基于地铁牵引供电系统的继电保护整定配合研究--毕业设计.docx

武 汉 理 工 大 学
毕业设计（论文）

题目：
基于地铁牵引供电系统的继电保护整定配合研究

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2015年 02 月 25 日

摘 要

牵引供电系统是城市轨道交通系统中最为重要的基础能源设施，其功能是为轨道交通系统中的电力车辆供电，确保轨道交通列车车辆的正常运行。采用直流牵引供电的城市轨道交通，其核心的技术是直流牵引供电系统化的控制和保护装置，为地铁直流牵引供电系统的安全可靠运行提供保障的。所以在保证直流牵引供电系统安全可靠地向列车供电方面，其保护装置发挥了极其重要的作用。地铁直流牵引供电系统的保护，可以分为两部分：牵引整流机组保护和直流馈线保护。本文将从理论开始讲述地铁直流牵引供电系统的保护种类及原理，最终并结合现场资料数据来对牵引整流机组保护和直流馈线保护的整定配合做进一步的讨论与研究。

关键词：馈线； 直流； 保护； 地铁

目 录
1 直流牵引供电保护系统概述 1
1.1保护系统概述 1
1.1.1电流参数的测量 1
1.1.2电压参数的测量 1
1.1.3阻抗参数的测量 1
1.2 直流供电系统保护的研究现状 1
2 直流牵引供电系统短路计算 2
2.1牵引整流机组 2
2.1.1 牵引整流机组原理 2
2.1.2 牵引整流机组的接入与输出 3
2.2直流系统短路计算 3
2.2.1 计算意义 3
2.2.2 计算内容 3
2.2.3 计算方法 4
2.2.4 计算过程分析 4
3 直流牵引供电系统保护 11
3.1 直流供电系统保护原理 11
3.1.1 直流系统保护设置的意义 11
3.1.2 保护原理 11
3.2 直流牵引供电系统保护的要求 12
3.3 保护的实现方式 12
4 地铁牵引供电系统保护介绍 12
4.1大电流脱扣保护 13
4.2电流上升率保护（di/dt）和电流增量保护（ΔI） 13
4.3过流保护 14
4.4双边联跳保护 15
4.5直流设备检测与自动重合闸功能 15
5 地铁牵引供电系统保护整定配合 16
5.1直流馈线保护的死区 16
5.2单边供电时保护死区分析 16
5.3大双边供电时保护死区分析 17
5.4运行列车主保护不能断弧形成的死区分析 17
5.5地铁牵引供电系统主保护相互配合的基本原则 17
6 框架故障保护与轨电位限制装置 17
6.1框架泄漏保护装置介绍及整定 17
6.2钢轨电位限制装置介绍及整定 18
6.3框架故障保护的整定值及其与钢轨电位限制装置的配合 19
结 论 21
致 谢 22
参考文献 23

1 直流牵引供电保护系统概述
直流牵引供电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。随着电子技术、计算机技术的发展，人们采用微处理器实现了电流上升率和电流增量等保护，极大地提高了供电保护的可靠性和准确率。目前最先进的方法是采用基于单片机或可编程序控制器（PLC）的数字式继电保护装置取代了传统的继电器等保护装置，从而大大提高了可靠性、保护性能以及配电自动化程 。
1.1保护系统概述
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压和电流，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 。
1.1.1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△I，实现对线路的保护。如：直流速断保护、直流过流保护、电流上升率di/dt和增量△I保护等。
1.1.2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。如：直流低电压保护、电压降保护、△U保护、钢轨带电馈电电压 监测等。
1.1.3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 。
1.2 直流供电系统保护的研究现状
在轨道交通直流供电保护领域内，国产保护设备还处于起步阶段。目前，国内的地铁直流保护设备主要引进国外保护单元，在国内各地的工程建设中，因各地的实际情况不同，所采用的保护装置也不同。
目前存在的主要困难是：一般直流保护与直流快速开关作成整体，而直流快速开关尚未国产化，难于找到很好的配套厂家；另外，缺乏大量的现场实测数据来检验所提原理和研制的保护的可行性。
由于地铁直流牵引供电系统保护装置还未实现国产化，市场被国外产品所垄断。为了改变这种不利的现状，国内主要的地铁设备供应商都在积极的筹划开发该产品。但是在国外相关技术己经成熟，产品已经占领市场的情况下，如果还从基础开始研发，不但投入的科研经费巨大，研发周期长，研发风险大大增加，而且随着国外技术的进一步发展，我们和国外的技术水平相差越来越远。因此，要在短期内研发出该系统，首先应学习消化国外产品，分析其研发思路，在此基础上，研发出拥有自主知识产权的产品出来。

