脈沖技術(shù)在城軌直流饋線保護(hù)中的作用

尹 科，徐銀飛

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脈沖技術(shù)在城軌直流饋線保護(hù)中的作用

尹 科1，徐銀飛2

（1. 株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南株洲 412000；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

介紹了城軌直流控制系統(tǒng)短路形式及特點(diǎn)。對(duì)城軌用直流斷路器各分閘方式的固有動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，論證了脈沖脫扣保護(hù)的優(yōu)勢(shì)。

城軌直流控制系統(tǒng) 固有動(dòng)作時(shí)間 脈沖脫扣保護(hù)

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化步伐的加快，城市軌道交通的顯著優(yōu)勢(shì)越來(lái)越被人們重視。現(xiàn)代化的服務(wù)、可靠的運(yùn)行時(shí)間使其成為人們出行的首選。因此城軌交通正成為全國(guó)多個(gè)城市交通發(fā)展的首選。

我國(guó)城軌交通所采用的直流牽引系統(tǒng)主要有750 V和1500 V兩種電壓等級(jí)。由城市電網(wǎng)經(jīng)過(guò)變壓器、整流器等到達(dá)直流電網(wǎng)，再向軌道機(jī)車供電。整個(gè)直流牽引系統(tǒng)由很多電器元件組成，而各個(gè)電器的短耐能力各有不同。為防止短路故障對(duì)牽引系統(tǒng)造成較大范圍破壞，牽引系統(tǒng)由多級(jí)短路保護(hù)組成。

城軌交通牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)容易出現(xiàn)短路故障，隨牽引系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，短路工況經(jīng)常也表現(xiàn)出其復(fù)雜性，其造成的破壞程度也不一樣。短路故障狀態(tài)的不同、系統(tǒng)電流與短路電流的識(shí)別等都對(duì)系統(tǒng)保護(hù)提出較高的選擇性與速動(dòng)性要求。短路電流通常可達(dá)到系統(tǒng)電流的10到20倍，甚至更高，其嚴(yán)重影響城軌交通的可靠運(yùn)行。短路電流參數(shù)不確定，直流側(cè)短路工況最早起保護(hù)作用的是直流斷路器，而目前直流斷路器一般只有過(guò)流保護(hù)，其保護(hù)較單一。而脈沖配合綜保系統(tǒng)可以使直流保護(hù)更加完善，其意義對(duì)直流牽引系統(tǒng)非常重要。

1 直流牽引系統(tǒng)組成及短路形式分析

1.1 牽引系統(tǒng)組成

直流牽引供電系統(tǒng)因外部電源方案不同，電壓制式有所不同。外部電源方案有集中式供電、分散式供電、混合式供電，這里以集中式供電進(jìn)行說(shuō)明。

所謂集中式供電方案，是指由專門設(shè)置的主變電所集中為牽引變電所及降壓變電所供電的外部供電方式，每個(gè)主變電所有兩路獨(dú)立進(jìn)線電源。外部電源110 kV經(jīng)變壓器降壓后變成35 kV或10 kV，即中壓網(wǎng)絡(luò)，再由降壓所和牽引變電所降壓整流后，變成低壓直流電，滿足城軌機(jī)車使用。低壓直流電再經(jīng)過(guò)進(jìn)饋線柜輸入接觸網(wǎng)。其結(jié)構(gòu)如圖1。

1.2 短路形式分析

城市軌道交通短路故障主要有接觸網(wǎng)對(duì)地短路和接觸網(wǎng)對(duì)走行鋼軌短路。可理解為正極對(duì)地短路和正極對(duì)負(fù)極短路[1]。

直流牽引系統(tǒng)中，直流供電設(shè)備除了采用對(duì)地絕緣安裝方式外，還需要在設(shè)備金屬外殼和地之間設(shè)置直流框架泄露保護(hù)。當(dāng)供電設(shè)備和柜體間發(fā)生電流泄露時(shí)，就會(huì)造成變電所正極對(duì)柜體外殼短路，形成牽引網(wǎng)正極對(duì)地短路故障。三軌絕緣支架如果發(fā)生絕緣老化后，也會(huì)造成接觸軌對(duì)地短路故障。

