2018最新牽引變電系統(tǒng)分析論文
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【摘 要】作者根據(jù)自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出牽引變電所兩種不可或缺的保護(hù)：牽引變電所內(nèi)部聯(lián)跳、因饋線開關(guān)沒(méi)有遠(yuǎn)后備保護(hù)，故應(yīng)設(shè)開關(guān)失靈拒動(dòng)保護(hù)。迅速切斷電源是一切繼電保護(hù)的最終目的，直流電路尤其如此。為迅速切斷電源，在短路電流上升過(guò)程中將其遮斷，是直流保護(hù)應(yīng)當(dāng)遵循的基本原則。文中分析了三種保護(hù)上“死區(qū)”形成的原因，為使饋線開關(guān)保護(hù)更加完善，直流饋線應(yīng)設(shè)開關(guān)失靈拒動(dòng)保護(hù)，以使列車運(yùn)行更加安全。
【關(guān)鍵詞】牽引變電所 內(nèi)部聯(lián)跳 饋線開關(guān) 開關(guān)失靈拒動(dòng) 短路電流 死區(qū)。
【Abstract】Based on auther’s working experience in metro projects, put forward two kinds of protection method which are absolutely necessarily for the traction substation, the inter-tripping of breaker and the breaker failure and tripping disabled protection, because no remote standby protection is installed in feed breaker. Cutting off the power supply immediately is the final aim of all relay protection, especially for the DC system. In order to cut off the power quickly, the principle that the short-circuit current should be cut off in its rise process should be followed in the protection of DC system. Three causations which lead to the skip area of protection is analyzed. In order to make the protection of feeder breaker perfect much more, The trip disable protection for failure of breaker should be installed in feed breaker of DC system to insure the safety of the train operation.
【Key words】traction substation, inter-tripping, feed breaker, the breaker failure and tripping disabled, short circuit current, skip area
一、概述
地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的保護(hù),可以分為兩部分:牽引整流機(jī)組保護(hù)和直流饋線保護(hù)。牽引供電系統(tǒng)保護(hù)的最大特點(diǎn)就是系統(tǒng)的“多電源”和保護(hù)的“多死區(qū)”。所謂多電源, 既當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生短路時(shí), 并非僅雙邊供電兩側(cè)的牽引變電所向短路點(diǎn)供電, 而是全線的牽引變電所皆通過(guò)牽引網(wǎng)向短路點(diǎn)供電。所謂多死區(qū), 是因牽引供電系統(tǒng)本身構(gòu)成的特點(diǎn)和保護(hù)對(duì)象的特殊性而形成保護(hù)上的“死區(qū)”。