2018最新牽引變電系統分析論文
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【摘 要】作者根據自己的實踐經驗，提出牽引變電所兩種不可或缺的保護：牽引變電所內部聯跳、因饋線開關沒有遠后備保護，故應設開關失靈拒動保護。迅速切斷電源是一切繼電保護的最終目的，直流電路尤其如此。為迅速切斷電源，在短路電流上升過程中將其遮斷，是直流保護應當遵循的基本原則。文中分析了三種保護上“死區”形成的原因，為使饋線開關保護更加完善，直流饋線應設開關失靈拒動保護，以使列車運行更加安全。
【關鍵詞】牽引變電所 內部聯跳 饋線開關 開關失靈拒動 短路電流 死區。
【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的保護,可以分為兩部分:牽引整流機組保護和直流饋線保護。牽引供電系統保護的最大特點就是系統的“多電源”和保護的“多死區”。所謂多電源, 既當牽引網發生短路時, 并非僅雙邊供電兩側的牽引變電所向短路點供電, 而是全線的牽引變電所皆通過牽引網向短路點供電。所謂多死區, 是因牽引供電系統本身構成的特點和保護對象的特殊性而形成保護上的“死區”。任何保護的最基本要求就是當發生短路故障時, 首先要迅速“切斷電源”、“消除死區”, 針對這兩點, 牽引供電系統除交流系統常用的保護外, 還設置了牽引變電所內部聯跳、牽引網雙邊聯跳、di/dt △I 等特殊保護措施, 這就可以完全滿足牽引供電系統發生故障時切斷電源、消除死區的要求。對任何供電系統的繼電保護而言, 可靠性總是第一位的, 而對直流牽引供電系統, 速動性可以看成和可靠性是同等重要的, 所以直流側保護皆采用毫秒級的電器保護設備, 如直流快速斷路器、di/dt △I 保護等, 目的就是在直流短路電流上升過程中將其遮斷, 不允許短路電流到達穩態值。至于選擇性, 在直流牽引供電系統中則處于次要位置, 其保護的設置應是“寧可誤動作, 不可不動作”。 誤動作可以用自動重合閘進行矯正; 不動作則很可怕, 因為牽引供電系統短路時產生的直流電弧, 如不迅速切斷電源，電弧可以長時間維持燃燒而不熄滅; 而交流電弧則不同, 其電壓可以過零而自動熄滅。
關于地鐵牽引供電系統的常用保護，已為業內人士所熟知，這里不再多作介紹。下面談一下容易被人忽視的兩種保護。
二、引變電所內部聯跳保護
牽引變電所內部聯跳的定義：當發生短路故障引起兩臺整流機組直流引入斷路器或交流斷路器同時跳閘時，應迅速跳掉全部直流饋線斷路器，以及時切斷電源。見圖（01）
當牽引變電所內部發生短路時，如 K2點短路，則流向短路點的短路電流有6路，兩臺整流機組2路：IK1 、IK2 ，相鄰牽引變電所通過4路饋線開關流向短路點的有4路： IK3、IK4 、IK5 、IKy 。若只跳掉兩臺整流機組的直流開關或交流開關是不夠的（只切斷 IK1 、IK2 ），相鄰牽引變電所仍會通過牽引網繼續向短路點供電（ IK3、IK4 、IK5 、IKy），因此必須跳掉直流母線上所有開關，以切斷電源，實現牽引變電所內部聯跳；
當牽引變電所外部發生短路時，如 K1點短路，則流經DS6開關的短路電流有5路，兩臺整流機組2路： IK1 、IK2，相鄰牽引變電所通過3路饋線流經DS6開關的短路電流有3路： IK3、IK4 、IK5，此時若饋線開關DS6拒動，而又沒有遠后備保護，此時只能通過牽引變電所內部聯跳及時切斷電源。
牽引變電所內部聯跳的保護范圍：無論是牽引變電所內部短路還是外部短路，凡引起兩臺整流機組同時跳閘的故障均應實行牽引變電所內部聯跳。
由圖01可以看出, 流經饋線開關DS6的短路電流IKZ 是由 IK1→IK55個短路電流組成的, 這就說明, 如果饋線開關DS6失靈拒動, 要切斷短路點的電源, 只跳掉DS1、DS2是不夠的, 還要跳掉DS3、DS4、DS5等5路開關, 即必須跳掉牽引變電所直流母線上的所有開關。
牽引變電所內部聯跳保護, 就是為當發生短路故障時, 迅速切斷電源的一種保護措施。如發生一路饋線開關失靈拒動或兩臺整流機組直流側兩路開關同時跳閘(或兩路交流中壓開關同時跳閘),為迅速切斷電源, 都必須實行變電所內部聯跳, 既跳掉直流母線上的所有開關, 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 (牽引變電所內部短路) 點短路時, 如果DS1 、DS2 兩臺直流斷路器或DL1 、DL2 兩臺交流斷路器同時動作, 則必須實行變電所內部聯跳, 跳掉所有直流饋線斷路器。即跳掉DS3、DS4、DS5等饋線開關, 否則不能切斷電源, 相鄰牽引變電所繼續向短路點供電。
