地铁直流牵引供电系统保护动作情况及分析

地铁直流牵引供电系统保护动作情况及分析

刘胜辉

（中铁电气化局集团有限公司北京市100070）

摘要：地铁运营的安全、快捷、高效关系到城市出行居民的生活质量和工作效率，而直流牵引供电系统是地铁列车行进的直接动力源泉，其安全稳定性高、保护系统完善就可以避免意外中断牵引电能的事故发生，降低运营风险，确保地铁列车安全运营。

通过对地铁直流供电系统中实际断路器故障的数据收集，分析了再生制动装置的保护范围、保护设置以及保护定值，找出了直流系统中再生制动装置、分闸、总闸和框架保护装置的保护误动作原因，解释了保护误动作的现象。

关键词：直流牵引供电系统；保护设置；再生制动装置；保护误动作

引言：

基于北京地铁多条线路直流牵引供电系统保护动作情况，通过对实际断路器故障的数据分析，总结直流系统中再生制动装置、分闸、总闸和框架保护装置的保护误动作原因和处理方法，区分直流供电系统的正常保护现象与保护误动作的原因，为在线故障检测提供实践依据。

为了研究地铁牵引供电系统保护动作情况，在北京地铁2条线路进行保护动作情况测试分析，统计结果如表1-1所示：

表1-12条线路分别在2016年和2017年的跳闸数据统计表

表1-1是北京地铁2条线路分别在2016年和2017年的跳闸数据统计表。从表中看出故障跳闸排在第一位的是再生制动装置，第二位的就是分闸增量保护。

所以分别对直流系统中再生制动装置、分闸、总闸和框架保护装置的保护误动作进行故障原因分析，为在线故障检测提供实践依据。

一、再生制动装置故障分析

原地铁、轻轨车辆电制动采用再生制动或再生—电阻制动模式，制动设备放在车上，中间线路短，开关设置少，故障情况相对较少，但缺点是车辆重量大，电能消耗严重，使车辆的承载量受到限制。对于车流密度不大的线路，再生电制动功能得不到充分发挥，造成气制动投入频繁，使得洞内或沿线闸瓦灰尘较多，严重污染环境，且造成地铁隧道内温度不断升高。采用变电站设置再生制动装置后，有效的解决了这些问题。但在实际运行中发现，装置故障退出情况频发，分析原因，主要有：

1、电阻设置集中，散热不利，造成电阻温度频繁动作。电阻柜温度达到200摄氏度即可将断路器跳开，制动装置退出运行。温度保护的电气回路若开路，等同于高温故障。因此，当发生温度保护动作跳闸时，需调取数据记录，查看温度报警信息。若无温度攀升报警，即可以判断发生的故障是电气回路导致的误动作现象。误动作占温度跳闸故障的比例很小，大部分是实际温升达到跳闸值导致装置动作。因此，说明电阻工作在满负荷的工作状态，需要调节电阻的吸收能力以缓解满负荷的状态，降低因过渡吸收电能导致的温升。

2、IGBT过流动作，引发跳闸。IGBT共四条支路，投入工作时，采用“多相不重，差相斩波”的工作方式，其中一、二支路为一组，三、四支路为一组，每个支路的电流脉动幅值相互抵消，且各组支路在导通时相位角相差180度，使总的电流输出幅值偏小，因此，支路总电流是比较平稳的。实际设备中出现的过流保护动作，通过对各支路吸收电流的数据分析发现，支路电流总和没有达到定值即动作，通过更换IGBT驱动板的处理后，故障即消失。通过这一现象，确定是硬件的故障导致装置误动。

3、下位机受电磁信号干扰，引发误动作跳闸。下位机是再生装置的大脑，CPU信号处理、故障数据分析、遥控指令等都集中在下位机的处理功能里，其主要元件是电子芯片，极易受到电磁信号干扰，是再生制动故障中最难查找和处理的。

二、分闸故障分析

分闸开关保护的设置非常完善，其中的增量保护和双边联跳保护是地铁车辆主保护的后备保护。分闸保护与车辆保护相互配合，作为车辆主保护是正确的，对地铁列车的行车安全提供了充分的保障，但是分闸保护不能代替车辆主保护，车辆应自己保护自己。在运行中，如果发生车辆主保护动作分闸保护未动，或分闸保护和车辆保护同时动作，就属于正常保护动作。如果周期性的发生车辆主保护未动作而分闸保护动作的现象时，意味着分闸保护已经成为车辆主保护，车辆自身失去了保护功能。

1、牵引供电系统的计算条件：

列车编组：6辆编组、B型车，4动2拖；

列车最高运行速度：100km/h

列车启动平均加速度：（0~40km/h）：≥0.83m/s2

列车平均加速度：（0~100km/h）：≥0.5m/s2

列车平均常用制动减速度：≥1.0m/s2

列车紧急制动减速度：≥1.2m/s2

正线走行轨单位电阻：0.02Ω/km

钢铝复合接触轨单位电阻：0.0078Ω/km

列车运行间隔：2分钟

整流机组型式：等效24脉波

整流变压器电压：10kV/590V

整流机组空载电压：Udo=823.5V

整流机组电压调整率：dN=6%

2、正常双边供电运行方式下的模拟计算：

两座牵引变电站采用正常双边供电运行方式，考虑到对侧接触网的影响，其等效电路图如图2-1所示，网络变换如图2-2所示。

图2-1双边供电等效电路图

图2-2双边供电网络变换图

按照图2-2网孔1、2，根据网孔电流法，列回路方程：

得网孔1、网孔2回路电流为：

式中R11为回路1的自阻，

R22为回路2的自阻，

将图2-2中，r1、r2、r3转换为R1、R2、R3，其电流I1、I2转换为Ik1、Ik2，如图2-3所示，可得：

ρ1、ρ2为牵引变电所内阻

R1、R2、R3为接触网或接触轨电阻

R4、R5为走行轨电阻

图2-3星—三角变换电路图

经取值计算发现：

当短路点在任一端变电站出口时，总的短路电流数值最大，且该端变电站提供的短路电流最大，另一端变电站提供的短路电流最小；当短路点位于两牵引变电所中间时，总的短路电流数值最小。

