城市轨道交通系统包括地铁、轻轨、有轨电车、独轨等。轨道交通具有运载能力大、噪音废气污染小、运行快速准时、占用土地少等独特优势, 它不仅能缓解大中城市日益拥挤的交通状况, 而且大大推动了城市的经济和社会的发展。轨道交通采用直流供电。直流供电系统包括直流开关柜、控制和保护系统、直流电缆、接触网等。其中控制和保护系统对确保轨道交通的安全、可靠的运行, 具有举足轻重的作用。它一方面确保向地铁列车提供安全可靠的供电, 减少甚至消除不必要的停电时间, 从而提高经济效益;另一方面当发生故障时, 能迅速切除故障, 从而确保了旅客的人身安全和列车、设备的安全。
1 轨道电气保护系统
保护系统通过直流分流器、直流传感器、霍尔传感器、隔离变送器、分压器等元件测量线路的电流和电压。一旦PLC检测出线路故障, 断路器分闸, 从而实现保护功能。
保护系统应满足如下要求。
(1) 能适用于所有线路供电方案, 如单边供电、同一变电所内几个整流器并列供电、相邻变电所整流器并列双边供电等。
(2) 能区分牵引电流和故障电流、基本保护和后备保护。
(3) 动作迅速。保护系统包括两种保护装置:一种是直接装在断路器操作机构中的保护元件 (如各种脱扣器) ;另一种是继电保护装置 (间接保护) 。保护共有三种:分别测量电流、电压和阻抗的参数来实现对线路的保护。
1.1 电流参数的测量
通过测量和分析馈电回路的电流及其上升率di/dt和增量ΔI, 实现对线路的保护。
(1) Imax+保护。有时线路中的故障电流 (短路电流或过载电流) 小于断路器的整定值, 通过测量、分析馈电回路的正向电流If, 可检测低于断路器整定值的短路电流和过载电流。只要If>Imax+ (设定城市轨道交通直流供电的控制和保护系统低压电器 (2000№6) 值) , 开始计时t, 当t>T+ (设定值) , 则跳闸。
(2) Imax-保护。通过分析馈电回路的反向电流If, 检测低于断路器整定值的短路电流和过载电流。
(3) DDL保护 (di/dt、ΔI、T) 。此功能用于线路馈电断路器, 通过分析电流上升率di/dt、电流增加的时间t及电流增量ΔI, 检测远距离短路故障, 其故障电流值低于断路器的整定值。
(4) 热保护。此功能对断路器、供电线路 (电缆、接触网) 等提供热过载保护。因为长期大电流会使供电导体发热, 从而可能导致供电导体, 尤其是接触网变软。
1.2 电压参数的测量
通过测量和分析馈电回路的电压, 实现对线路的保护。
(1) 铁轨带电 (监测馈电电压Uf) 。连续测量Uf, 如果Uf>设定值, 表明铁轨带电。
(2) ΔU保护。当某段线路已从另一端受电 (双边供电) 时, 如果整流器电压与回流网电压之间的电压差有引起大电流的危险, 则断路器不能合闸。此功能可与线路测试功能连在一起。
PLC保护程序举例。测量电压Uf和整流器电压Ur:如Ur-Uf<设定值ΔUr-f, 断路器可以合闸;如Ur-Uf>设定值ΔUr-f, 合闸程序终止, 指示“闭锁”。
(3) Uf, min (Uf、low) 保护。检测远离电源点的压降。测量Uf, 如果Uf<设定值Uf、low, 且时间超过设定值tU, 则使断路器分闸。1.3阻抗参数的测量通过测量馈电回路的电流和电压, 计算出阻抗并加以分析, 实现对线路的保护。通过分析线路阻抗来控制线路故障。阻抗的设定值应选为最高阻抗值, 以保证列车的起动电流不使断路器跳闸, 而对于远距离故障造成的低阻抗必须能使断路器跳闸
2 供电系统电气保护设置的原则
