大连地铁直流牵引供电系统保护配置及整定研究-黄海浪.pdf

DOI:10.16037/j.1007-869x.2013.03.030第３期研究报告大连地铁直流牵引供电系统保护配置及整定研究黄海浪（铁道第三勘察设计院集团有限公司电化电信处，３００２５１，天津∥工程师）摘要针对大连地铁工程直流牵引供电一次系统方案，对直流牵引供电系统的保护配置及原理进行了分析，并给出了直流进线、直流馈线等保护整定的计算原则，可供类似工程作参考。关键词大连地铁；直流牵引供电系统；保护配置中图分类号Ｕ２３１．８ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎａｎｄＳｅｔｔｉｎｇｏｆＤＣＴｒａｃｔｉｏｎＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＳｙｓｔｅｍｉｎＤａｌｉａｎＭｅｔｒｏＨｕａｎｇＨａｉｌａｎｇＡｂｓｔｒａｃｔＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｉｍａｒｙ－ｓｙｓｔｅｍｏｆＤａｌｉａｎｍｅｔｒｏＤＣｔｒａｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｒｅｓｉｍｐｌｙａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｉｎ－ｃｉｐｌｅｉｎｔｈｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｓｅｔｔｉｎｇｏｆＤＣｌｉｎｅａｎｄＤＣｆｅｅｄｌｉｎｅｏｎｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｉｓｅｘｐｏｕｎｄｅｄｆｏｒｏｔｈｅｒｒａｉｌｔｒａｎｓｉｔｐｒｏｊｅｃｔｓ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＤａｌｉａｎｍｅｔｒｏ；ＤＣｔｒａｃｔｉｏｎｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓ－ｔｅｍ；ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎＡｕｔｈｏｒ’ｓａｄｄｒｅｓｓＤｅｐｔ．ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＴｅｌｅｃｏｍ，Ｔｈｅ３ｒｄＲａｉｌｗａｙＳｕｒｖｅｙ＆ＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，３００２５１，Ｔｉａｎｊｉｎ，Ｃｈｉｎａ直流牵引供电系统作为城市轨道交通的动力之源，关系着城市轨道交通运营的安全性和可靠性。本文就直流牵引供电系统保护进行分析研究，并以大连地铁工程为例进行说明。１大连地铁直流牵引供电系统保护配置原理及整定大连地铁直流牵引供电一次系统方案如图１所示。大连地铁直流牵引供电系统整流器正极通过电动隔离开关与直流１５００Ｖ母线相连，负极通过手动隔离开关与负极柜中的负母排连接。直流１５００Ｖ母线采用单母线接线型式。正线每个牵引变电所设四回１５００Ｖ直流馈线。直流馈线通过快速限流断路器分别接至接触网上、下行的电动隔离开关上，向左右两方向上、下行接触网供电。图１大连地铁直流牵引供电一次系统方案示意图１．１直流进线直流进线采用电动隔离开关，仅设置逆流保护。逆流保护是为防止整流器内部发生短路故障，使进线电流出现反向（流入整流器方向）而造成整流器内部元件的损坏。直流进线的逆流保护，是作为整流器内部整流元件击穿出现逆向电流而快速熔断器因质量问题没有熔断时的后备保护。因此，逆流保护整定应与整流器快速熔断器熔断曲线配合，不应先于快速熔断器动作而造成事故范围的扩大。１．２直流馈线根据直流系统近、中、远端的短路故障特性，直流馈线主要配置大电流脱扣保护、电流增量保护、电流速断保护、电流上升率保护、定时限过流保护、接触网热过负荷保护等。１．２．１大流脱扣保大电流脱扣保护为直流断路器自带的固有保护，它通过断路器内设置的脱扣器实现跳闸，能无延时快速切除近端金属性短路故障。当［ｄＩ／ｄｔ］ｔ＝０≥５ｋＡ／ｍｓ时（式中，Ｉ为电流量，ｔ为时间），断路器分断时间不大于５ｍｓ，全分断时间不大于２０ｍｓ。大电流脱扣保护整定值应大于正常运行情况下的最大负荷电流。