【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 系統(tǒng)保護(hù)

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)，而又沒有遠(yuǎn)后備保護(hù)，此時(shí)只能通過牽引變電所內(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。

四、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。

⑴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)的范圍見圖(02)。

由圖02可見,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,非常可怕。要求變電所的饋線保護(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:

①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。

②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。