2 直流牵引供电系统短路计算
城市轨道交通直流牵引供电系统短路计算具有供电电源多、供电方式多、供电回路多和回路参数多等特殊性，所以对直流牵引供电系统短路不能直接套用一般的交流短路计算方法。而应根据直流牵引供电的特点，建立数学模型，利用基本电路定律，推导出一套符合短路试验结果、适合于工程设计的计算公式。这其中最关键的是直流牵引双边供电等效电路模型的建立。
在分析直流牵引供电系统短路计算之前，有必要对牵引整流机组和直流主接线做简单的介绍。
2.1牵引整流机组
城市轨道交通直流牵引变电所的主接线，包括交流10kV—35kV受配电系统和直流0.75kV—1.5kV受馈电系统两部分，整流机组（整流变压器—整流器组）则是作为交、直流系统变换的重要环节设置的。
2.1.1 牵引整流机组原理
为了提高功率因数，降低牵引变压器网侧线电压波形畸变，以减少对电网的干扰，以及降低输出直流电压的纹波系数，城轨供电系统中的牵引整流机组采用两台三绕组12脉波整流变压器并联运行，构成等效24脉波整流电路。
单台整流器由两个三相6脉冲全波整流桥组成，其中一个整流桥接至牵引变压器阀侧星型绕组，另一个整流桥接至牵引变压器阀侧三角形绕组。因为每台牵引变压器阀侧星型绕组和三角形绕组相对应的线电压相位错开，两个整流桥并联连接构成12脉波整流，如图2-1所示。
等效24脉波整流由两台整流器构成，它们可以并联工作，也可以串联工作。两台牵引变压器的网侧绕组采用延边三角形移相的方法，相对于交流线电压，一台牵引变压器网侧星型绕组移相，另一台移相，则两台牵引变压器网侧电压相位差为，而合成后其阀侧星型和三角形绕组的线电压相位差为，经整流后输出24脉波电压。