接觸網(wǎng)對(duì)走行軌短路，一般是由機(jī)車故障造成。當(dāng)發(fā)生這種短路故障時(shí)，隨短路點(diǎn)到牽引變電所的距離不同，短路電流會(huì)有很大的差別。當(dāng)發(fā)生近端短路時(shí)，短路電流會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生很大的沖擊，其d/d很大。當(dāng)發(fā)生遠(yuǎn)端短路時(shí)，短路電流曲線接近于指數(shù)函數(shù)曲線，d/d較小，電流幅值也小，其發(fā)生過(guò)程和最大負(fù)載下一個(gè)分區(qū)內(nèi)多部列車連續(xù)啟動(dòng)時(shí)的電流形態(tài)非常相似，所以甄別遠(yuǎn)端短路和列車啟動(dòng)電流是牽引變電所直流保護(hù)的難點(diǎn)。

圖1 集中式供電方案結(jié)構(gòu)圖

1.3 短路故障甄別

短路故障的甄別主要指保護(hù)系統(tǒng)區(qū)分遠(yuǎn)端短路故障和列車啟動(dòng)電流。因遠(yuǎn)端短路故障電流上升率，峰值都比較小，通常與列車啟動(dòng)或通過(guò)牽引網(wǎng)分段時(shí)的電流瞬時(shí)值比較接近，甚至小于該電流，所以遠(yuǎn)端短路故障的區(qū)分是牽引系統(tǒng)直流保護(hù)的難點(diǎn)。

對(duì)遠(yuǎn)端短路故障的甄別一般是利用饋線電流的電流變化率、電流增量及時(shí)間的變化，對(duì)短路電流和列車啟動(dòng)電流進(jìn)行區(qū)分，使饋線開(kāi)關(guān)在線路發(fā)生最小短路電流時(shí)跳閘，而列車啟動(dòng)時(shí)保護(hù)不動(dòng)作[3]。

2 城軌牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)短路保護(hù)形式

城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)直流保護(hù)形式有多種，而主要的執(zhí)行元件是進(jìn)線或者饋線斷路器。短路工況比較復(fù)雜，且危害性較大，除了綜合保護(hù)裝置要準(zhǔn)確可靠的判斷出短路故障，斷路器也要迅速進(jìn)行短路切除。

2.1 短路工況的復(fù)雜性

城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)短路工況比較復(fù)雜，這主要可以從以下幾點(diǎn)進(jìn)行解釋[2]：

1）供電電源多。城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)，由多個(gè)牽引變電所與牽引網(wǎng)共同構(gòu)成一個(gè)多電源的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)，并非只有靠近短路點(diǎn)的兩座牽引變電所而是全線的牽引變電所都通過(guò)牽引網(wǎng)向短路點(diǎn)進(jìn)行供電。

2）供電方式多。根據(jù)運(yùn)營(yíng)要求，每個(gè)供電分區(qū)都可以進(jìn)行單邊供電、雙邊供電或大雙邊供電。

3）供電回路多。城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)，因供電電源多、供電方式多，必然導(dǎo)致供電回路多、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜化。

4）回路參數(shù)多。因電源多、方式多、回路多，決定了供電網(wǎng)絡(luò)中回路參數(shù)多。

同時(shí)短路形式又有多種，且短路故障和正常運(yùn)營(yíng)的部分特殊時(shí)段工況又比較近似，這就要求保護(hù)系統(tǒng)要比較靈敏、可靠性要高。短路電流危害性比較大，一旦確認(rèn)短路故障，保護(hù)執(zhí)行元件需要迅速動(dòng)作切斷故障回路。

2.2 短路保護(hù)形式

城市軌道交通牽引系統(tǒng)目前都是采用的微機(jī)綜合保護(hù)裝置，簡(jiǎn)稱綜保。綜保裝置通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，其軟件對(duì)供電系統(tǒng)中的各種復(fù)雜故障具有很強(qiáng)的綜合分析能力和判斷能力。綜保裝置可以實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，并迅速地進(jìn)行采用計(jì)算，反復(fù)精確地校核。在供電系統(tǒng)發(fā)生故障的暫態(tài)時(shí)期內(nèi)，能正確判斷故障，當(dāng)故障發(fā)生變化時(shí)，也能及時(shí)做出判斷和自我修正。