电气保护的设置涉及人身和财产安全, 理应遵守国家的技术法规, 切不可随机而变。笔者认为可参照电力系统的设计规范执行, 如《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》 (GB 50062-92) 规定:电力设备和线路应有主保护、后备保护和异常运行保护, 必要时可增设辅助保护;继电保护和自动装置应满足可靠性、选择性、灵敏性、速动性的要求;保护的最小灵敏度系数, 电流主保护不小于1.5 (供电企业安全评估要求不小于2.0) , 远后备保护不小于1.2, 带方向、差动、距离的主保护不小于2.0;后备保护可选择远后备保护和近后备保护。该规范还规定:主保护是能以最快速度、有选择切除被保护设备和全部线路故障的保护;后备保护是当主保护或断路器拒动时, 用以切除故障的保护;异常运行保护是反映电力设备或线路异常运行状态的保护。又如《低压配电设计规范》 (GB 50054-95) 规定:断路器瞬时脱扣电流保护灵敏度系数不小于1.3。
3 保护定值的设定
3.1 保护定值的设定, 应同时满足两个最基本的条件
(1) 保护定值的最小灵敏度系数要求。保护定值越低, 灵敏度系数越大, 保护动作的可靠性越高, 保护范围越广。从切除故障而言, 希望定值越低越好。
(2) 保护定值应大于保护设备和线路内列车运行的最大电流, 一般应大于1.1~1.2倍。从减少误动作而言, 希望定值越高越好。
以上两个条件是相互矛盾的, 在牵引电压750V系统中尤为突出。列车在高密度运行时, 其最大负荷电流往往接近甚至大于末端故障电流, 加之直流系统故障形式多, 故障电流计算比较困难, 最大负荷电流因随机性而难以确定, 使保护定值达到合理十分困难。
下面举例介绍几种保护定值的设定。
(1) 馈出开关瞬时脱扣电流保护定值。
馈出开关瞬时, 脱扣电流保护作为牵引网线路的主保护, 其定值应满足以下几个方面。
(1) 供电末端短路保护的灵敏度系数要求。
(2) 躲过列车运行的设计计算电流最大值。
(2) 电流增量保护定值。
电流增量保护为馈出开关短路故障的近后备保护、电弧故障的主保护, 它的定值应同时满足以下几个方面。
(1) 保护灵敏度系数不低于2.0, 最低不低于1.6。
(2) 躲过列车启动电流中的电流增长上升率和电流增加量。
(3) 电流增量保护定值。
电流增量保护为馈出开关短路故障的近后备保护、电弧故障的主保护, 它的定值应同时满足以下几个方面。
(1) 保护灵敏度系数不低于2.0, 最低不低于1.6。
(2) 躲过列车启动电流中的电流增长上升率和电流增加量。
3.2 为保证保护的可靠性, 应采取如下措施:
(1) 设直流备用开关和备用母线, 尽可能减少单边供电的时间。
(2) 单边供电时应双机组运行, 避免机组开关和直流进线开关误动作。
(3) 大双边供电时, 末端短路故障电流小于脱扣保护定值和电流增量保护灵敏度系数要求, 现有设计中不采用。
(4) 变电所间足巨应保证单边供电时, 一列车在末端启动, 牵引网电压不低于500V。
(5) 直流开关采取大电流整定, 保证开关脱扣定值误差不大于10%, 并且每次分断短路故障后对开关触头进行检查。
(6) 设置电分段区, 防止列车过电分段区时将电分段区短接。
4 结语
随着微电子技术、计算机技术、网络技术的进步和互联网技术的飞速发展, 我们已经、也将进一步将这些最新技术应用到直流快速断路器、控制和保护装置上。在掌握上述控制和保护原理的基础上, 我们将一方面加速开发出智能化、可通信直流快速断路器, 另一方面进一步研制更完美的控制和保护装置, 以满足直流供电安全、可靠、便捷、自动化的要求, 从而迅速提高我国轨道交通供电系统水平。
摘要：本文着重论述轨道供电系统的保护设置的主要原则保护定值的控制和保护系统对确保轨道交通的安全、可靠的运行, 具有举足轻重的作用。同时它也是轨道交通供电自动化系统的一个组成部分。
关键词：电气保护,保护定值