地铁采用的直流供电保护方案

罗易东

摘要：广州地铁一号线直流供电系统，其基本原理是接触网采用1500V直流双边供电。在牵引所中通过整流机组把33KV等级的电压通过降压整流，转变成为1500V的直流电通过直流开关输送到接触网上，给机车提供动力电源。接触网本身不具备电气保护功能，上网电缆、接触网等设备出现故障，需要通过直流开关柜来判断故障，进行电气保护。所以对于直流供电系统来说直流开关柜的地位相当重要，研究直流开关的结构特点及保护功能的实现对地铁运营来说有着重要的意义。

关键词：直流柜；过流保护；di/dt+ΔI保护

1 引言

在轨道交通领域中应用于车辆供电的系统多采用直流供电的方式，即采用接触网供电。例如广州地铁一号线直流供电系统，其基本原理是接触网采用1500V直流双边供电。在牵引所中通过整流机组把33KV等级的电压通过降压整流，转变成为1500V的直流电通过直流开关输送到接触网上，给机车提供动力电源。接触网本身不具备电气保护功能，上网电缆、接触网等设备出现故障，需要通过直流开关柜来判断故障，进行电气保护。所以对于直流供电系统来说直流开关柜的地位相当重要，研究直流开关的结构特点及保护功能的实现对地铁运营来说有着重要的意义。

2 直流开关柜的组成及结构特点

牵引变电所1500V直流开关柜包括以下三种类型设备。

正极柜：连接于整流器阀侧正极与1500V正极母线之间的开关柜，实现对整流机组向1500V直流正极母线馈电进行控制。

馈线柜：连接于1500V直流正极母线与牵引网上网隔离开关之间的开关柜，实现对1500V直流正极母线向牵引网馈电进行控制和保护。

负极柜：连接于整流器阀侧负极与回流钢轨之间的开关柜，实现对牵引网回流的控制。

这里着重介绍下馈线柜。1500V馈线柜主要由上部连接、下部连接、驱动装置、合闸机构、分闸机构、大电流脱扣保护装置、灭弧装置以及分合闸位置辅助触点组成。其中驱动装置和大电流脱扣保护装置是1500V直流开关馈线柜的核心部分。

驱动装置的作用是牵引棘轮拉动动触头使其与静触头闭合，完成合闸。驱动装置由工程塑料支架、限位缓冲弹簧、分闸辅助弹簧、传动圆钢组成。整个驱动装置在合闸线圈铁心的推动下在受限范围水平内沿导轨方向前后运动。合闸时铁心推动驱动装置往前运动，驱动装置牵引棘轮拉动动触头运动；动触头附带一个辅助触头，在合闸前辅助触头先与动触头接触，通电之后动触头在驱动装置的作用下与静触头完全闭和。辅助触头的作用是避免动触头直接与静触头接触时发生损伤。分闸时先分动触头，最后分辅助触头，同样避免分闸产生的拉弧损害动触头。

大电流脱扣保护装置是直流开关上利用电磁原理实现直流保护的一种装置。有一个由硅钢片叠成的磁扼垂直套在动触头的外侧，只要开关回路中的电流达到整定值，磁扼中产生的磁场把衔铁吸合下来，衔铁带动连杆，连杆的运动顶起牵引触头棘齿，原来在水平方向的平衡被打破，棘轮向上顶起，轴脱扣后，动触头在分闸弹簧的作用下迅速弹开。这时综合保护装置根据辅助触点的输入和主电路电流电压测量值进行运算，输出控制使合闸线圈失电、铁心后退、驱动装置在分闸辅助弹簧作用下往回运动，综合保护装置发出大电流报警信息。大电流脱扣保护的整定值通过调整磁扼中的磁通路来实现。

3 直流开关柜保护的原理及整定范围

地铁1500V直流开关的测控保护一般通过综合保护装置来实现，如广州地铁二号线采用了西门子DPU96来实现对开关的控制、保护、测量及通信。

3.1 大电流脱扣保护

大电流脱扣保护通过脱扣器实现，其动作过程在文章开头有过介绍，该保护属于开关自带，用于切断大的短路电流。大的短路电流对线路会造成巨大的损坏，故大的短路电流一出现应立即切断，其切断时刻应在其达到电流峰值之前。 广州地铁2号线进线开关的整定值为12000A，馈线开关的整定值为9000A。