即带电区段内各种工况列车经本·９３·研城市轨道交通究开关的取流应小于近端最大短路电流。１．２．２流增量保电流增量Ｉ保护是接触网馈线的主保护，主要保护范围是接触网距变电所的中、近端，也能切除不在大电流脱扣保护范围之内的较小的远端短路故障。电流增量保护以ｄＩ／ｄｔ为起动条件，满足起动条件的电流作为基准点的电流增量。当电流上升率一直维持在ｄＩ／ｄｔ整定值之上，在达到Ｉ延时整定值后，电流增量达到Ｉ整定值，保护动作出口。电流增量保护特性见图２所示。图２电流增量保护特性图图２中，曲线１电流迅速上升到整定值，但Ｉ延时整定值未达到，不跳闸。Ｉ延时主要是防止因机车升弓时，车体内电容充放电引起的类似短路故障电流抬升而导致电流增量保护误动作。Ｉ延时整定值一般设定在１～３ｍｓ。当曲线２的电流上升时间超过Ｉ延时整定值，并达到电流增量整定值时，则出口跳闸。曲线３电流上升过程有所中断，中断时间未达到ｄＩ／ｄｔ返回延时值，Ｉ计算基准点不变，电流增量达到整定值后跳闸。曲线４与曲线３类似，电流上升过程均有中断，但中断时间达到了预设的ｄＩ／ｄｔ返回延时值时，重新计算Ｉ，不跳闸。ｄＩ／ｄｔ返回延时值主要是防止电力机车交替起动时，电流连续上升造成电流增量保护误动作。ｄＩ／ｄｔ返回延时值一般设定在１～３ｍｓ。Ｉ整定值应大于线路末端（越区供电线路末端）短路时的电流增量，或保证下一供电区间断路器先动作，以免发生越区跳闸。１．２．３流速断保电流速断保护是变电所中、近端接触网短路故·９４·２０１３年障的后备保护。电流速断整定值Ｉｍａｘ应小于大电流脱扣保护整定值，且大于Ｉ整定值。１．２．４流上升率保电流上升率（ｄＩ／ｄｔ）保护是远端线路末端短路故障的主保护。当检测到ｄＩ／ｄｔ超过整定值且延时内未返回，则保护出口跳闸。ｄＩ／ｄｔ的整定值应躲过机车起动的最大电流变化率曲线，但应尽量小，以便获得最大的保护范围。ｄＩ／ｄｔ还应大于线路末端短路所产生的电流变化率，即越区供电线路末端短路时，保护仍能可靠地动作。１．２．５定限流保定时限过流保护是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。定时限过电流保护整定值ＩＤＭＴ应小于线路末端接触网与接地线发生的最小短路电流。其整定值与延时时长应大于带电区段内各种工况列车经本开关的取流值。１．２．６荷保热过负荷保护是防止接触网线材、电缆因过负荷运行而超过其最大允许温度，造成机械强度降低而导致故障发生。这并非是短路故障的保护。热过负荷保护整定值主要根据接触网线材、电缆的热负荷特性及环境条件，推算出报警和跳闸值。１．２．７断路器失灵保断路器失灵保护用于检测当断路器分闸后是否真正切断电流。断路器分闸后开始检测电流，如果电流值大于故障电流整定值，在经过可整定的延时时间后，联跳上一级断路器（中压馈线断路器）。另外，每次直流断路器合闸时，可以选设电压相关闭锁功能，当断路器合于已带电的线路时（如双边供电线路，对侧断路器已合闸），负荷电流将重新分配。可能在断路器回路上产生类似短路工况下的电流曲线，导致中、近端保护的误动作。如果选择电压相关闭锁，则在断路器合闸后的１５０ｍｓ内将禁止所有保护动作，以避免误动作。１．３负极柜负极柜设置了框架保护，是为切除直流设备正极对机柜外壳（与大地相连）发生短路故障或接触网对架空地线发生短路故障而设置的保护装置。负极柜框架保护分为电流型框架保护和电压型框架保护，其原理见图３。电流型框架保护测量框架对地电流，具有很强的可靠性和选择性；电压型框架保护第３期研究报告测量负极对设备框架（地）间的电压。根据国内已运营的城市轨道交通工程经验，电流型框架保护和电压型框架保护动作范围有所区别：电流型框架保护联跳相邻站的相关直流馈线断路器，并闭锁其自动重合闸；电压型框架保护只跳本所而不联跳相邻变电所馈线断路器。图３负极柜框架保护原理图从保护人身安全和减小故障影响范围考虑，电压型框架保护曲线与钢轨电位限制装置的３段电压整定值需要相互配合。钢轨电位限制装置第１段保护动作时，电压型框架保护处于报警阶段；第２、３段保护动作时，电压型框架保护与钢轨电位限制装置同时启动，钢轨电位限制装置保护应早于电压型框架保护０．３ｓ。如果钢轨电位升高是由于正常运行或牵引变电所外故障产生，则此时框架保护可自动返回；如果是由于牵引变电所内故障，则电压型框架保护出口跳闸。１．４钢轨电位限制装置钢轨电位限制装置是为保障乘客和运营维护人员的安全，而在钢轨和大地之间设置的保护装置。由于钢轨对地绝缘安装，有时对地会存在高电位，而列车与钢轨之间是等电位的。乘客有可能通过列车车体接触到这一高电位。