地铁直流牵引变电所的保护原理

精心整理浅析地铁直流牵引变电所的爱护原理2009年04月04日 星期六 03:550 引言在我国，地铁是城市公共交通的重点开展方向，设备国产化又是开展的主要原那么。在地铁直流供电继电爱护领域内，国产爱护设备还处于起步阶段，目前，国内主要城市的地铁直流爱护设备均来自国外，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。通过对局部国外产品的探究，笔者认为，直流爱护设备的原理并不是特别困难，功能实此时此刻理论上也没有任何障碍，盼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爱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沟通高电压典型值：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，北京地铁采纳的是第三轨受流器上海和广州地铁那么是架空接触网，其馈电电压为750V。由于750V馈电电压供电距离短、杂散电流大，此时此刻多采纳1500V。图2显示的是采纳双边供电的上行接触网的分区段示意图下行亦一样，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牢靠性，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，因而被广泛采纳。本文中所探讨的爱护原理均基于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牵引变电所内直流爱护的配置牵引变电所内的直流爱护系统必需在系统发生故障时快速、准确地切除故障，同时又要幸免列车正常运行时一些电气参数的改变引起爱护装置误跳闸。后备爱护的存在增加了故障切除的牢靠性，同时也增加了与主爱护协作的难度，所以爱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，所以爱护装置的整定值不同，甚至爱护的配置亦不一样。通常，牵引变电所内的直流爱护安装于开关柜中，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大电流脱扣爱护over-current protection；b电流上升率爱护di/dt protection；c定时限过流爱护definite-time over-current protection；d低电压爱护under-voltage protection；e双边联跳爱护transfer intertrip protection；f接触网热过负荷爱护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大电流脱扣爱护over-current protection；b逆流爱护reverse current protection。C负极柜：a框架爱护frame fault protection。D. 轨道电压限制装置a. 轨道电压限制爱护3主要爱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。所内配置的多数爱护都是为了切除前一种故障，框架爱护那么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确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，是牵引变电所直流爱护的难点。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。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爱护的工作原理：3.1 大电流脱扣爱护主爱护，与沟通爱护中的速断爱护类似，用以快速切除金属性近端短路故障。这种爱护是直流断路器内设置的固有爱护，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，脱扣器立刻动作，使断路器跳闸。一般来说，该爱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以下车正常启动的电流大，也要比最大短路电流小。3.2 电流上升率爱护广泛运用的中远端短路主爱护，它在多数状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爱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：电流上升率爱护触发的条件是唯一的，即当电流的改变率di/dtA，A是电流上升率的定值。满意触发条件di/dtA时，电流上升率爱护启动该时刻记为t。