3.2 电流上升率保护（di/dt）和电流增量保护（ΔI）

该保护作为地铁馈线保护的主保护，他既能切除近端短路电流，也能切除大电流脱扣保护不能切除的故障电流较小的远端短路故障。保护动作特性分为2部分，瞬时跳闸和延时跳闸，其中谁较早激活就由谁决定跳开高速直流断路器。延时跳闸元件主要起识别远端短路电流并跳闸的作用。

西门子DPU96关于该保护的整定方法，开关合闸后，测量装置不断检测开关主电路中电流的变化率di/dt，当电流变化率di/dt≥24A/ms时发出报警，当di/dt≥40A/ms时触发DPU96产生中断。在30ms内如果电流变化率高于40A/ms则30ms后DPU96保护分闸；如果30ms内电流变化率低于40A/ms，则di/dt复零，中断退出。直流开关设置的ΔI保护与di/dt保护互相配合，当di/dt被触发后持续1ms，ΔI达到整定值4000A（馈线开关），经过延时（1ms），ΔI动作，DPU96保护分闸。

以上保护的整定使保护装置只针对故障电流做出分闸响应，躲过了牵引变电所很远处启动时的机车启动电流，列车的电杆架接触激增电流，列车驶进车站的电流等非故障电流曲线。防止了开关的误动作。

3.3 过流保护

过流保护可作为上述两种保护的后备保护。在保护控制单元预先整定电流Imax值和时间T值。当通过直流馈线短路的电流值在预先设定的时间T内超过Imax值时，过流保护装置动作使直流馈线断路器跳闸来清除故障。显然，Imax值应小于大电流脱扣保护装置动作值Idz。对于Imax值的设定，可分别设定正反方向的Imax＋值和Imax－值。当机车处于再生状态或当地牵引变电所整流机组退出运行，所内直流馈线被用于直流越区供电回路时，如果线路发生故障，会有反向电流通过直流馈线断路器，反向过流保护用于检测并清除该故障，在西门子的DPU96中可设定Imax值，如广州地铁2号线馈线整定过流为Imax=8000A。

3.4 框架保护

直流开关柜、整流器柜、回流柜设置有框架保护。框架保护分为电流型与电压型。其原理为：负极柜的S7（控制器）检测框架与大地之间的电流和框架对负极的电压，达到整定值则S7输出控制，通过硬线触点向本所所有1500V直流开关及邻所相邻1500V直流开关发出联跳信号（脉冲宽度大于500ms），每个直流开关的DPU96或S7收到信号后保护分闸同时闭锁自动重合闸程序。

3.5 自动重合闸

使用自动重合闸的目的是为了在瞬时性故障消除后使线路重新投入运行，从而在最短的时间内恢复整个系统的正常运行状态。对于直流牵引系统，经常会发生短路而使过流脱扣器经常动作。但由于大部分短路故障是短暂的，所以使用自动重合闸系统可提高系统的可靠性。断路器每隔一段时间（时间长短可调节）重合闸一次。如果重合闸的次数超过预定的次数，合闸仍不成功，则认为是永久性故障，闭锁重合闸回路。 DPU96在实现这一功能时需要检测判断发生大电流脱扣分闸、Imax保护、过电流保护、di/dt+ΔI保护时，DPU96通过硬线触点向邻所馈线1500V直流开关发联跳信号（设计整定脉冲宽度少于500ms）,联跳邻所馈线1500V直流开关；邻所馈线开关DPU96检测到联跳信号后进行判断，满足条件则跳闸进入自动重合闸程序。如果脉冲大于500ms（框架保护动作）则跳闸后退出重合闸程序。

4 结论

在目前国内的直流供电系统中普遍采用以上介绍的直流供电模式，直流供电的保护方法也基本一致，前面结合理论及实际实现方法对地铁直流开关柜进行了系统的分析，故掌握好直流开关柜的控制保护原理，对地铁运营故障检修有极其重要的意义。只有深入分析好直流开关柜的各项保护功能，有针对性的采取检修措施和相关对策，积累运营经验，才能确保运营供电系统正常稳定运行。

参考文献

[1]GB/T10411-2005，城市轨道交通直流牵引供电系统[S].

[2]于喜林.DDL保护在直流牵引供电系统的应用[J],电气化铁道，2004（3）.