直流牵引供电系统馈线保护原理与配置分析

直流牵引供电系统馈线保护原理与配置分析

宋长龙

宋长龙

北京城建安装集团有限公司北京100085

摘要：本文以伊朗德黑兰地铁采用的赛雪龙直流开关柜为例，通过介绍几种主要保护功能原理，保护功能如何整定，区分故障情况和正常运行情况,为地铁馈线保护的配置提供了理论基础。

关键词：牵引供电系统，直流馈线保护，配合整定

牵引供电系统可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见的、同时也是最危险的故障就是发生短路。当被保护线路上发生短路故障时，其主要特征就是电流增加和电压降低。利用这两个特征，可以构成电流电压保护。本文重点介绍馈线保护的几种主要形式。

一、大电流脱扣保护

大电流脱扣保护属于断路器的本体保护，不具有延时性。通过断路器内设置的脱扣机构实现保护。当通过断路器的电流超过整定值时，脱扣器马上动作，使断路器跳闸实现保护。其固有动作时间仅几毫秒，所以大电流脱扣保护非常灵敏。该保护用以快速切除金属性近端短路故障，往往先于电流上升率及电流增量保护动作。而对于短路点在远端的情况下，由于短路电流相对较小，大电流脱扣不能有效保护。

大电流脱扣保护的整定值要通过计算和短路试验设定，整定值的配置原则是：比最大负荷时列车正常启动的电流大，并且比最大短路电流小。

二、定时限过流保护

当直流线路发生长时间的非正常的电流增大时，可以设置定时限过流保护，通过在保护控制单元预先设定电流最大值和时间值来实现保护功能，保护原理与大电流脱扣保护类似，不同之处电流最大值的设定应小于大电流脱扣保护装置动作值，且过电流延时T的单位是秒，远远大于脱扣保护动作延时。对于最大电流值的设定，要求小于被保护线路末端短路电流，且大于列车的启动电流。通过过电流定值和过电流延时时间定值的整定，躲过列车正常启动、加速过程引起电流变化而产生的误动作。

三、DDL保护

DDL保护是一种反应电流变化趋势的保护，它逐渐成为直流牵引网末端短路的主保护。

采用DDL?保护功能，在牵引直流供电系统中作为主保护，赛雪龙直流柜控制保护单元SEPCOS通过分析电流上升率di/dt、电流增加持续的时间t?及电流增量ΔI，检测中远距离短路故障，其故障电流低于断路器的大电流脱扣整定值。该保护需要整定的参数为以下6个，即保护装置起始门限E、保护装置复位门限F、最大电流增量ΔImax、最大电流增量延时TΔImax、DDL检测时间T，最小电流增量ΔImin

SEPCOS通过不断测量电流变化率，并将测量值di/dt与设定值E和F比较。

(1)电流上升率di/dt>E，则开始测量电流增量并计时；

(2)(2)电流增量ΔI>?设定值DI，延时TΔImax，发出跳闸信号；

(3)电流增加时间t>T设定值，且ΔI?>?设定值ΔImin，发出跳闸信号。

(4)在检测过程中，di/dt<F，则ΔI?和?t?复零。

保护装置起始门限E的设定，短路情况下的初始斜率E（KA/S或A/ms）可由t=0计算得出，为保证装置的可靠启动，t=0的di/dt应大于E。另外考虑到短路故障发生时，可能已存在一牵引电流，也就是t=0时，I=牵引电流>0，这样初始斜率将会小于在极端条件下（t=0时i=0）计算出的值。因此，通畅情况下可将E设定为初始斜率计算值为t=0时的一半，以满足牵引负荷电流下保护检测的要求。为了能够辨识出任何情况下的短路故障，当牵引电流较大时可以适当降低设定值，但必须避免与列车正常牵引负荷电流混淆。

保护装置复位门限F，当di/dt<F时，保护装置复位，这一斜率值标志着短路故障的结束。F值可以适当降低以提高DDL保护精度，也就是说可更准确的辨识出发生在末端的短路故障。