该爱护启动后，产生跳闸的条件只要在以下两个条件中满意随意一个即可：1经过时间T1后，di/dt仍旧大于B；2经过时间T2后，IL，I=It+T2 It；如图3，在t时刻，列车受电弓过接触网分段后重新与接触网连接，此时电流的肯定数值It较小，而di/dt由于充电效应那么较大，短路电流和列车运行电流均可满意启动条件，但经过适当的延时后，对于列车运行电流来讲，由于充电效应维持的时间很短，电流已经经过了一个从很小到数倍于正常电流，再到正常电流的过程，此时，di/dt通常是负值，I也很小，所以启程跳闸的条件一个也不满意，电流上升率爱护返回；对于短路电流来讲，此时，短路仍旧存在，只要距离不是特别远，通常必须满意条件1和2，致使爱护跳闸。单列列车t时刻启动时，可能di/dtA,爱护启动，但经过时间T1后，di/dtB，IL,爱护自动返回。值得留意的是，定值T1、T2、A、B、L的选取特别重要，它确定了爱护动作的正确性和快速性。3.3 定时限过流爱护电流上升率爱护的后备爱护，通常该爱护的电流整定值Idmt较小，一般按馈线最大负荷考虑 ，以到达切除远端短路故障的目的，其动作延时Tdmt也较长，以避开列车启动的时间，广州地铁二号线牵引供电系统中该爱护设计的Idmt为3000A，延时Tdmt为30秒。当电流第一次超过定值时，爱护启动，在延时Tdmt的时间段内电流始终超过定值，可认为是短路电流，触发跳闸，假如中间任一时刻电流没有超过定值，爱护自动返回，等待下次启动。3.4低电压爱护其作用和定时限过流爱护一样，作为电流上升率爱护的后备爱护，一般与其它爱护形式相互协作，不作为单独的爱护使断路器调跳闸。它的整定值Umin及延时Tdmt必需列车正常运行时的运行状况相互协作，应考虑最大负载以下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状况。当发生短路故障时，直流输出电压快速下降许多，当输出电压Umin，爱护启动，在必须的延时时内输出电压始终保持Umin，那么低电压爱护发出动作信号。3.5双边联跳爱护对于采纳双边供电的接触网,它是广泛运用的一种爱护手段，正如上文所介绍，在一个供电区内的接触网由两个变电所对其供电的，当其中一个所的直流馈线断路器因为某些爱护跳闸的同时，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都跳闸。它能切除故障电流特殊小的远端短路故障，跳闸吩咐是由感知到较大近端短路故障电流的相邻站发出的。只要给一段接触网供电的两个牵引站有一个正确跳闸，另一个立刻也会跳闸，因而牢靠性很高，确保满意GB50517-92的第条“在事故状态下接触网短路电流的爱护，应保证单边供电接触网区段一条馈线的开断和双边供电接触网区段两条馈线的开断”。双边联跳爱护的原理如下：图2显示了一条接触网的两段，左边一段由牵引变电所A和B简称A站和B站，下同供电，右边一段那么由B站和C站供电，当短路点发生在靠近A站的c位置时，A站的大电流脱扣爱护首先动作，而B站那么由于短路电流小等因素，大电流脱扣和di/dt等爱护均无法动作，位于A站的双边联跳爱护那么发出联跳吩咐，将B站的213开关跳开。当B站退出运行时，那么B站越区隔离开关2133合上，双边联跳爱护依据B站2133的位置判定另一端是由C站213开关供电，跳闸的对象那么为C站213开关。3.6 框架爱护框架爱护适用于直流设备的正极对机柜外壳与大地相连或接触网对架空地线短路时的状况。如图4所示，在正常无短路状态下，钢轨负极与地的绝缘良好，几乎没有漏电流通过A点，当故障f1发生时，即直流设备的正极对机柜外壳短路时，故障电流If1由正极通过A点，经泄漏电阻R l回流至负极，框架爱护检测位于A点的机柜外壳对地的漏电流If1，超过整定值那么快速动作。通常，在地和负极之间还安装一个排流柜，当排流柜投入运行时，其等效电阻值远小于R l，If1大大增加，这样，即使钢轨负极与地的绝缘特别良好，泄漏电阻R l特别大，由于排流柜供应了漏电流If1的通道，大大提高了框架爱护动作的灵敏性。当故障f2发生时，即接触网与架空地线发生短路时，由于A点离故障点较远，故漏电流较小，检测A点漏电流不能检出故障，此时框架爱护检测外壳和负极之间的电位差。在正常无短路状态下，外壳和负极之间的电位差很小，故障f2发生时电位差快速变得很大，框架爱护可以快速动作。而对于正极对机柜外壳短路的状况，假设未投入排流柜，钢轨负极与地的绝缘亦很好，漏电流可能缺乏以启动框架爱护，但电压检测元件那么可使之快速动作。通常，电流检测元件作为框架爱护的主爱护，电压检测元件作为后备爱护。框架爱护动作的结果是：快速跳开本站内全部的直流开关、沟通侧进线开关及邻所向本区段供电的直流开关，并需由人工复归前方可重新合上开关；3.7轨道电压限制爱护轨电位限制装置限制一限制原那么规电轨电位限制装置的限制分两种，一种是通过检测轨道电压实现，另一种是通过人工施加试验电压实现，如以下图：正常运行，轨电位限制装置检测轨道和大地之间的电压，该电压经过V11模块整流后施加给R10；而人工施加的试验电压，是通过S24旋纽把沟通220V电压经过V12整流模块整流后施加给R10。