城市轨道交通牵引供电系统,城市轨道牵引与供电系统

摘 要：作为城市轨道交通工程牵引变电所二次设计的重要组成部分，牵引供电系统的继电保护配置直接影响地铁的安全稳定运行。基于此，将结合实例围绕城市轨道交通牵引供电系统的继电保护配置及定值整定开展研究，希望研究内容能够给同类工程带来一定启发。

关键词：轨道交通;牵引供电系统;继电保护;

作者简介：韦仕荣(1982—),男，广东清远人，工程师，主要从事城市轨道交通供电;

牵引供电系统属于城市轨道交通车站的主要供电系统，多个传输线路及电气设备属于城市轨道交通牵引供电系统的具体构成，同时各个电气设备的连续较为密切且能够互相施加影响，如故障在某个位置出现，故障将直接影响周围的电气设备，导致设备正常运转无法实现，电气设备的使用寿命也可能因这种对远端设备的影响而缩短，继电保护的重要性可见一斑。电流的不稳定状态能够通过高水平的继电保护设备及时有效发现，短路电流消除可基于对故障点供电的迅速切断实现，这关系着其他设备的保护。继电保护需要设法实现城市轨道交通牵引供电系统每个部位的有效保护，对于出现故障的部位，立即启动的继电保护装置可自动做出相应保护动作，保障城市轨道交通牵引供电系统的正常运行。值得注意的是，城市轨道交通牵引供电系统的继电保护需要设法满足可靠性、灵敏性、速动性、选择性等要求，这同样需要得到业内人士的高度重视[1]。

案例工程的框架保护装置设置于每个直流进线开关柜中(牵引变电所),在架空地线与接触网间发生短路、开关柜壳体发生电流泄漏时，框架保护设置需保证直流开关柜正极迅速跳闸，牵引供电系统设备的安全性能够得到保障，这里的开关柜壳体由地网与串联电流元件分流器连接[2]。基于功能，框架保护可细分为用于退出或报警的电压框架保护、用于跳闸的电流框架保护。围绕电流框架保护进行分析可以发现，直流开关柜外壳需要与电流检测元件(设置于框架保护中)一端连接，变电所内的综合接地网负责与电流检测元件的另一端连接，其中直流开关柜与地网需基于绝缘垫板网保持绝缘。负极需要与电压检测元件(设置于框架保护中)一端连接，直流开关柜外壳与电压检测元件的另一端连接，同时串接低电阻分流测量器于变电所综合接地网与柜体外壳间，此时直接接入综合接地网的电压测量元件认为钢轨对地网电压为电压框架测量电压[3]。

结合国内城市轨道交通工程的建设经验，案例工程采用框架主保护作为直流进线开关柜的电流框架保护，主要负责跳闸保护，辅助保护为电压框架保护，联跳选择开关需针对性设置，以此实现选择性投入或退出跳闸[4]。

案例轨道交通工程车辆为6编组B型车，为3动3拖设计，存在不超过33 t的拖车质量，以及不超过35 t的动车质量。列车最大电流在各种运行工况下为2 848A。同时采用刚性悬挂方式的正线接触网，汇流排、接触线分别为PAC110、CTAH-120,钢轨规格为60 kg/m。基于上述数据开展分析能够确定，存在不超过2 500A的馈线最大负荷电流，同时存在约为30 kA的各牵引变电所近端短路电流。案例轨道交通工程牵引供电系统的直流馈线开关柜继电保护配置由六部分组成，包括大电流脱扣保护、瞬时过电流保护、增量保护、过电流保护、双边联跳保护、热过负荷保护[5]。

大电流脱扣保护主要利用自带脱扣器的直流馈线快速开关实现，无延时跳闸的脱扣器能够将牵引供电系统存在的直接金属性短路故障切除，需保证存在各运行工况下地铁列车直流馈线最大负荷电流的整定值，具体校验需通过近端短路电流开展，最大的近端短路时电流应在整定值之上，案例工程采用9 000 A作为大电流脱扣保护定值；瞬时过电流保护用于保护近、中端线路短路，同时属于后备保护服务于增量保护，瞬时过电流保护的方向选择性显著，在某一牵引所内整流机组故障、列车于再生制动状态下工作、整流机组检修退出运行时，存在越区大双边供电的牵引所内直流馈线，如短路故障在接触网发生，逆向电流会从接触网至整流机组向直流馈线快速开关流入，作用于跳闸的直流馈线快速开关会随之出现。具体整定采用类似于大电流脱扣保护的方法，为实现选择性的各类保护，瞬时过电流保护整定值需要在大电流脱扣保护之下，同时该值还需要在增量保护之上，具体采用7 000 A的瞬时过电流保护定值；增量保护在案例轨道交通工程中属于直流馈线开关柜的主保护，通过电流上升率和电流增量开展早期判断，近、中端短路电流即可在短路发生的初始阶段快速切断，正常工作电流与远端短路电流也能够做到正确区分。增量保护作为主保护具备较好的保护范围和保护性能，能够实现对直流牵引供电系统的整体覆盖。需保证存在大于地铁列车过分段和启动时最大冲击电流的电流增量整定值，保证存在大于地铁列车分段和启动时电流最大变化率的电流上升率整定值，同时需保证电流上升率整定值在末端短路电流变化率之上。因此，具体设置的瞬时电流增量整定、瞬时电流变化率整定分别为3 000 A、350 A/ms, 延时电流增量整定、延时电流变化率整定分别为2 00 0A、25 A/ms, 并采用50 ms的延时设置[6]。