(a) 12脉波整流机组电路图

(b) D/dy11整流变压器绕组电压矢量图 (c) 12脉波整流绕组导电顺序图
图2-1 12脉波整流机组电路和矢量图
2.1.2 牵引整流机组的接入与输出
(1) 整流机组接入方案综述
城市轨道交通牵引整流机组挂接在35kV供电网上，其接线形式一般有母线分段和母线不分段两种。为保证并联时直流电压相等和负荷分配均匀，消除环流，一般采用母线不分段，以确保两整流机组输入一致性的要求。国外大型整流机组一般均接在一条母线上。
(2) 整流机组的输出
国内外与750V直流母线的连接方案，包括与正极母线和负极母线的连接。整流器正极通过直流断路器与DC750V母线相连，负极通过隔离开关与负极柜中的负母排连接。直流母线采用单母线接线形式。正线牵引变电所采用四路馈线向接触轨双边供电。上（下）行左右臂之间设电动隔离开关，以实现牵引变电所解列时相邻牵引变电所的越区供电。DC750V馈线开关采用直流快速断路器。直流750V正母线对地间设置一台避雷器作过电压保护用。
2.2直流系统短路计算
2.2.1 计算意义
为使直流牵引供电系统在城市轨道交通中更有效的发挥作用，必须保证继电保护的可靠性、选择性、灵敏性和速动性。而直流系统短路计算正是城市轨道交通直流牵引供电系统设备选型及继电保护整定所必须具备的基础条件。只有在直流系统短路计算之后，才能够进行直流系统设备选型与继电保护整定。
2.2.2 计算内容
直流系统短路计算一般需要计算以下内容：
(1) 正常情况下双边供电时，各供电区间任一点的直流短路电流。
(2) 任一中间牵引变电所解列时，由相邻牵引变电所构成大双边供电时的区间任一点的直流短路电流。
(3) 端头牵引变电所解列时，由次端头牵引变电所单边供电的区间任一点的直流短路电流。
2.2.3 计算方法
直流牵引供电系统短路计算有两种方法：电路图法和示波图法，由于示波图法是建立在工程实践基础之上，通过对现场短路试验所拍摄的示波图进行数理分析，而计算出相关参数，因此本文仅应用电路图法进行直流系统短路计算。
(1) 电路图法
这一方法是针对城市轨道交通直流牵引供电系统电源多、供电回路多、供电方式多、回路参数多的特点，按照实际供电网络画出等效电路图、进行网络变换，在供电网络中只包括电阻。再将网络变换后的电路图利用基本定律—欧姆定律、基尔霍夫定律进行计算。该方法只能计算稳态短路电流，而不能计算供电回路的时间常数和短路电流上升率di/dt,这是该计算方法的不足。
① 用电路图法进行直流短路计算需要以下两个假设条件：
a. 牵引供电网络中，电源电压相同。
b. 牵引变电所为电源电压，其内阻因不同的短路点而改变，不认为是一个固定值。
② 用电路图法进行直流短路计算需要输入以下三个条件：
a. 牵引变电所直流母线电压（V）；
b. 牵引变电所内阻（）；
c. 牵引网电阻（）。
(2) 牵引变电所内阻
牵引变电所内阻包括以下四个部分设备的阻抗：交流中压电缆、牵引变压器、整流器、直流电缆。下面介绍从北京地铁现场短路试验中心总结出来的，便于工程应用的经验公，其计算结果包括了中压电缆和直流电缆。
经验计算公式如下：
（2-1）
式中 —直流侧额定电压（kV）；
—牵引变压器短路电压百分值；
—变压器容量（MV·A）；
—牵引整流机组台数；
—内阻系数，根据短路点距离牵引变电所的不同距离，可取不同值。
2.2.4 计算过程分析
各种供电方式下直流短路电流计算公式推导如下：
(1) 一座牵引变电所单边供电（不考虑相邻牵引变电所的影响）
① 等效电路图，如图2-2所示。

图2-2 一座牵引变电所单边供电直流短路等效示意图
② 短路电流：
（2-2）
式中 —牵引变电所母线电压（V）；
—牵引变电所内阻（）；
—接触网电阻（）；
—走行轨电阻（上下行并联）（）。
(2) 一座牵引变电所单边供电（考虑相邻一座牵引变电所的影响）
① 等效电路图，如图2-3所示。

图2-3 一座牵引变电所单边供电直流短路等效示意图
（考虑一座相邻牵引变电所的影响）
② 网孔电流。
根据KVL定律，对以上电路图可列方程：
网孔1：
网孔2：
对以上方程求解得：
（2-3）
（2-4）
③ 总短路电流：
（2-5）
④ 各变电所短路电流：
（2-6）
（2-7）
式中 —牵引变电所母线电压（V）；
、—牵引变电所内阻（）；
—接触网电阻（）；
、—走行轨电阻（上下行并联）（）；
—接触网电阻（上下行并联）（）；
—回路1自阻，（）；
—回路2自阻，（）。
(3) 两座牵引变电所双边供电（不考虑对侧接触网的影响，不考虑相邻牵引变电所的影响）
① 等效电路图，如图2-4所示。