F21、F22继电器分别检测R10上的电压，当该电压上升到92V时，经过必须的延时0.5秒，F21继电器动作，发出合闸吩咐；当电压上升到150V时，F22继电器动作，发出合闸吩咐。由F21继电器动作使断路器合闸的方式我们称为“一段动作U”， 由F22继电器动作使断路器合闸的方式我们称为“二段动作”U。二、限制过程1.合闸 合闸的原那么是想尽方法让合闸继电器K02受电，使由它驱动得断路器合闸线圈得电，从而使断路器合闸。正常运行时，断路器处在“分闸”位置，K01继电器的常闭接点1、2闭合，使K83继电器受电，它的常开接点15、18接通。因此当F21继电器延时动作后，11、14这对接点接通，使合闸继电器K02得电，断路器合闸。当继电器F22动作后接通11、14接点，也能使断路器合闸。但是，它们之间有必须的区分：假如是因为F21动作从而使断路器合闸，那么延时10秒后断路器会自动分闸，在规定的时间内反复三次，断路器合闸不再分开；假如是因为F22继电器动作从而使断路器合闸，此时F22会闭锁分闸回路，使断路器不会延时分开。2.分闸断路器分闸的原那么是使分闸继电器K01受电，使由它驱动的断路器分闸线圈得电，从而使断路器分闸。当断路器合闸后，断路器的协助接点S1的23、24闭合，使继电器K81受电，经过10秒的延时后，继电器动作，该继电器的15、18接点闭合，而继电器K84的常闭接点接通，因此分闸继电器K01受电，使断路器分闸。3.8 接触网热过负荷爱护接触网热过负荷爱护,其爱护的目的是消退热过负荷故障，而非短路故障，其工作原理主要是依据接触网的电阻，接触网上流过的电流，计算出接触网的发热量，从而再依据接触网的热负荷特性及环境条件推算出接触网的电缆温度。当测量的电缆温度超过T alarm给出报警，超过T trip那么跳开给该接触网供电的直流开关。开关跳开后，电缆渐渐冷却，当温度进一步下降，低于T reclosure ，那么重新合上直流开关。图5给出了接触网热过负荷爱护动作的时序图。图4 正极对地短路故障示意图图5 接触网热过负荷爱护动作时序图4存在的问题4.1关于多辆列车短时间内相继启动在接触网的同一供电区段内，假设在短时间内出现两辆/多辆列车相继启动，第一辆列车启动引起电流上升率爱护或定时限过流爱护启动，而另一辆列车的启动恰巧引起电流上升率爱护或定时限过流爱护跳闸，这种可能性在理论上是存在的。至于解决的方案，英国ENOTRAC公司的观点认为，人工智能或神经元网络可能是最正确的解决方法，详细的实施方法尚不得而知。4.2关于小电流短路故障小电流短路故障主要是由于故障点距离牵引所很远，或者，短路点的电弧大引起电阻也增大。两者皆可导致以上介绍的各种爱护均无法正确动作。当短路点靠近其中一端的牵引所时，近端短路电流往往较易检测，近端牵引所跳开本所开关并联跳邻所开关；但假设短路点位于相邻两个牵引所中间的接触网上，可能发生两个牵引所的爱护均无法检测小电流短路故障的问题。对于两个牵引所距离太远的状况，可以从设计上幸免；而对于大电弧的状况，笔者认为须要对电弧的特性进展大量的探究，从而给带电弧的电流建立准确的数学模型，使其能够正确地被爱护装置所识别。4.3关于框架爱护的选择性框架爱护面临的是小电流接地故障，它易于感知，却无法象大电流短路故障那样易定位。如图1所示，当接地点位于整流器出口的A位置时，只须要跳开沟通进线开关105和直流进线开关201即可；当接地点位于B位置时，只须要跳开全部直流开关；当接地点位于C位置时，只须要跳开直流馈线开关214并联跳右邻站的直流馈线开关213如图2。但由于框架爱护的电压和电流检测原理都无法给故障定位在A点、B点还是C点，所以选择性较差。小电流接地故障的定位始终是个难题，犹如三相沟通中性点不接地系统的单相接地故障一样，找寻准确的定位方法还须要进一步的探究。5结论目前，地铁直流牵引变电所内配置的直流爱护，根本上能够快速切除大多数短路、接地故障，但仍旧存在一些世界性的难题。国内爱护设备制造商完全有实力制造出目前广泛运用的这些直流爱护。参考文献1ENOTRAC ，Study of advanced protection systems for the power supply of DC railways，20002Siemens AG Transportation Systems Group，Traction Power Substation DCSwitchgear Section Feeder Protection Principle Function，19983丘玉蓉Qiu Yurong，田成功Tian Shengli，地铁直流1500V开关柜框架泄漏爱护探讨Leakage Protection For Switch Cubicles of Subway Train DC Supply，电力系统自动化Automation of Electric Power System，2001，2514：64-664中华人民共和国铁道行业标准 TB/T 2831-1997，电气化铁道牵引供电远动系统技术条件