3、增量保护跳闸脱扣的分析：

保护装置不断监测馈线电流if及电流变化率di/dt。当电流变化率di/dt高于设定值E，(di/dt)>E，保护启动。如果电流变化率di/dt低于E且未有跳闸出口，则DDL保护停止。

DDL+DeltaI保护

如果测量到的电流增量DeltaI高于参数设定DeltaImax的时间大于或等于参数tDeltaImax，DDL+DeltaI保护动作同时跳闸信号启动。若在保护出口动作前检测到电流变化率di/dt低于E，整个保护复归，相关参数清零。

DDL+DeltaT保护

如果DeltaT的测量值高于参数Tmax同时DeltaI的测量值高于参数DeltaImin，DDL+DeltaT保护动作同时跳闸信号启动。若在保护出口动作前检测到电流变化率di/dt低于E，整个保护复归，相关参数清零。DDL+DeltaI保护与DDL+DeltaT保护的启动值与返回值为同一设置。

图3-1DDL+DeltaI跳闸特性曲线

图3-2DDL+DeltaT保护跳闸曲线图

4、增量保护分闸出现电流变化率和大电流脱扣的保护动作后，启动线路检测回路完成自动重合闸的功能，以消除瞬时故障，快速恢复正常供电运行方式。具体保护动作流程如图4-1。

5、在读取的故障波形中，典型误动作波形图为某车站下层牵引站DDL+保护动作跳闸时段电流图（如图5-1）。在图中能够明显看到在故障电流动作之前，有近200ms的波形震荡。如果是正常的动作波形，故障电流是突发的。

图4-1增量保护动作流程图

图5-1某车站下层牵引站DDL+保护动作跳闸时段电流

三、总闸故障分析

当直流进线开关上口至整流器出口发生短路故障时，逆流保护应可靠动作，并将机组开关联跳，确保流向故障点的电源被全部切断。但经过实际动作后的数据分析发现，保护动作时未达到定值，在波形中还可看到一个1.5到2毫秒的极短尖峰，故障跳闸也很有规律，均为60开关。当进线60合闸后，电压突然上升很高，直流800V电压瞬间加在了测量系统中（分流器、双绞线、放大器）的元件上，会产生信号扰动。这种平衡过程所产生的系统中的扰动是导致60发生逆流保护动作的原因。当进线70合闸时，主母线上已经有了电压，整流器侧和主母线间的电压差非常低，因此70开关无逆流保护动作情况发生。基于此分析，将逆流保护的时间由原来的1ms调整到3ms。调整后，无故障跳闸发生。

四、框架保护故障分析

地铁直、环线变电站中的框架电压保护只报警，不跳闸，但尽管如此，还是以拆除退出运行为结果。其主要原因是变电站内无钢轨电位限制装置，无法将走行轨电位的电压限制在平稳状态，导致框架电压元件因轨电位无规律不明原因的升高而频繁动作，给运行人员带来不必要的烦恼。

北京地铁2条线路都安装了钢轨电位限制装置（简称轨电位），轨电位设置了三段电压保护，I段保护电压（U＞）设定在150V，框架电压保护的电压启动值设置在180V。此时为了防止框架保护的电压元件误动作，应调整框架保护电压元件的整定值，使其动作时间的整定应长于钢轨电位限制装置的动作时间。这样就可以保证钢轨电位限制装置在框架保护的电压元件之前动作。在钢轨电位限制装置动作后，即将走行轨与结构地短接，钢轨电位降至0V，这就将框架保护装置闭锁了，不会中断直流牵引供电。既保证了人身的安全，同时又避免了地铁因断电引发的中断运营事故。如果在列车负荷过大时，钢轨电位上升达到并超过U＞，钢轨电位限制装置拒动，框架保护的电压元件作为后备保护，会在到达整定时间后动作并命令本站机组开关、直流断路器全部跳闸。

在直、环线变电站电流框架保护动作的现象比较中发现，地下变电站在框架保护动作的同时，往往会出现一个分闸的电流保护动作信息，这个电流信息出现过速断、过流这两种保护。地上变电站的电流框架动作时没有出现电流保护信息。综合分析认为，地下变电站不适用框架电流保护。因为在地下变电站，直流正极接地并不是小接地电流系统，而是大接地电流系统。当直流正极接地时，其短路电流不受变电所接地电阻制约，与接地电阻无关，其短路电流之大完全可以靠开关本身的保护动作跳闸。如果直流设备绝缘安装不好，那么机组的低压侧若发生接地短路电流故障，也会使框架电流元件动作，从而影响变电站的安全运行。

五、总结

通过对北京地铁2条线路测试的保护动作情况统计结果来分析再生制动装置故障、分闸故障、总闸故障和框架保护故障中正常保护和保护误动作的现象，总结了直流系统保护误动作的原因和处理方法，为在线故障检测提供理论和实验的依据。

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