轨道交通直流牵引供电系统继电保护功能应用研究

轨道交通直流牵引供电系统继电保护功能应用研究

黄伟锋

1. 广州地铁集团有限公司，广东 广州 510335

摘要：根据轨道交通1500V直流牵引供电系统的供电特征进行研究，提出了站内保护功能和站间保护功能的配置方法，为轨道交通直流牵引继电保护功能配置提供了参考依据。

关键字：轨道交通；直流牵引；继电保护；双边联跳；

0 引言

随着我国城市化进程的逐步加快，城市人口与机动车数量不断增长，城市轨道交通成为缓解城市公共交通问题的最佳选择。直流牵引供电系统的安全可靠性是确保城市轨道交通安全畅通运行的基础，因此对直流牵引供电系统的可靠保护方法的研究意义重大。直流牵引供电系统主要依靠直流继电保护装置完成站内及站间的供电保护，但因为国内早期大部分的轨道交通建设都采用的是国外的保护方案，国内对这方面的研究并未成熟，保护配置逐渐满足不了如今轨道交通直流牵引供电系统复杂的工况及安全需求。因此，需要对站内及站间的直流牵引保护功能研究，探索保护功能的使用及之间的配合问题。实现如何及时、准确地发现和切除、隔离故障，保证无故障供电区间最大限度的正常供电，保障轨道交通安全可靠运行。

1 1500V直流牵引供电系统介绍

地铁直流供电系统从33kV中压系统的整流变引入电源，33kV交流电压经整流机组降压及整流后输出1500V直流电压，经断路器和上网隔离开关给接触网供电，实现直流牵引，如图1所示。

图1 直流牵引供电系统示意图

2站内保护功能配置

2.1 保护配置

1500V直流牵引供电系统配置继电保护装置的开关柜有直流进线柜、直流馈线柜、负极柜、轨电位。保护配置如下：

（1）直流进线柜：逆流保护、大电流脱扣保护。

（2）直流馈线柜：大电流脱扣保护、电流增量保护、电流变化率保护、定时限过电流保护、电流速断保护、低电压保护、热过负荷保护、线路测试、重合闸。

（3）负极柜：框架电流保护、框架电压保护。

2.2 保护原理

（1）逆流保护

为防止整流器内部发生短路故障时进线电流反向流入整流器而造成整流器内部元件的损坏，直流进线柜配置了逆流保护。逆流保护是一种反方向的电流保护，当流过直流进线的反向电流大于整定值时动作于断路器跳闸。

（2）大电流脱扣保护

大电流脱扣保护是直流断路器的本体保护，采用了电磁脱扣原理，通过断路器内设置的脱扣器实现跳闸，瞬时动作，作为大电流故障时的主保护。当流过断路器的电流值大于大电流脱扣的整定值时，脱扣器立即动作，跳开断路器，并闭锁断路器合闸。

（3）电流上升率及电流增量保护

远端短路故障由于短路电流相对较小，大电流脱扣的时间较长，甚至会出现短路电流值达不到整定值。过电流保护虽能有效地保护到线路末端，但其延时较长，保护速动性有所降低，故配置了电流增量保护（△I）和电流上升率（di/dt）。

电流增量保护是接触网馈线的主保护，主要保护范围是接触网中、近端，切除不在大电流脱扣保护范围之内的较小的远端短路电流。当故障发生时，通过算法进行电流上升率di/dt的计算，当高于定值时，△I保护启动进入延时阶段，从△I启动的时刻开始继电器以启动时刻的电流作为基准点计算相对电流增量。若电流上升率一直维持在di/dt保护整定值之上，在达到△t保护的延时整定值后，电流增量达到△I保护整定值，保护动作。

电流上升率保护（di/dt），主要保护范围为中、远端发生短路故障，当电流上升率高于di/dt定值时，di/dt保护启动，进入延时阶段。在延时阶段，若电流上升率均高于保护定值，保护动作。若在延时的阶段, 电流上升率回落到保护整定值之下, 则保护返回。机车在正常起动时，电流上升率也比较大，和远端短路电流上升率差不多，通过引入延时躲开。