任何保護(hù)的最基本要求就是當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí), 首先要迅速“切斷電源”、“消除死區(qū)”, 針對(duì)這兩點(diǎn), 牽引供電系統(tǒng)除交流系統(tǒng)常用的保護(hù)外, 還設(shè)置了牽引變電所內(nèi)部聯(lián)跳、牽引網(wǎng)雙邊聯(lián)跳、di/dt △I 等特殊保護(hù)措施, 這就可以完全滿足牽引供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)切斷電源、消除死區(qū)的要求。對(duì)任何供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)而言, 可靠性總是第一位的, 而對(duì)直流牽引供電系統(tǒng), 速動(dòng)性可以看成和可靠性是同等重要的, 所以直流側(cè)保護(hù)皆采用毫秒級(jí)的電器保護(hù)設(shè)備, 如直流快速斷路器、di/dt △I 保護(hù)等, 目的就是在直流短路電流上升過(guò)程中將其遮斷, 不允許短路電流到達(dá)穩(wěn)態(tài)值。至于選擇性, 在直流牽引供電系統(tǒng)中則處于次要位置, 其保護(hù)的設(shè)置應(yīng)是“寧可誤動(dòng)作, 不可不動(dòng)作”。 誤動(dòng)作可以用自動(dòng)重合閘進(jìn)行矯正; 不動(dòng)作則很可怕, 因?yàn)闋恳╇娤到y(tǒng)短路時(shí)產(chǎn)生的直流電弧, 如不迅速切斷電源，電弧可以長(zhǎng)時(shí)間維持燃燒而不熄滅; 而交流電弧則不同, 其電壓可以過(guò)零而自動(dòng)熄滅。
關(guān)于地鐵牽引供電系統(tǒng)的常用保護(hù)，已為業(yè)內(nèi)人士所熟知，這里不再多作介紹。下面談一下容易被人忽視的兩種保護(hù)。
二、引變電所內(nèi)部聯(lián)跳保護(hù)
牽引變電所內(nèi)部聯(lián)跳的定義：當(dāng)發(fā)生短路故障引起兩臺(tái)整流機(jī)組直流引入斷路器或交流斷路器同時(shí)跳閘時(shí)，應(yīng)迅速跳掉全部直流饋線斷路器，以及時(shí)切斷電源。見(jiàn)圖（01）
當(dāng)牽引變電所內(nèi)部發(fā)生短路時(shí)，如 K2點(diǎn)短路，則流向短路點(diǎn)的短路電流有6路，兩臺(tái)整流機(jī)組2路：IK1 、IK2 ，相鄰牽引變電所通過(guò)4路饋線開關(guān)流向短路點(diǎn)的有4路： IK3、IK4 、IK5 、IKy 。若只跳掉兩臺(tái)整流機(jī)組的直流開關(guān)或交流開關(guān)是不夠的（只切斷 IK1 、IK2 ），相鄰牽引變電所仍會(huì)通過(guò)牽引網(wǎng)繼續(xù)向短路點(diǎn)供電（ IK3、IK4 、IK5 、IKy），因此必須跳掉直流母線上所有開關(guān)，以切斷電源，實(shí)現(xiàn)牽引變電所內(nèi)部聯(lián)跳；
當(dāng)牽引變電所外部發(fā)生短路時(shí)，如 K1點(diǎn)短路，則流經(jīng)DS6開關(guān)的短路電流有5路，兩臺(tái)整流機(jī)組2路： IK1 、IK2，相鄰牽引變電所通過(guò)3路饋線流經(jīng)DS6開關(guān)的短路電流有3路： IK3、IK4 、IK5，此時(shí)若饋線開關(guān)DS6拒動(dòng)，而又沒(méi)有遠(yuǎn)后備保護(hù)，此時(shí)只能通過(guò)牽引變電所內(nèi)部聯(lián)跳及時(shí)切斷電源。
牽引變電所內(nèi)部聯(lián)跳的保護(hù)范圍：無(wú)論是牽引變電所內(nèi)部短路還是外部短路，凡引起兩臺(tái)整流機(jī)組同時(shí)跳閘的故障均應(yīng)實(shí)行牽引變電所內(nèi)部聯(lián)跳。
由圖01可以看出, 流經(jīng)饋線開關(guān)DS6的短路電流IKZ 是由 IK1→IK55個(gè)短路電流組成的, 這就說(shuō)明, 如果饋線開關(guān)DS6失靈拒動(dòng), 要切斷短路點(diǎn)的電源, 只跳掉DS1、DS2是不夠的, 還要跳掉DS3、DS4、DS5等5路開關(guān), 即必須跳掉牽引變電所直流母線上的所有開關(guān)。