过电流保护属于后备保护，服务于线路末端短路，采用长延时跳闸设置，该保护具备方向选择性，类似于瞬时过电流保护。过电流保护的整定值需在架空地线与供电末端接触网发生短路时可能产生最小短路电流之下，整定可基于80%的列车最大启动电流进行，保护时间基于馈线最大负荷电流及列车最大启动电流的持续时间整定，具体的电流保护定值、保护时间分别设置为3 000 A、20 000 ms; 双边联跳保护采用控制电缆硬接线，为保证牵引变电所在双边供电时故障对应直流馈线能够实现可靠跳闸，双边联跳保护的科学设置也不容忽视，双边联跳存在故障大双边联跳和正常双边联跳共两种方式。围绕正常双边联跳进行分析可以发现，这种双边联跳下牵引变电所对应直流馈线距离线路短路故障点近的应先跳闸，相邻牵引变电所(构成双边供电)会因联跳信号而跳闸[7]。围绕故障大双边联跳进行分析可以发现，对于故障退出运行的某牵引变电所，越区供电的相邻牵引变电所故障大双边联跳将自动启动，双边联跳电缆负责牵引变电所的转换连接，大双边联跳功能将在相邻牵引变电所实现；热过负荷保护用于直流馈线及接触网电缆，该保护能够将因长时间过负荷出现过热损坏的直流馈线电缆或接触网线材切除，属于典型的非短路故障保护。热过负荷保护基于反时限过流保护原理确定整定值，需配合接触网温升—电流—耐受时间曲线[8]。

对于钢轨上前进的地铁列车，走行轨与车体可靠接触，而由于钢轨与车体均连接直流牵引供电系统负极，如接地故障在接触网出现，升高的负极对地电压将随之出现，停靠车站的地铁列车会导致站台与车体间存在变大的电位差，如超过人体所能耐受电压值的电位差出现，乘客将遭受电击风险，因此，需要在综合接地网与钢轨间设置钢轨电位限制装置，避免地电位过高导致安全事故出现[9]。应结合人体耐受电压特征曲线开展钢轨电位限制器开关柜的整定，案例轨道交通工程采用3级保护配置定值，U>90 Vs, 通过接触器的动作时限为1 s; U≫120 V,通过接触器无延时永久短路；U600 V,通过晶闸管的动作时限为0 s[10]。

基于上述方案，对案例轨道交通工程牵引供电系统保护开展定值整定，同时实际应用于各牵引变电所，表1为保护定值整定结果。

表1 保护定值整定结果 导出到EXCEL

综上所述，城市轨道交通牵引供电系统的继电保护配置需关注多方面因素影响。在此基础上，本文涉及的直流馈线开关柜继电保护配置、钢轨电位限制器开关柜继电保护配置等内容，则提供了可行性较高的继电保护配置路径。为更好保证城市轨道交通的安全稳定运行，电压型保护方案的深入应用、故障发生概率的科学控制同样需要得到重点关注。

[1] 胡维锋，夏波.城市轨道交通直流牵引供电系统再生制动能量利用对钢轨电位的影响[J].城市轨道交通研究，2021,24(10):176-181.

[2] 何亮，吴浩，李思文，等.基于EMD(经验模态分解)奇异值熵的城市轨道交通直流牵引供电系统短路故障辨识[J].城市轨道交通研究，2021,24(9):88-93.

[3] 陈伟杰，李立颖，卜立峰，等.城市轨道交通高架区间牵引供电系统环网电缆新型敷设方案的应用[J].电工技术，2021,(16):160-162.

[4] 俞浩，沈尝君.城市轨道交通牵引供电回流系统排流柜智能化改造及应用研究[J].城市轨道交通研究，2021,24(S1):26-30.

[5] 顾靖达，杨晓峰，郑琼林，等.基于不同接地方式与列车工况的负阻变换器牵引供电系统轨道电位与杂散电流[J].电工技术学报，2021,36(8):1703-1717.

[6] 石磊.轨道交通DC1 500V牵引供电系统短路故障与对策[J].集成电路应用，2021,38(2):102-103.

[7] 靳忠福.基于CDEGS的交流供电方式下城市轨道交通工频电磁场分析[J].高压电器，2020,56(12):221-225.

[8] 杨树松，李辉，朱纪法.双向变流器应用于城市轨道交通供电系统的功能性验证[J].城市轨道交通研究，2020,23(1):187-190.

[9] 许嘉轩.基于Gauss-Seidel法的城市轨道交通直流牵引供电系统稳态短路计算方法[J].城市轨道交通研究，2020,23(7):138-141.

[10] 邢玥，星成武.DCTPS在城市轨道交通牵引供电系统中的应用[J].工程建设与设计，2019(22):261-263.

声明：我们尊重原创，也注重分享。有部分内容来自互联网，版权归原作者所有，仅供学习参考之用，禁止用于商业用途，如无意中侵犯了哪个媒体、公司、企业或个人等的知识产权，请联系删除（邮箱：glyhzx@126.com），另本头条号推送内容仅代表作者观点，与头条号运营方无关，内容真伪请读者自行鉴别，本头条号不承担任何责任。