最大电流增量的设定，应在机车运行情况下对系统进行全面测试得出，此参数可以通过两种方式确定，最大牵引电流和短路电流之间或短路情况下E和F值所对应的电流之间选取，但不应小于机车启动电流。

延时TΔImax与ΔImax有关，表示保护动作的延时并可以消除寄生电流。

T和ΔImin的设定，当电流斜率大于斜率E时，开始进入DDL保护分析过程，当分析持续时间t等于T时保护动作，在此期间电流增量小于ΔImax，电流斜率大于F。通常T为1.5被的短路时间常数或短路情况下di/dt值从E到F所经历时间的80%，电流增量保护的必要条件是从分析计算开始持续的时间t等于T时，电流增量大于最小电流增量，最小电流增量的最大值应小于等于线路末端短路电流，且大于机车辅助电流。

四、双边联跳保护

对于采用双边供电的接触轨，它是广泛使用的一种保护手段。当采用双边供电时，一个供电区内的接触轨由两个变电所对其供电，向列车提供电源，当其中一个所内直流馈线断路器因保护跳闸的同时，还会发出联跳指令，使为同一个供电区供电的直流馈线断路器跳闸。双边联跳保护能切除故障电流特别小的远端短路故障，跳闸命令是由感知到较大短路故障电流的相邻站发出。只要给一段接触轨供电的两个牵引变电所，有一个正确跳闸，另一个也会跳闸，因此可靠性很高。

五、接触网热过负荷保护

通过检测电缆温度，设定温度上限发跳闸命令来完成此项保护功能。

此功能对断路器、供电线路等提供热过载保护，因为长期大电流会使供电导体发热，从而导致供电导体变软。主要原理是连续测量馈线电流，计算热载θt，θt?为被保护装置的额定电流In和热时间常数T的函数，当馈线电流过大，根据设定值发出报警，如果继续上升，保护设备发出指令使开关跳闸。

热过负荷保护与供电线路长期允许温度、负荷电流、环境温度、风速、材料以及使用条件密切相关。德黑兰地铁一、二号线采用低碳钢接触轨，三、四号线采用钢铝复合轨，其截面、机械强度和耐热能力很强，一般可不设热过负荷保护。但是考虑到一般直流成套保护装置均带有热过负荷保护功能，取消此功能不会减少设备的投资，故仍采用热过负荷保护。?

六、欠压保护

低电压保护，整定值UfLow为车辆正常运行最低允许电压值。通过检测线路电压Uf，如果Uf﹤UfLow，且时间t超过设定值tUf即线路电压无法满足车辆运行电压的最低要求，保护单元发出跳闸命令。

UfLow及延时tUf必须列车正常运行时的运行情况互相配合，应考虑最大负载下列车的启动电流和启动持续时间，还要考虑在一个供电区内多部列车连续启动的情况。

七、直流馈线保护的配合和整定方法

直流牵引供电系统机车取流，因受机车起步、加速等操作环节的影响，电流变化频繁而复杂，DDL保护做为主保护，以适应直流电流的频繁变化。大电流脱扣保护做为牵引变电所的近端保护，定时限过流保护以上两种保护的后备保护，为了扩大保护范围，定时限过流保护整定值应尽量小，但要躲开过负荷电流，一般按馈线最大负荷计算，时间应大于上述两种保护的动作时间。欠压保护也是馈线的后备保护，其整定值应低于车辆受电回路低电压保护的整定值，动作时间应考虑车辆启动时电压下降的时间、直流馈线主保护的跳闸时间。

八、结论

多辆列车短时间内相继启动，会出现保护跳闸情况的解决的方案，应根据系统的实际情况设计直流馈线保护方案，并通过车辆启动试验和负荷试验，对系统运行进行全面测试，对保护设置进行进一步校验和整定，最后达到可靠切除故障，有效避免误动作的目的。

参考文献：

[1]GB50157—93.地铁设计规范[S].北京中国计划出版社，2003.

[2]丁复华.地铁直流牵引供电系统的电气保护与定值[J].都市快轨交