牽引變電所內(nèi)部聯(lián)跳保護(hù), 就是為當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí), 迅速切斷電源的一種保護(hù)措施。如發(fā)生一路饋線開關(guān)失靈拒動(dòng)或兩臺(tái)整流機(jī)組直流側(cè)兩路開關(guān)同時(shí)跳閘(或兩路交流中壓開關(guān)同時(shí)跳閘),為迅速切斷電源, 都必須實(shí)行變電所內(nèi)部聯(lián)跳, 既跳掉直流母線上的所有開關(guān), 否則不能切斷電源, 如圖(01)所示。
圖中 K1 (牽引變電所外部短路)和 K2 (牽引變電所內(nèi)部短路) 點(diǎn)短路時(shí), 如果DS1 、DS2 兩臺(tái)直流斷路器或DL1 、DL2 兩臺(tái)交流斷路器同時(shí)動(dòng)作, 則必須實(shí)行變電所內(nèi)部聯(lián)跳, 跳掉所有直流饋線斷路器。即跳掉DS3、DS4、DS5等饋線開關(guān), 否則不能切斷電源, 相鄰牽引變電所繼續(xù)向短路點(diǎn)供電。
三、直流饋線開關(guān)失靈拒動(dòng)保護(hù)
目前國(guó)內(nèi)地鐵直流饋線開關(guān)設(shè)置了多種保護(hù)和自動(dòng)裝置，這些都是必要的，但尚缺少一種重要的保護(hù)：開關(guān)失靈拒動(dòng)保護(hù)。當(dāng)開關(guān)失靈拒動(dòng)時(shí)，開關(guān)本身設(shè)置的所有保護(hù)均失效，而饋線開關(guān)又沒(méi)有遠(yuǎn)后備保護(hù),這是直流饋線保護(hù)的“軟肋”。眾所周知，從牽引變電所的主接線上看，直流饋線開關(guān)沒(méi)有遠(yuǎn)后備保護(hù)設(shè)備，這是由地鐵供電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成特點(diǎn)所決定的。在直流母線上共設(shè)置6路開關(guān)：2路直流引入開關(guān)、4路饋線開關(guān)，見(jiàn)圖（01）。從電源角度講，每路饋線開關(guān)的上一級(jí)有5路電源開關(guān)，這和交流電路不一樣，交流電路上一級(jí)只有一路開關(guān)，所以當(dāng)下一級(jí)開關(guān)失靈拒動(dòng)時(shí)，上一級(jí)開關(guān)可以作為它的遠(yuǎn)后備保護(hù)。直流則不然，它的上級(jí)5路開關(guān)都不是它的遠(yuǎn)后備保護(hù)設(shè)備。從圖（01）中可以看出，當(dāng) K1點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，如為變電所出口短路，饋線開關(guān)失靈拒動(dòng)可能引起2路直流引入線開關(guān)跳閘，引起變電所聯(lián)跳，及時(shí)切斷5路電源。如果發(fā)生遠(yuǎn)端短路，饋線開關(guān)失靈拒動(dòng)就非常危險(xiǎn)，此時(shí)將有5路短路電流IK1 、IK2 、IK3、IK4 、IK5 持續(xù)不斷流入短路點(diǎn)，短路點(diǎn)的直流電弧將燒毀一切，對(duì)于運(yùn)行的電動(dòng)車輛，尤其危險(xiǎn)，對(duì)人身安全造成極大的危害。
其實(shí)，解決這一問(wèn)題并不需要什么高深技術(shù)和增加投資，直流電路保護(hù)的最大特點(diǎn)就是一個(gè)字：“快”，迅速切斷所有電源的唯一可靠的辦法就是通過(guò)牽引變電所內(nèi)部聯(lián)跳，迅速切斷電源。
判斷饋線開關(guān)失靈拒動(dòng)有兩個(gè)條件：
1． di/dt △I / △t動(dòng)作；
2． 經(jīng)一定的時(shí)限饋線開關(guān)不動(dòng)作（開關(guān)輔助常開接點(diǎn)仍處于合閘位置）。
將上兩個(gè)條件組成“與”電路，即di/dt △I / △t動(dòng)作信號(hào)、經(jīng)一定可調(diào)整的延時(shí)（30～100ms），而開關(guān)輔助常開接點(diǎn)仍處于合閘位置，既判斷為開關(guān)失靈拒動(dòng)。應(yīng)及時(shí)實(shí)現(xiàn)牽引變電所內(nèi)部聯(lián)跳，切斷短路點(diǎn)的電源。
