浅析地铁牵引供电系统直流馈线保护

浅析地铁牵引供电系统直流馈线保护

袁新颍

天津三号线轨道交通运营有限公司 天津 300000

摘要：地铁直流牵引供电是地铁供电系统的一个重要组成部分。为防止直流牵引供电系统发生故障对地铁运营造成影响，需配置稳定可靠的直流保护装置。直流保护装置是在地铁线路发生故障时及时准确地检测出故障并切断故障，缩短抢修时间，减少对运营影响，降低经济损失。本文以地铁牵引供电系统为例，介绍直流馈线保护原理，并结合典型案例进行分析。

关键词：地铁；牵引供电系统；直流馈线保护

1.引言

城市轨道交通供电系统中，直流系统保护是保证其安全可靠供电的重要一环，而从直流主接线形式的构成角度，直流馈线保护是构成直流系统保护的重要组成部分。

2.直流系统保护

从直流主接线形式的构成角度考虑，直流系统保护可分为直流进线保护、直流馈线保护和框架泄露保护。本文主要对各类直流馈线保护技术进行分析。

3.直流馈线保护

直流保护馈线柜保护主要包括开关本体大电流脱扣保护和保护装置的电流速断保护、定时限过流保护、电流上升率及电流增量保护等。

3.1大电流脱扣

断路器本体自带的一种保护，利用短路电流产生较大的电磁力推动分闸机构来实现断路器跳闸。当通过断路器的电流超过整定值时，脱扣器立即动作，使断路器跳闸。一般来说，该保护的整定值要通过计算和短路试验得出，整定值要比最大负荷下列车正产启动的电流大，也要比最小短路电流大。

3.2电流速断保护

也叫瞬时电流保护，作为馈线近端短路保护，一般保护定值按馈线峰值电流考虑，与大电流脱扣保护相配合，并作为其后备保护。

3.3定时限过流保护

一般按馈线最大负荷考虑，以达到切除远端短路故障的目的，其动作延时时间较长，单位为秒，以避开列车启动的时间。当检测当前电流最大值大于整定值并超过整定时间启动跳闸。主要作用于线路上发生长时间的非正常故障，如高阻接地故障等。

3.4电流上升率及电流增量保护

di/dt和△I联合起来的保护，不断监测馈线电流及电流变化率，主要用于切除大电流脱扣保护不能切除的故障电流较小的近、中、远端短路故障。短路电流大小和时间不断的变化关系同故障点位置有关，距变电所越近，短路电流变化率越大，在相对较长的短路回路中，短路电流变化率会相对较小。

4.直流馈线保护装置

目前，我国地铁项目中的直流馈线保护装置大多引进国外的技术和设备，国产率较低。在地铁直流供电系统保护方面，国外的保护装置比较成熟可靠，如DPU96、DCP106、SEPCOS等。经过多年的实践运行证实,这些保护装置能够满足地铁直流馈线保护的各种要求。

5.典型案例解析

本文以应用于DCP106保护装置的直流开关发生的一起典型案例进行解析，研究对象为相邻2个牵引混合变电所A和B，变电所A和变电所B之间的供电区间某日因线路上存在接地短路并产生短时大电流，触发所内馈线柜直流保护，造成断路器跳闸。

图一  直流供电示意图

5.1故障现象

1）变电所B的312馈线柜发生电流上升率保护动作，并联跳变电所A的314馈线柜，后均自动重合闸成功；2）变电所A的314馈线柜发生电流上升率保护动作，并联跳变电所B的312馈线柜，后均自动重合闸成功。

5.2故障录波分析

通过调取故障录波，其中一个变电所的保护装置录波分析如下：

图二  故障录波图

从波形图可以看出：

1）在t=-80ms处，电流值约6170A，未达到电流速断保护（IOP）的电流整定值，电流速断保护未启动；达到过电流保护（OCP）的电流整定值，但持续时间未达到整定值，定时限过流保护未启动；达到电流上升率保护（ROR）的电流上升率（di/dt）的整定值，电流上升率保护启动，且电流上升率（di/dt）在t=-80ms之后小于整定值，此时开始计时一段延迟时间（t-del）。

2）在t=0ms处，电流值约7460A，未达到电流速断保护（IOP）的电流整定值，电流速断保护未启动；达到定时限过流保护（OCP）的电流整定值，但持续时间未达到整定值，定时限过流保护未启动；达到电流上升率保护（ROR）的电流增量（dI-del）即I（t=0ms）-I(di/dt保护启动时)整定值，触发保护装置动作，断路器跳闸。

5.3故障排查

通过故障录波分析，此次故障为正常的电流上升率保护动作，即线路上存在短时大电流，造成保护装置正常动作。其可能的故障点如下：312馈线柜开关本体故障；312馈线柜开关本体与3121上网隔开连接电缆存在短路故障点；上网电缆存在短路故障点；区间接触轨与地之间存在临时搭接物，造成对地短路；列车本身问题，造成对地短路。因此，排查如下：

1）设备本体检查：查看断路器触头、母排电缆，均未发现有打火拉弧痕迹，无异味，排查结果正常。因此排除设备本体接地短路问题。

2）312馈线柜至3121隔开连接电缆检查：检查312馈线柜至3121隔开连接电缆未发现打火拉弧痕迹，另外，对该段电缆进行绝缘测试，测试结果合格。因此，排除了312馈线柜至3121上网隔开之间连接电缆短路引起的电流上升率保护动作。

3）线路区间检查：对故障区间接触轨及上网电缆进行排查，未发现打火、拉弧痕迹。因此，排除接触轨异物搭接造成对地短路击穿。

4）列车电气回路检查：经对列车进行检查，发现列车齿轮箱接地端子发生断裂，导致列车牵引时发生电气回路接地故障，造成电流上升率保护动作跳闸。

    因此，经过以上排查过程，未发现供电设备存在异常情况，本次故障非供电专业设备引起而且由列车短路故障引起。

6.结束语

本文对地铁牵引供电系统中的直流馈线保护的原理进行分析，通过分析，直流馈线各类保护的整定值对应不同故障类型，其整定值的取值非常重要，如果整定值偏大，不能有效保护设备；如果整定值偏小，不能辨别正常电流和故障电流，容易造成断路器误动作影响运营。因此，设置符合地铁列车运营实际的保护整定值，对地铁安全稳定运行有重要的意义。

参考文献

[1]于松伟杨兴山韩连祥.城市轨道交通供电系统设计原理与应.ISBN:9787811048506.

[2]欧中良.直流牵引系统DCP106装置电流保护动作分析.四川建筑第32卷5期 2012.10.