除斷路器本體大電流脫扣保護(hù)外，借助于綜保裝置的強(qiáng)大功能，可以實(shí)現(xiàn)多種保護(hù)形式。這些保護(hù)形式多作為斷路器主保護(hù)的后備保護(hù)，而且各保護(hù)之間也存在備用關(guān)系。保護(hù)層次多樣化，可以對(duì)各種不同的短路形式進(jìn)行判定，且針對(duì)不同的牽引供電系統(tǒng)也可以選擇不同的保護(hù)配合。這些保護(hù)形式主如表1。

2.3 斷路器分閘方式比較

短路保護(hù)最終執(zhí)行元件為斷路器，目前城市軌道交通牽引系統(tǒng)使用的直流斷路器具有的分閘方式主要有：1)緊急手分，2)大電流脫扣，3)分勵(lì)線圈分閘，4)脈沖脫扣動(dòng)作分閘。

表1 保護(hù)形式

安全起見(jiàn)，地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)，變電所內(nèi)一般不允許有人員在所內(nèi)活動(dòng)，所以緊急手分在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，基本不會(huì)形成分閘保護(hù)；大電流脫扣是完全有可能啟動(dòng)的，當(dāng)短路電流大于整定值時(shí)，大電流脫扣保護(hù)形成斷路器分?jǐn)啾Ｗo(hù)。按快速直流斷路器定義，其大電流脫扣固有動(dòng)作時(shí)間為5 ms以內(nèi)。但是大電流脫扣保護(hù)功能是呆滯的，只有電流大于整定電流時(shí)，才會(huì)起保護(hù)作用。而面對(duì)種類繁多的短路形式，其保護(hù)顯得比較局限；分勵(lì)線圈分閘，即由斷路器本身分閘機(jī)構(gòu)產(chǎn)生分閘力，實(shí)現(xiàn)分閘保護(hù)。但缺點(diǎn)是，一般斷路器分閘機(jī)構(gòu)為電磁機(jī)構(gòu)，其固有動(dòng)作時(shí)間比較長(zhǎng)，一般可達(dá)到10 ms甚至更高，且由控制系統(tǒng)給出分閘命令仍需要時(shí)間，這對(duì)短路保護(hù)的迅速性非常不利；脈沖脫扣，脈沖脫扣動(dòng)作非常迅速，可達(dá)到3 ms以內(nèi)，且其通過(guò)晶閘管控制電容放電，從得到命令到放電完成基本不到1 ms。其固有動(dòng)作時(shí)間比較如下表2。

表2 固有動(dòng)作時(shí)間比較

實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，除斷路器本體大電流脫扣外，其他保護(hù)形式均以綜合保護(hù)裝置與分勵(lì)線圈分閘保護(hù)配合或者以綜合保護(hù)裝置與脈沖脫扣配合來(lái)實(shí)現(xiàn)。從以上時(shí)間分析，可以看出以脈沖脫扣為保護(hù)動(dòng)作輸出的后備保護(hù)具有明顯的速動(dòng)優(yōu)勢(shì)。

3 脈沖原理及保護(hù)優(yōu)勢(shì)

脈沖脫扣本質(zhì)為電磁斥力機(jī)構(gòu)。電磁斥力機(jī)構(gòu)作為一種快速操動(dòng)機(jī)構(gòu)，其各方面性能均優(yōu)于普通彈簧機(jī)構(gòu)和永磁機(jī)構(gòu)[4]，其在電力系統(tǒng)故障限流、電能質(zhì)量控制等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[5]。將脈沖技術(shù)應(yīng)用于直流牽引系統(tǒng)中，必然會(huì)使城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)的保護(hù)達(dá)到更好的效果。

