浅析地铁直流牵引变电所的保护原理

　

摘要：本文以直流1500V双边供电的牵引变电所为例，介绍了地铁直流牵引变电所内各开关柜的保护配置，并详细阐述了主要保护的原理，如大电流脱扣保护、电流上升率保护、定时限过流保护、低电压保护、双边联跳保护、接触网热过负荷保护、框架保护等。最后，对于目前的保护原理中存在的不足之处，本文也做了分析，如多辆列车短时间内相继启动可能会造成保护误动，小电流（尤其是有电弧的情况）短路故障与正常运行电流的区分，以及框架保护的选择性问题。

关键词：地铁 直流 保护
0 引言
在我国，地铁是城市公共交通的重点发展方向，设备国产化又是发展的主要原则。在地铁直流供电继电保护领域内，国产保护设备还处于起步阶段，目前，国内主要城市的地铁直流保护设备均来自国外，例如广州地铁二号线选用的是德国Siemens公司的DPU96，武汉轻轨选用的是瑞士sechron公司的SEPCOS。通过对部分国外产品的研究，笔者认为，直流保护设备的原理并不是十分复杂，功能实现在理论上也没有任何障碍，希望通过本文的抛砖引玉，在将来的不久，能够看到国产的直流保护设备在我国甚至国际市场成为主流。
1 一次系统简介
图1显示了一个典型的牵引变电所的电气主接线图，该所将主变电所来的交流高电压（典型值：33kV）经整流机组（包括变压器及整流器）降压、整流为直流1500V，再经直流开关柜向接触网供电。我国上海和广州地铁的直流牵引供电系统均是如此，北京地铁采用的是第三轨受流器（上海和广州地铁则是架空接触网），其馈电电压为750V。由于750V馈电电压供电距离短、杂散电流大，现在多采用1500V。图2显示的是采用双边供电的上行接触网的分区段示意图（下行亦相同），一个供电区由相邻的2个牵引变电所同时供电，这种双边供电的方式提高了供电的可靠性，同时分区段的方式使故障被隔离在某个区段以内，而不致影响其它供电区段，因而被广泛采用。本文中所讨论的保护原理均基于1500V架空接触网双边供电方式。

图1 典型牵引变电所电气主接线参考图


图2 双边供电接触网分区段示意图

图3 短路电流与列车运行电流示意图
2牵引变电所内直流保护的配置
牵引变电所内的直流保护系统必须在系统发生故障时快速、准确地切除故障，同时又要避免列车正常运行时一些电气参数的变化引起保护装置误跳闸。后备保护的存在增加了故障切除的可靠性，同时也增加了与主保护配合的难度，所以保护的配置也不宜过多。不同的牵引变电所其电气特性不同，运行要求不同，所以保护装置的整定值不同，甚至保护的配置亦不相同。通常，牵引变电所内的直流保护安装于开关柜中，其可能的配置如下：
A．馈线柜（图1中对应211，212，213，214开关柜）：
a．大电流脱扣保护（over-current protection）；
b．电流上升率保护（di/dt protection）；
c．定时限过流保护（definite-time over-current protection）；
d．低电压保护（under-voltage protection）；
e．双边联跳保护（transfer intertrip protection）；
f．接触网热过负荷保护（cable thermal overload protection）；
g．自动重合闸（automatic re-closure）。
B． 进线柜（图1中对应201，202开关柜）：
a．大电流脱扣保护（over-current protection）；
b．逆流保护（reverse current protection）。
C．负极柜：
a．框架保护（frame fault protection）。
D. 轨道电压限制装置
a. 轨道电压限制保护
3主要保护的原理
牵引变电所内的直流系统的故障形式主要有：短路故障，过负荷故障，过压故障等等，最常见的也是危害最大的是短路故障。从本质上讲，短路故障有两种类型，一种是正极对负极短路，另一种是正极对大地短路。所内配置的多数保护都是为了切除前一种故障，框架保护则是为了切除后一种故障。
对于前一种故障，多数是由于架空接触网对钢轨短路所引起的，短路点离牵引变电所的距离决定了短路电流的大小。远端短路故障电流的峰值与列车启动时的电流峰值相近，甚至小于该电流，所以，远端短路故障电流与列车启动电流的区分，是牵引变电所直流保护的难点。另外，列车受电弓过接触网分段时，也会有一个峰值较高的电流出现。

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图3是典型的近、远端故障电流与列车受电弓过接触网分段时的电流时间特性示意图。
以下介绍牵引变电所内的主要的直流保护的工作原理：
3.1 大电流脱扣保护
主保护，与交流保护中的速断保护类似，用以快速切除金属性近端短路故障。这种保护是直流断路器内设置的固有保护，没有延时性，它通过断路器内设置的脱扣器实现。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。
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常启动的电流大，也要比最大短路电流小。
3.2 电流上升率保护
广泛使用的中远端短路主保护，它在多数情况下能正确区分列车正常运行电流和中远端短路电流，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中、远端短路故障，其工作原理如下：
电流上升率保护触发的条件是唯一的，即当电流的变化率di/dt>A，A是电流上升率的定值。满足触发条件di/dt>A时，电流上升率保护启动（该时刻记为t）。该保护启动后，产生跳闸的条件只要在以下两个条件中满足任意一个即可：
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