三、直流饋線開關失靈拒動保護
目前國內地鐵直流饋線開關設置了多種保護和自動裝置，這些都是必要的，但尚缺少一種重要的保護：開關失靈拒動保護。當開關失靈拒動時，開關本身設置的所有保護均失效，而饋線開關又沒有遠后備保護,這是直流饋線保護的“軟肋”。眾所周知，從牽引變電所的主接線上看，直流饋線開關沒有遠后備保護設備，這是由地鐵供電網絡的構成特點所決定的。在直流母線上共設置6路開關：2路直流引入開關、4路饋線開關，見圖（01）。從電源角度講，每路饋線開關的上一級有5路電源開關，這和交流電路不一樣，交流電路上一級只有一路開關，所以當下一級開關失靈拒動時，上一級開關可以作為它的遠后備保護。直流則不然，它的上級5路開關都不是它的遠后備保護設備。從圖（01）中可以看出，當 K1點發生短路時，如為變電所出口短路，饋線開關失靈拒動可能引起2路直流引入線開關跳閘，引起變電所聯跳，及時切斷5路電源。如果發生遠端短路，饋線開關失靈拒動就非常危險，此時將有5路短路電流IK1 、IK2 、IK3、IK4 、IK5 持續不斷流入短路點，短路點的直流電弧將燒毀一切，對于運行的電動車輛，尤其危險，對人身安全造成極大的危害。
其實，解決這一問題并不需要什么高深技術和增加投資，直流電路保護的最大特點就是一個字：“快”，迅速切斷所有電源的唯一可靠的辦法就是通過牽引變電所內部聯跳，迅速切斷電源。
判斷饋線開關失靈拒動有兩個條件：
1． di/dt △I / △t動作；
2． 經一定的時限饋線開關不動作（開關輔助常開接點仍處于合閘位置）。
將上兩個條件組成“與”電路，即di/dt △I / △t動作信號、經一定可調整的延時（30～100ms），而開關輔助常開接點仍處于合閘位置，既判斷為開關失靈拒動。應及時實現牽引變電所內部聯跳，切斷短路點的電源。
牽引變電所內部聯跳、饋線開關失靈拒動兩種保護，希望能引起業內人士的`重視。
三、直流饋線保護的死區
直流饋線保護, 在牽引供電系統中是最重要的保護, 這是由它的供電方式和供電對象的特點決定的。因供電方式不同而形成保護上的不同的“死區”; 因供電的對象是隨時變化并移動的負荷, 還需要在保護上進行配合, 這就形成了保護上的特殊要求。直流饋線保護首先是以保障列車的正常運行、保護旅客的人身安全為第一要素。
1.死區的形成 因供電方式的不同, 保護設置不同, 形成保護上的死區也不同, 單邊供電死區發生在供電區段的末端附近; 大雙邊供電死區發生在供電區段的中點附近, 運行列車主保護不能斷弧時死區發生在電動車輛的上，可以發生在列車運行區間的任何位置。
死區的大小和供電方式、供電距離、保護措施有密切的關系, 采取適當的供電方式和保護裝置, 死區是完全可以消除的。
⑴ 單邊供電死區發生在末端
死區的大小, 取決于開關整定值的大小和供電距離的大小, 當只靠開關本身整定值保護時，形成死區的范圍見圖(02)。
由圖02可見, 單邊供電時, 開關整定值越大, 死區越大; 供電距離越長, 死區也越大, 圖中Izd為饋線開關整定值。 1.2Izd是考慮開關整定值有10%的誤差時確定保護死區的范圍。
⑵ 大雙邊供電死區發生在中點附近
如果只靠開關的大電流速斷保護, 死區會出現在兩端變電所的附近, 這里所說大雙邊供電死區發生在中點是指饋線保護設置了雙邊聯跳裝置以后形成的死區。正常雙邊供電是不會形成死區的, 因為區間任何一點發生短路, 都可以使一端開關跳閘, 并使另一端開關聯跳。而采用大雙邊供電時, 在供電區的中點附近可能出現死區, 見圖(03)。
圖中Izd為饋線開關整定值。
⑶ 列車主保護不能斷弧形成的死區
這一死區發生在車上, 范圍在整個供電區間都可能發生, 直接威脅旅客的生命安全, 非常可怕。要求變電所的饋線保護和車輛的主保護要相互配合和協調。
牽引變電所保護和地鐵車輛的主保護相互配合的基本原則是:
① 地鐵車輛主保護應當“自己保護自己”, 即地鐵車輛在運行中無論在任何地點, 當車輛發生短路故障時, 其主保護應動作可靠, 不允許有拉弧現象, “要動作就可靠動作并斷弧, 不動作就拒動”。絕不允許開關動作而出現燃弧現象。
② 牽引變電所饋線保護應當延伸至車上, 作為車輛主保護的后備, 以防萬一。
消除以上三種保護上的“死區”，可靠的辦法就是饋線開關設置雙邊聯跳、di/dt △I / △t保護裝置及開關失靈拒動保護裝置，以使地鐵列車運行更加安全。
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