论地铁供中直流1500V的开关保护配置研究

论地铁供中直流 1500V 的开关保护配置研究

候伟广

广州地铁集团有限公司 ( 广东 广州 510000)

摘要：城轨交通中使用最多的牵引供电方式是直流供电。由于直流供电要提供给城轨交通足够的动力，所以其所需提供的电压较大。然而，大电压虽然能满足动力要求但是一旦发生危险造成的损失是不可估量的。由此可见，设置开关保护对于地铁的直流供电系统至关重要。本文将通过对直流供电系统存在的风险进行分析，结合当前供电需求以及科技发展探索开关保护配置方面的研究。

关键词：直流供电；开关保护

1. 引言

我国作为人口大国，城市公共基础设施领域的建设对于社会的发展意义重大。地铁作为城轨交通中的重要部分，在确保完成预期运载任务的同时保持安全性十分重要。然而，我国在地铁直流供电保护领域的研究相对比较缓慢，但是保护系统是公共设备发展与进化过程中必不可少的重要环节。直流供电的开关保护配置方面研究的不断深入不仅会给地铁等城轨交通的发展提供动力，同时也为其他直流供电系统的保护体系提供了理论基础。

2. 直流1500V供电开关保护配置的重要意义和原则

1. 保护配置的重要意义

供电系统在地铁交通运营中的地位十分重要,不仅为电动列车牵引供电,而且给区间、车站等其他建筑场所提供所需求的动力照明用电,因此必须具有可靠性和安全性。^[1]虽然直流供电系统的内部结构以简洁著称，但是不同供电系统的保护系统也不尽相同。保护系统的主要有以下两个方面的意义：

首先，供电保护的目的在于确保交通设备的良好运行。公共交通设施影响的是群众集体的利益。稳定的供电保护系统给地铁的运输加上了一层保障，让消费者在使用地铁的过程中也更加的省心、放心。

其次，地铁的使用者是群众。为保护使用者的安全添加保护系统必不可少。如果地铁在工作过程中由于供电问题对群众造成人身健康方面的危害，其后期的发展将会受到阻碍。群众也会因为交通工具的安全性而选择安全性更高的交通工具。

2. 保护的原则

首先保护系统要具有可靠性原则。无论直流供电系统处于什么故障当中，保护系统都能及时发现并且准确地切除故障。另外，保护系统的检测具有准确性。这就意味着地铁的正常运行不会因为保护系统的误检测而受到影响。最后，保护系统应该具有响应迅速的特点。1500V直流保护配置如果无法在短时间内完成跳闸保护，那么产生的损失不无可估量的。

3. 当前直流1500V供电开关保护配置需要解决的主要问题

1. 短路问题

短路故障是地铁供电系统中最容易出现的问题之一，同时也是造成危害较大的故障之一。一旦地铁的供电系统出现短路情况，短时间的焦耳热会严重损坏供电系统内部的电器元件，整个供电系统将会瘫痪。另外，大范围、大面积的短路还可能导致火灾的发生进而造成更多的损失。

2. 绝缘体损坏故障

变压器是地铁供电系统中的重要角色。判断一个变压器的好坏最主要的目的就是检查其内部绝缘的质量。绝缘层是电气元件中的消耗品，在使用过程中绝缘层会逐步的老化。达到一定程度的老化之后，绝缘层将失去绝缘能力。如果使用继续使用绝缘层有损坏的变压器会有很大的危险性。

3. 引线损坏故障

引线在地铁直流供电系统中的主要作用电流的传递。其故障主要有三个影响因素，首先引线的质量直接决定了使用寿命，同时也会影响地铁的正常运行。结合引线的使用环境选择性价比最高的引线材料可以大大降低生产成本。另外，恶劣的使用环境也会加速引线的损坏。最后，引线长期堆积灰尘也会导致出现接触不良的问题。

4. 保护配置的种类

1. 电流上升率和电流增量保护

电流上升率保护和电流增量保护需要协同作用才能发挥最大的保护作用。其工作原理主要是通过时刻检测工作电流的增长情况。设备内部会设置一个阈值，当电流上升到阈值以上时，就会启动保护机制从而进入延时状态。在规定的延时时间内，若电流持续上升或者电流一直处于超过阈值的状态，那么保护端就会进行跳闸处理，防止长时间大电流产生焦耳热损坏电子元件、引发火灾等现象的发生。相反如果电流在进入延时阶段后逐渐下降，在下降到阈值之后保护返回，直流供电系统恢复正常。