特别是在站台上安装了站台屏蔽门之后，由于站台屏蔽门直接与钢轨连接，更增加了乘客接触钢轨高电位的机会。为了保障乘客安全，在负母排（或钢轨）与地之间安装了钢轨电位限制装置。钢轨电位限制装置根据人体耐受电压时间特性曲线（欧洲标准ＥＮ５０１２２—１），设置３段电压动作保护。当钢轨与地之间的电压大于９０Ｖ时，接触器延时０．８ｓ合闸；当钢轨与地之间的电压大于１５０Ｖ时，接触器１００ｍｓ内（无延时）合闸；当钢轨与地之间的电压大于４８０Ｖ时，晶闸管在０．１ｍｓ内导通，加速钢轨与地之间的短接。１．５保护联跳保护联跳是某装置检测到故障后，在故障扩大之前，需要其他相关开关配合以迅速切除故障的一种保护功能。城市轨道交通工程根据一次系统中元件配置的不同，联跳关系也不尽相同。整流器正极与直流母线通过电动隔离开关相连，主要有以下几种联跳关系。１）双边联跳：本变电所直流馈线检测到接触网故障后先行跳开，发送联跳脉冲至相邻变电所，要求对应的馈线跳开以彻底切除故障。２）框架保护联跳：本变电所框架装置检测故障后跳开本所的高压馈线开关及直流馈线开关，并联跳相邻变电所的对应直流馈线开关。３）逆流保护（整流器故障）联跳：检测逆流故障后，跳开本变电所的高压馈线开关及直流馈线开关。２结语大连地铁工程按照本文所述原则进行直流牵引系统的保护配置及整定，并进行了实际应用。其主要项目的整定值见表１。表１主要保护项目整定值保护种类整定项目整定值逆流保护电流１００Ａ大电流脱扣保护电流９ｋＡｄＩ／ｄｔ５０Ａ／ｍｓ电流增量保护Ｉ返回时间１ｍｓＩ５０００ＡＩ延时１ｍｓ电流速断保护Ｉｍａｘ６５００ＡＩｍａｘ延时１ｍｓ电流上升率保护ｄＩ／ｄｔ４０Ａ／ｍｓｄＩ／ｄｔ延时３０ｍｓ定时限过流保护ＩＤＭＴ３０００ＡＩＤＭＴ延时２５ｓ城市轨道交通工程直流牵引供电系统各保护配置及整定由于受实际运营、线路及列车等因素影响，保护的配置及整定值除了理论计算外，还必须经过相应的现场试验验证后再确定。本文所述直流牵引系统的保护配置及整定方法，总结、归纳了国内城市轨道交通工程的实践经验，可供类似工程设计作参考。当然，本文所提出的大连地铁直流牵引系统的保护配置及相应的整定值还有待于运营实践的检验。·９５·研城市轨道交通究参考文献［１］于松伟，杨兴山．城市轨道交通供电系统设计原理与应用［Ｍ］．成都：西南交通大学出版社，２００８．［２］王靖满，黄书明．城市轨道交通供电系统技术［Ｍ］．上海：上海科学普及出版社，２０１１．［３］何宗华．城市轨道交通工程设计指南［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，１９９３．［４］ＧＢ／Ｔ２５８９０．１—２０１０轨道交通地面装置直流开关设备［Ｓ］．２０１３年［５］董斌．地铁直流牵引供电系统中的ｄＩ／ｄｔ和Ｉ保护［Ｊ］．机车电传动，２００３，３（３）：３８．［６］丁丽娜，韩红彬．地铁直流牵引供电系统馈线保护方法研究［Ｊ］．现代电子技术，２００５，５（５）：８７．［７］朱金龙．城市轨道交通直流牵引供电整流机组不必设置逆流保护［Ｊ］．城市轨道交通研究，２０１１（５）：５８．［８］丘玉蓉，田胜利．地铁直流１５００Ｖ开关柜框架泄漏保护探讨［Ｊ］．电力系统自动化，２００１，１４（１４）：６４．（收稿日期：２０１２－１０－０８）（上接第８９页）性要求，符合标准的各项指标，说明软件具有良好的性能。本文设计的错误检测码已经运用到ＡＴＰ系统的开发中，对今后ＡＴＰ安全平台中错误检测码的广泛应用和进一步研究具有一定的实用价值和参考意义。参考文献［１］ＣＥＮＥＬＥＣＥＮ５０１２８—２００９ＲａｉｌｗａｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ：ＳｏｆｔｗａｒｅｆｏｒＲａｉｌｗａｙＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ［Ｓ］．［２］ＩＥＣ６１５０８—２０００ＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＳａｆｅｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ／Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ／ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳａｆｅｔｙ－ｒｅｌａｔｅｄＳ