋線保護技術的探索研究，對直流饋線保護技術以及核心技術措施進行分析總結，提高地鐵牽引供電系統直流饋線保護技術的質量和水平。對于具有的直流饋線保護系統，要根據線路運行的實際情況和各種影響因素來設計保護方案。

參考文獻：

[1]李菲.淺析地鐵直流牽引供電系統饋線保護[J].通訊世界，2016（9）：217-218.

[2]祁恩禹.地鐵直流牽引供電系統饋線的保護方法[J].工程技術：全文版，2016（11）：181.

[3]張厚寶.地鐵直流牽引供電系統饋線保護方法及應用實踐分析[J].科技展望，2017，27（4）.

[4]劉晶.地鐵直流牽引供電系統饋線保護方法及應用實踐分析[J].裝飾裝修天地，2017（24）.