3.1 脈沖原理

脈沖技術(shù)所使用的電磁斥力機(jī)構(gòu)并不復(fù)雜，其主要組成部分如圖2所示：

圖2 機(jī)構(gòu)主要組成部分

斥力盤通常為銅或者鋁，呈圓盤狀，其與下側(cè)的線圈間距越小產(chǎn)生的電磁沖擊斥力越大。線圈有效載流線徑較大的銅芯漆包線，線圈電阻極小，匝數(shù)較多，可以瞬間產(chǎn)生非常大的感應(yīng)電磁通。通路開(kāi)關(guān)需要采用晶閘管導(dǎo)通，可以保證開(kāi)通回路盡量少的消耗時(shí)間。電磁斥力機(jī)構(gòu)不可以采用恒流源等一般電源作為線圈電源，需要采用較大的電容進(jìn)行放電，因?yàn)殡娙莘烹娔軌蜻_(dá)到納秒級(jí)別，且放電容量可以控制。

斥力機(jī)構(gòu)需要有放電觸發(fā)控制系統(tǒng)，可將K作為斥力機(jī)構(gòu)對(duì)放電控制系統(tǒng)的接口。當(dāng)控制系統(tǒng)接收到綜合保護(hù)裝置發(fā)送的命令后，控制系統(tǒng)將K閉合，導(dǎo)通放電回路，電容對(duì)線圈放電。線圈中瞬間產(chǎn)生非常大的電磁場(chǎng)，變化的電磁場(chǎng)在上方金屬盤中產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與電磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用，將巨大的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，使斥力盤受到非常大的斥力而往上運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，只需要將斷路器鎖扣機(jī)構(gòu)與斥力盤進(jìn)行連接，利用其運(yùn)動(dòng)將鎖扣機(jī)構(gòu)脫扣，即可實(shí)現(xiàn)快速分閘。

3.2 脈沖保護(hù)優(yōu)勢(shì)

直流短路保護(hù)分?jǐn)嚯妷弘娏髟砣鐖D3，ss為穩(wěn)態(tài)短路電流值，d/d為電流上升率，c為短路電流時(shí)間常數(shù)cut off是斷路器切斷電流，cut off’是脈沖脫扣保護(hù)時(shí)的切斷電流，arc’是脈沖脫扣保護(hù)時(shí)的弧壓。直流保護(hù)中一個(gè)重要的參數(shù)為限流系數(shù)，限流系數(shù)為切斷電流與穩(wěn)態(tài)短路電流的比值，限流系數(shù)表明保護(hù)系統(tǒng)性能。限流系數(shù)小表明保護(hù)系統(tǒng)越早切除故障電流，使短路電流對(duì)回路系統(tǒng)的危害降為最低。

圖3 直流短路保護(hù)分?jǐn)嚯妷弘娏髟?/p>

短路工況下，當(dāng)綜保將保護(hù)命令發(fā)送給斷路器，并由斷路器實(shí)現(xiàn)分閘保護(hù)。不論何種保護(hù)形式，保護(hù)切斷時(shí)間最終都由執(zhí)行元件斷路器決定。斷路器執(zhí)行分閘動(dòng)作又有多種形式，可以與綜保配合的有分勵(lì)線圈分閘和脈沖脫扣分閘。由以上分析可知，當(dāng)短路保護(hù)采用脈沖脫扣作為分閘執(zhí)行操作時(shí)，耗時(shí)最短。

4 結(jié)論

以上所述，城軌交通直流牽引系統(tǒng)，采用脈沖脫扣技術(shù)作為短路保護(hù)中斷路器分閘執(zhí)行器時(shí)，可以有效地切斷短路電流，限流系數(shù)比由分勵(lì)線圈分閘更小，保護(hù)性能更優(yōu)越，適合大范圍推廣使用。

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The Role of Pulse Stripping Technology in DC Feeder Protection of Urban Rail

Yin Ke1, Xu Yinfei2

(1. Zhuzhou CRRC Times Elertric Co., Ltd, ZhuZhou 412000, Hunan, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

A

1003-4862（2019）05-0030-03

TM773

2018-12-10

尹科（1982-），男，工程師。研究方向: 牽引系統(tǒng)與信息化。E-mail: yinke@teg.cn