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1、摘要：本文以直流1500V双边供电的牵引变电所为例，介绍了地铁直流牵引变电所内各开关柜的爱护配置，并具体阐述了主要爱护的原理，如大电流脱扣爱护、电流上升率爱护、定时限过流爱护、低电压爱护、双边联跳爱护、接触网热过负荷爱护、框架爱护等。最终，对于目前的爱护原理中存在的不足之处，本文也做了分析，如多辆列车短时间内相继启动可能会造成爱护误动，小电流（尤其是有电弧的状况）短路故障与正常运行电流的区分，以及框架爱护的选择性问题。 关键词：地铁 直流 爱护 0 引言在我国，地铁是城市公共交通的重点发展方向，设备国产化又是发展的主要原则。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
2、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。通过对部分国外产品的探讨，笔者认为，直流爱护设备的原理并不是特别困难，功能实现在理论上也没有任何障碍，希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
3、纳的是第三轨受流器（上海和广州地铁则是架空接触网），其馈电电压为750V。由于750V馈电电压供电距离短、杂散电流大，现在多采纳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（下行亦相同），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
4、发生故障时快速、精确地切除故障，同时又要避开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相同。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-curren
5、t 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.
6、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，框架爱护则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
7、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下列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
8、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由于充电效应则较大，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
9、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，所以动身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，通常肯定满意条件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 ，以达到切除远端短路故障的目的，其动作延时Tdmt也较长，以
10、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，应考虑最大负载下列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
11、下降许多，当输出电压Umin，爱护启动，在肯定的延时时内输出电压始终保持Umin，则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，另一个立即也会跳闸，因而牢靠性很高，确保满意GB50517-92的第8.2.21条“在事故状态下接触网短
12、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，右边一段则由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站则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站的双边联跳爱护则发出联跳吩咐，将B站的213开关跳开。当B站退出运行时，则B站越区隔离开关2133合上，双边联跳爱护依据B站2133的位置推断另一端是由C站213开关供电，跳闸的对象则为C站213开关。3.6 框架爱护框架爱护适用于
13、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，超过整定值则快速动作。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
14、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，若未投入排流柜，钢轨（负极）与地的绝缘亦很好，漏电流可能不足以启动框架爱护，但电压检测元件则可使之快速动作。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，并需由人工复归后方可重新合上开关；3.7轨道电压限制爱护轨电位限制装置限制
15、一限制原则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，经过肯定的延时（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
16、”（U）。二、限制过程1.合闸 合闸的原则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，它们之间有肯定的区分：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