牽引變電所內(nèi)部聯(lián)跳、饋線開關(guān)失靈拒動(dòng)兩種保護(hù)，希望能引起業(yè)內(nèi)人士的`重視。
三、直流饋線保護(hù)的死區(qū)
直流饋線保護(hù), 在牽引供電系統(tǒng)中是最重要的保護(hù), 這是由它的供電方式和供電對(duì)象的特點(diǎn)決定的。因供電方式不同而形成保護(hù)上的不同的“死區(qū)”; 因供電的對(duì)象是隨時(shí)變化并移動(dòng)的負(fù)荷, 還需要在保護(hù)上進(jìn)行配合, 這就形成了保護(hù)上的特殊要求。直流饋線保護(hù)首先是以保障列車的正常運(yùn)行、保護(hù)旅客的人身安全為第一要素。
1.死區(qū)的形成 因供電方式的不同, 保護(hù)設(shè)置不同, 形成保護(hù)上的死區(qū)也不同, 單邊供電死區(qū)發(fā)生在供電區(qū)段的末端附近; 大雙邊供電死區(qū)發(fā)生在供電區(qū)段的中點(diǎn)附近, 運(yùn)行列車主保護(hù)不能斷弧時(shí)死區(qū)發(fā)生在電動(dòng)車輛的上，可以發(fā)生在列車運(yùn)行區(qū)間的任何位置。
死區(qū)的大小和供電方式、供電距離、保護(hù)措施有密切的關(guān)系, 采取適當(dāng)?shù)墓╇姺绞胶捅Ｗo(hù)裝置, 死區(qū)是完全可以消除的。
�、� 單邊供電死區(qū)發(fā)生在末端
死區(qū)的大小, 取決于開關(guān)整定值的大小和供電距離的大小, 當(dāng)只靠開關(guān)本身整定值保護(hù)時(shí)，形成死區(qū)的范圍見(jiàn)圖(02)。
由圖02可見(jiàn), 單邊供電時(shí), 開關(guān)整定值越大, 死區(qū)越大; 供電距離越長(zhǎng), 死區(qū)也越大, 圖中Izd為饋線開關(guān)整定值。 1.2Izd是考慮開關(guān)整定值有10%的誤差時(shí)確定保護(hù)死區(qū)的范圍。
⑵ 大雙邊供電死區(qū)發(fā)生在中點(diǎn)附近
如果只靠開關(guān)的大電流速斷保護(hù), 死區(qū)會(huì)出現(xiàn)在兩端變電所的附近, 這里所說(shuō)大雙邊供電死區(qū)發(fā)生在中點(diǎn)是指饋線保護(hù)設(shè)置了雙邊聯(lián)跳裝置以后形成的死區(qū)。正常雙邊供電是不會(huì)形成死區(qū)的, 因?yàn)閰^(qū)間任何一點(diǎn)發(fā)生短路, 都可以使一端開關(guān)跳閘, 并使另一端開關(guān)聯(lián)跳。而采用大雙邊供電時(shí), 在供電區(qū)的中點(diǎn)附近可能出現(xiàn)死區(qū), 見(jiàn)圖(03)。
圖中Izd為饋線開關(guān)整定值。
⑶ 列車主保護(hù)不能斷弧形成的死區(qū)
這一死區(qū)發(fā)生在車上, 范圍在整個(gè)供電區(qū)間都可能發(fā)生, 直接威脅旅客的生命安全, 非�？膳隆Ｒ笞冸娝酿伨�保護(hù)和車輛的主保護(hù)要相互配合和協(xié)調(diào)。
牽引變電所保護(hù)和地鐵車輛的主保護(hù)相互配合的基本原則是:
�、� 地鐵車輛主保護(hù)應(yīng)當(dāng)“自己保護(hù)自己”, 即地鐵車輛在運(yùn)行中無(wú)論在任何地點(diǎn), 當(dāng)車輛發(fā)生短路故障時(shí), 其主保護(hù)應(yīng)動(dòng)作可靠, 不允許有拉弧現(xiàn)象, “要?jiǎng)幼骶涂煽縿?dòng)作并斷弧, 不動(dòng)作就拒動(dòng)”。絕不允許開關(guān)動(dòng)作而出現(xiàn)燃弧現(xiàn)象。
�、� 牽引變電所饋線保護(hù)應(yīng)當(dāng)延伸至車上, 作為車輛主保護(hù)的后備, 以防萬(wàn)一。
消除以上三種保護(hù)上的“死區(qū)”，可靠的辦法就是饋線開關(guān)設(shè)置雙邊聯(lián)跳、di/dt △I / △t保護(hù)裝置及開關(guān)失靈拒動(dòng)保護(hù)裝置，以使地鐵列車運(yùn)行更加安全。
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