电流增量保护是建立在电流上升率保护的基础之上的。当电流上升率保护开启之后，电流增量保护也随之开启。与电流上升率不同，电流增量保护是以开启时的电流作为基准点，随着延时阶段的不断推进，每个时刻都对应着一个相对于电流基准点的电流增量。电流增量保护是通过电流上升率与要求的斜率整定值的大小进行判断的。在延时阶段，如果电流上升率一直维持在高于斜率整定值以上的水平，那么当电流的增量值达到一定的程度后就会进行保护动作。

电流上升率和电流增量保护主要是对直流供电系统的短路故障进行保护的方式之一。当直流供电系统发生短路的情况时部分电路就会出现大电流，此时对应系统将会发生跳闸动作，迅速切断电流进而避免大电流带来的危害。

2. 定时限过流保护

定时限过流保护也称DTM保护，顾名思义其是通过对电流幅值检查结果选择开启保护与否的一种保护电路。由于地铁在运行过程中的直流供电系统并非时刻都能保持在一个稳定电流值，所以过流保护是通过延时来区分正常电流和故障电流。这就导致该保护法存在一个致命的缺点就是响应时间长，无法在故障发生的第一时间进行断电保护。因为过流保护存在动作时限长的特点，所以其只能作为一种后备保护。当其他一级保护出现故障后，过流保护仍然能够起到断电跳闸的效果，进而实现及时止损的目的。

3. 大电流脱扣保护

大电流脱扣保护是一种快速保护，当供电系统中出现超过正常运行的大电流时，脱扣器动作，形成断路或限流的现象控制短路故障。但是，地铁在启动时存在一个最大启动电流，也就是整个供电系统正常工作时所需的最大电流，为保证大电流脱扣保护不出现误操作的现象，其必须规避最大电流。目前常见的脱扣器主要有以下四种：

电磁脱扣器，主要是通过电磁铁产生电磁力的大小与弹簧作用力的大小不同来实现短路保护作用的。脱扣器设计者可以根据地铁正常运行的最大电流作为标准设计弹簧的刚度系数。当地铁直流供电系统达到最大工作电流时，脱扣器处于临界状态。一旦电路出现断路故障，短路电流大于正常工作电流，电磁力大于反作用力弹簧的作用力，那么衔铁将会被吸动，传动机构实现推动自由脱扣机构释放主触头。在分闸弹簧的作用下，主触头切断电路。

热脱扣器是通过焦耳热来判断产生电流是否大于正常工作的最大电流进而解决短路故障。因此，热脱口器与被保护电流是串联的关系，在正常电流工作状态下金属片处于弯曲并达到动态平衡，一旦出现短路电路金属片就会过度弯曲，接着传动机构就会推动自由脱口释放主触头达到切断电路的目的。

失压脱扣器与其他脱口器有所不同，其通过电压与额定电压的关系来判断是否进行保护动作。失压脱扣器的常态位是主触头位于合闸位置，电路正常工作。工作电压出现异常状态严重低于额定电压时（额定电压的40%），失压脱扣器将会进行动作，使得主触头掉闸脱开达到保护电路。

分励脱扣器的特点就在于可以实现远距离操控，在需要进行分闸操作是只需要将常开按钮打开，通过电磁铁的吸合作用，主触头就会脱开实现断路器掉闸操作。

地铁的开关保护工作往往比较复杂，因此需要引进多种脱口器达到保护电路的作用，这种方式成为复合脱扣器。其优势在于可以充分满足不同电路对于保护的需求，如此以来，直流供电的安全系数将会大幅提升。

5. 总结

 地铁直流牵引供电系统牵引变电所远端短路故障时，短路电流是随时间变化的。^[2]如何正确的判断电流正常与否并及时作出行之有效的保护措施十分重要。做好定期检查、针对不同电路问题确定好合适的保护和解决方案是解决地铁直流供电1500V电路故障的策略。随着保护手段的不断增加，地铁直流供电的安全性、可靠性将会出现质的飞跃。

参考文献：

[1]张智杰. 城市轨道交通DC1500V供电系统研究[J]. 万方

[2]杨立新. 地铁牵引供电系统短路故障的进一步探讨[J]. 万方 969～976

[3]艾毅，旷凌云. 地铁供电变压力保护的思考[J]. 2014（30）：290-290

[4]张平. 谈地铁供电系统中的变压器保护及故障解决[J]. 通讯世界， 2015(10)：173-174

[5]孟祥飞. 地铁供电系统中刚性结束网常见故障和防范措施解析[J]. 环球市场，2017（10）：181-181

1^] 张智杰. 城市轨道交通DC1500V供电系统研究[J]. 万方

2^[] 杨立新. 地铁牵引供电系统短路故障的进一步探讨[J]. 万方 969～976