（4）过流保护

直流馈线配置瞬时过电流保护作为接触网中、近端短路故障的后备保护，当电流升高超过整定值时，动作于断路器跳闸。因瞬时过电流保护无法保护远端线路末端短路故障，直流馈线配置了延时过电流保护作为远端线路末端短路故障的后备保护，用于检测持续时间较长而又不符合正常运行情况的电流，并延时跳闸。

（5）低电压保护

直流馈线配置低电压保护作为电流上升率保护的后备保护，与其他保护互相配合使用，当电压低于保护整定值时，保护启动，延时报警。

（6）热过负荷保护

当直流线路处于过负荷状态时，接触线或进线电缆的温度会上升。为了消除热过负荷故障而引起设备的破坏，直流馈线配置了热过负荷保护。一般采用反时限过负荷保护，当接触网上流过的电流大于整定值时，热过负荷保护启动，流过接触网的电流越大时，保护动作越短。

（7）线路测试

为保证不带故障合闸，直流馈线配置了线路测试功能。线路测试原理是馈线开关收到合闸命令后，立即将电压通过限流电阻加至接触网，检测是否存在短路，连续检测n次，每次间隔3秒，通过测得的线路电阻与电压是否在正常范围内作为判断线路是否存在故障的主要依据。

（8）重合闸

接触网易受外部环境影响从而造成瞬时短路故障，直流馈线配置了自动重合闸功能,直流馈线的重合闸功能一般与线路测试配合使用。为防止在接触网存在短路情况下，因盲目合闸造成故障扩大，在断路器跳闸后先通过线路测试，线路测试成功后，当在线路发生瞬时故障且低于最大重合闸次数时，重合闸启动，断路器再合闸。

（9）框架保护

直流牵引系统为不接地系统，直流设备采用绝缘安装，负极柜设置框架泄露保护功能，分为电流型框架保护和电压型框架保护。

电流框架保护检测设备金属外壳对地的电流，当检测到的泄露电流达到框架泄露保护的动作整定值时保护动作，跳开本站2台33kV整流变断路器、本站所有的直流进线及直流馈线、联跳相邻站的相关直流馈线，并闭锁自动重合闸。

电压框架保护检测负极对设备框架（地）的电压，当轨地间的电压大于整定值时保护动作，跳开本站2台33kV整流变断路器、本站所有的直流进线及直流馈线。

（10）轨电位保护

为防止钢轨对地电压过大，威胁人员及乘客安全，在钢轨和大地之间设备安装了钢轨电位限制装置，轨电位配置三段过压保护。当发生超出安全许可的接触电压时，轨电位限制装置将钢轨与大地快速短接，降下之间的电压差，从而保证人员和设施的安全。

3 站间保护功能配置

3.1 大小双边供电模式

轨道交通直流牵引供电系统正常运行时，正线均采用双边供电方式，牵引所馈出4路1500V电源，分别接到上下行接触网，与相邻牵引变电所构成双边供电（小双边供电）。当正线任一座牵引变电所解列时，由相邻的两座牵引变电所越区构成大双边供电。如下图，B站解列时，2113纵联隔离开关闭合，实现越区供电。

图2 小分区供电 图3 大分区供电

3.2 双边联跳保护

双边联跳是指在当一个所的直流馈线断路器因某些保护跳闸的同时，会发出联跳指令，使为同一供电区供电的直流馈线断路器跳闸。

图4 双边联跳保护动作示意图

a、小双边供电情况下，双边联跳动作如下：

当d6点发生故障时，A站213保护装置动作，并通过光纤GOOSE通信将保护动作信号传递给B站211保护装置，联跳B站211断路器开关。保护逻辑如图5所示。

b、大双边供电情况下，双边联跳动作如下：

当d6点发生故障时，A站213保护装置动作，并通过光纤GOOSE通信将保护动作信号传递给C站211保护装置，联跳C站211断路器开关。保护逻辑如图6所示。

图5 小双边联跳保护逻辑示意图 图6 大双边联跳保护逻辑示意图

4 结束语

本文介绍了轨道交通直流牵引供电系统继电保护功能的配置方法，直流牵引供电系统结构较为复杂，需要的保护功能配置不仅需要考虑站内进线、馈线之间的关系，并且还需要考虑站间在大小双边供电模式下的保护联跳保护功能。因此，保障轨道交通供电系统安全仍需要不断探索和研究。

参考文献

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