图2-4 两座牵引变电所双边供电直流短路等效示意图
（不考虑对侧接触网及相邻牵引变电所影响）
② 网孔电流。
根据KVL定律，对以上电路图可列方程：
网孔1：
网孔2：
对以上方程求解得：
（2-8）
（2-9）
③ 总短路电流：
（2-10）
式中 —牵引变电所母线电压（V）；
、—牵引变电所内阻（）；
、—接触网电阻（）；
、—走行轨电阻（上下行并联）（）；
—回路1自阻，（）；
—回路2自阻，（）。
(4) 两座牵引变电所双边供电（考虑对侧接触网的影响，不考虑相邻牵引变电所的影响）
① 等效电路图，如图2-5所示。

图2-5 两座牵引变电所双边供电直流短路等效示意图
（考虑对侧接触网的影响，不考虑相邻牵引变电所的影响）
② 网孔电流。
根据KVL定律，对以上电路图可列方程：
网孔1：
网孔2：
对以上方程可求得：
（2-11）
（2-12）
③ 馈线短路电流。
星—三角变换电路图，如图2-6所示。

图2-6 星—三角变换电路图
图中：
（2-13）
（2-14）
（2-15）
馈线短路电流如下：
（2-16）
（2-17）
（2-18）
④ 总短路电流：
（2-19）
⑤ 各变电所短路电流：
（2-20）
（2-21）
式中 —牵引变电所母线电压（V）；
、—牵引变电所内阻（）；
、、—接触网电阻（）；
、—走行轨电阻（上下行并联）（）；
—回路1自阻，（）；
—回路2自阻，（）。
(5) 两座牵引变电所双边供电（考虑对侧接触网和相邻牵引变电所的影响）
① 等效电路图，如图2-7所示。
② 网孔电流。
根据KVL定律，对以上电路图可列方程：
网孔1：
网孔2：
网孔3：
网孔4：
对以上方程求解得：
（2-22）
（2-23）

(a) 短路等效示意图

(b) 星—三角变换后等效示意图
图2-7 两座牵引变电所双边供电点直流短路等效示意图
（2-24）
（2-25）
③ 根据星—三角变换，可得各馈线短路电流：
（2-26）
（2-27）
（2-28）
④ 总短路电流：
（2-29）
⑤各变电所短路电流
（2-30）
（2-31）
（2-32）
（2-33）
式中 —牵引变电所母线电压（V）；
、、、—牵引变电所内阻（）；
、、、、—接触网电阻（）；
、、、—走行轨电阻（）；
—回路1自阻，（）；
—回路2自阻，（）；
—回路3自阻，（）；
—回路4自阻，（）。

