地铁DC1500V牵引系统增量保护定值分析

黄佩扬 黄嘉琳 孙俊明

（广州市地下铁道总公司，广东广州510380）

1 直流供电系统简介

地铁直流供电系统主要由主变电所、牵引变电所、接触轨、电力监控、供电缆网等组成。采用集中供电方式，由城市110kV电压等级电网向地铁主变电所供电，主所为全线33kV电压等级环网供电，再向地铁的牵引变电所和降压变电所供电，组成完整的供电网络系统。牵引变电所的间隔一般为2～3km，并按其所需的总容量设置两组整流机组并列运行。沿线任一牵引变电所故障，则由两侧相邻的牵引变电所承担其供电任务。

2 直流馈线开关保护运行分析

2.1 非运营期间接触轨单边送电情况下单台列车取流波形分析

根据列车重载试验电流曲线图，在额定负荷AW2下单列列车取流最大值为2700A左右。列车在加速过程中，到达35km/h时速时取流最大后，将开始采用调频加速使取流下降至1800A左右。列车从0加速到85km的最短时间为32s。

接触轨单边送电情况下单台列车取流波形分析情况：单台列车取流波形，一天内最大的负荷电流为2000A左右，具体如图1所示。

图1 单台列车取流波形

以每秒采集1k个数据点的情况下，将列车启动取流时尖峰波形放大观察，列车取流时没有抖动或锯齿波的现象，对接触网设备及列车运行设备基本无影响，如图2所示。

图2 尖峰电流

2.2 运营期间单台直流开关的最大负荷数据测试分析

针对直流供电区运行时刻可能出现3部车在同一供电臂内，对应的开关是A牵引所的214开关、B牵引所的212开关。同时对应现场跟踪高峰电流情况，观察到负荷电流最大开关柜为A牵引所214开关，所以对A牵引所214开关挂录波器监测电流数据：

行车列车数为37列的情况下，以每秒采集1k个数据点采集电流波形，由波形数据可以看到列车启动电流大体在2400A左右，记录到最大电流值为3860A（晚高峰时段唯一一次超过3400A，高峰时刻其他的启动电流峰值在3200A左右）。

行车列车数为42列的情况下，以每秒采集1k个数据点采集电流波形，由波形数据可以看到列车启动电流大体在2700A左右，记录到最大电流值为3414A（晚高峰期间多次超过3400A，其他高峰时刻的启动电流峰值达到3100A左右）。同时，可较明显看到晚高峰期间列车启动密度较大，峰值电流较高。

增大采样密度，每秒采集20k个数据点，行车列车数为37列、42列的情况下，记录高峰时段电流波形。从两个波形图中均没有看到电流有抖动、锯齿波的现象。

行车列车数为42列，增大采样密度，每秒采集200k个数据点，没有看到列车取流有抖动、锯齿波的现象，列车从开始取流到取流峰值时间为26s；峰值为3030A，电流斜率di/dt为0.12A/ms，具体如图3所示。

图3 列车启动波形（采样为200k/s）

3 定值匹配性分析

3.1 单一供电臂内同时允许多车启动的模式分析

线路高峰期共有42列列车上线运营，线路来回共用时115min，高峰时刻每车间隔为2′44″左右。从行车距离、每个区间、每个供电臂几个方面分析供电臂内列车数量：

（1）行车距离：线路全长共32km（来回程共64km），每列车之间平均距离为1.52km。查阅设计文件，线路最长的供电臂为3.299km。从以上计算得出现阶段可能出现同一供电臂内列车达到3列。

（2）每个区间：线路有48个区间（含折返线区间），平均到每个区间的列车数为0.875列，五号线每个供电臂内最多3个区间，所以从区间角度计算出每个供电臂内最多行车2.625列，也就是可能超过2列。

（3）每个供电臂：线路共有26个供电臂，所以平均到每个供电臂的列车数为1.62列。

综上所述，在现阶段42列车的情况下，正常行车时，每个供电臂内的列车可能存在超过2列的情况，其中，供电臂距离长、区间多的会出现每个供电臂内有3台车的情况。

3.2 现阶段保护定值匹配性分析

现阶段在运行的DC1500V开关柜为西门子生产的SITRAS8MF型开关柜，配UR40-82S断路器，测控保护装置为西门子的DPU96装置。DC1500V馈线开关柜DPU96装置设有保护：电流速断Imax、ΔI保护、过电流UMZ保护、电流变化率di/dt保护、热过负荷保护；开关本体设置大电流脱扣保护。根据分析，42列车上线运行的情况下，每个供电臂内近期最大可能同时存在3台列车，因此，以下定值分析均以每个供电臂3台列车、单边供电为条件来进行。

3.2.1 开关本体大电流脱扣保护匹配分析

根据列车重载试验电流曲线图，在额定负荷AW2下单列列车取流最大值为2700A，现整定为9000A，在极端的单边供电情况下，按照区间内3台列车重载全速启动计算：2700×3=8100A≤9000A。现阶段该整定值符合运行要求。

3.2.2 电流变化率di/dt、电流增量ΔI保护整定匹配分析

单台列车启动电流平均di/dt取0.125A/ms，在极端的单边供电情况下，按照区间内3台列车重载全速启动计算：0.125×3=0.375A/ms≤50A/ms，取流电流增量2700×3=8100A≥4000A，但列车取流时间16s≥0.005s，现阶段该整定值符合运行要求。

3.2.3 Imax+保护整定匹配分析

Imax+电流整定值为8500A，时间为1ms。考虑到在极端的单边供电情况下，按照区间内3台列车重载全速启动计算，则2700×3=8100A≤8500A，故该整定值符合现阶段的运行要求。

3.2.4 热过负荷保护整定值匹配分析

整定依据为接触网和馈线电缆的热特性及其载流量，不需与其他保护配合。根据对现运行的直流开关柜运行情况观测得知：对于馈线开关电流经常出现超过2000A的电缆热过负荷计算温度一般在42℃左右，而馈线开关负荷不大的一般只有38℃左右（计算的参考温度为35℃），而开关的跳闸温度值为80℃，系统裕度很大，故其满足现阶段的正常运行。在极端的单边供电情况下，按照区间内3台列车重载全速启动考虑，由于列车持续运行时间较短（单车一般超过2000A电流不超过16s时间），故不需要考虑该保护的整定。

3.2.5 过电流UMZ保护整定值匹配分析

过电流整定值为5905A，时间为25s。考虑到在极端的单边供电情况下，按照区间内3台列车重载全速启动计算，则2700×3=8100A≥5905A，但是考虑到列车重载全速启动时电流值大于2000A的时间不超过16s（图1），而该保护是延时为25s，故该整定值符合现阶段的运行要求。

4 结语

在供电系统正常运行的情况下，DC1500V馈线开关现行保护定值完全满足现有列车（42列）启动取流及系统故障保护的需要，可以充分实现现有保护功能，无需调整。在某个牵引所整流机组退出运行后，即大双边供电或大单边供电时，需注意调整行车数量及启动模式，避免列车启动取流造成直流馈线开关保护误动作。

［参考文献］

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[2]徐劲松，高劲，江平，等.浅析地铁直流牵引变电所的保护原理[J].电气化铁道，2003（6）：43-46.

[3]黄德胜.地铁牵引供电系统保护[J].都市快轨交通，2005，18（6）：65-67.