3 直流牵引供电系统保护
地铁直流牵引供电系统在运行过程中，可能发生各种故障和不正常运行状态，这都可能引起系统事故的发生，对电气设备和人身安全造成威胁。地铁直流牵引供电系统的安全可靠运行是保证机车安全运行的前提。
3.1 直流供电系统保护原理
直流牵引供电系统保护装置的主要功能是为了防止列车在接触线上的短路和过负荷现象，保护算法和整定值应躲过列车在线路上的正常运行，如列车与电杆架的正常接触、列车启动、加速等所引起的电压电流值的波动，这一点与交流保护有很大的区别。
3.1.1 直流系统保护设置的意义
城轨交通直流牵引供电系统的安全可靠运行是保证列车安全运行的前提。在保证牵引供电系统安全可靠的向列车供电方面直流牵引供电系统的保护发挥了及其重要的作用，一方面在正常运行状态下，应满足列车运行的要求，另一方面在直流牵引供电系统发生故障的情况下，应有选择的迅速切除故障，以保证列车、设备和旅客的人身安全。
3.1.2 保护原理
直流牵引系统保护因地铁牵引供电系统的不同而不同。最初的地铁供电系统一般是第三接触轨供电方式，由于供电电压为直流750V，供电距离较短但回路电阻相对较大，短路电流较小，有时会存在很难区分短路电流与列车牵引负荷电流的情况。早期直流保护系统缺少性能优越的保护装置，多采用继电式保护装里，一般仅设电流速断和过电流保护装置来切除故障。当车辆密度大时，可能出现最大负荷电流大于末端短路电流或两者相接近，故这种保护装置的效果往往不理想，为了解决上述问题，一种方法是增加双边联跳保护。另一种方法是采用双边联跳保护与低电压保护相配合，因为发生短路情况会引起直流电压下降，这样当电流较大而过电流又不能动作时，低电压保护可以做为上述保护的后备保护，我国北京、天津地铁采用上述保护配置。
由于现在多采用架空接触网牵引供电系统，其供电电压为1500V，短路情况与750V三轨供电系统不同。在牵引变电所近端发生故障时，短路电流很大，电流速断和过电流保护装置可以切断故障。但是，当故障发生在中远端时，由于线路阻抗变大，短路电流相对变小，电流速断和过电流保护可能不会动作，目前一般采用能反映故障电流上升率di/dt和电流增量△I的保护装置来使断路器跳闸。
3.2 直流牵引供电系统保护的要求
(1) 地铁直流保护应充分考虑到各种保护之间的相互配合关系，以保证在直流供电系统发生短路故障时，能快速、可靠地切除故障。地铁直流保护不同于交流电力系统保护。在交流电力系统中，保护动作定值与延时的配合，可保证故障的可靠切除。而对地铁直流保护而言，接触网一旦发生故障，就要求其快速跳闸，不同保护原理的配合就显得尤为重要。
(2) 地铁直流保护应保证在列车正常运行时，不会因车辆的起动或加速产生的大电流而误跳闸。
(3) 地铁直流保护应充分考虑某些特殊故障情况下的动作特性，如接触网末端短路或非金属性直接接地等情况。
3.3 保护的实现方式
保护功能的实现方式有两种：一种是通过继电器二次回路构成保护，另一种是采用微机综合保护装置。目前，城市轨道交通线路均采用微机综合保护装置。
微机综合保护装置与传统继电保护装置的主要区别在比较环节上。前者是对数值进行运算和比较来判定短路故障，而后者是通过某种物理量（如力、力矩等）之间的大小的比较来判定短路故障。
微机综合保护装置通过软件来实现保护功能，其软件可以考虑到供电系统中的各种复杂故障，具有很强的综合分析能力和判断能力。

4 地铁牵引供电系统保护介绍
牵引供电系统保护的最大特点就是系统的“多电源”和保护的“多死区”。所谓多电源, 既当牵引网发生短路时, 并非仅双边供电两侧的牵引变电所向短路点供电, 而是全线的牵引变电所皆通过牵引网向短路点供电。所谓多死区, 是因牵引供电系统本身构成的特点和保护对象的特殊性而形成保护上的“死区”。任何保护的最基本要求就是当发生短路故障时, 首先要迅速“切断电源”、“消除死区”, 针对这两点, 牵引供电系统除交流系统常用的保护外, 还设置了牵引变电所内部联跳、牵引网双边联跳、di/dt △I 等特殊保护措施, 这就可以完全满足牵引供电系统发生故障时切断电源、消除死区的要求。对任何供电系统的继电保护而言, 可靠性总是第一位的, 而对直流牵引供电系统, 速动性可以看成和可靠性是同等重要的, 所以直流侧保护皆采用毫秒级的电器保护设备, 如直流快速断路器、di/dt △I 保护等, 目的就是在直流短路电流上升过程中将其遮断, 不允许短路电流到达稳态值。至于选择性, 在直流牵引供电系统中则处于次要位置, 其保护的设置应是“宁可误动作, 不可不动作”。 误动作可以用自动重合闸进行矫正; 不动作则很可怕, 因为牵引供电系统短路时产生的直流电弧, 如不迅速切断电源，电弧可以长时间维持燃烧而不熄灭; 而交流电弧则不同, 其电压可以过零而自动熄灭。
4.1大电流脱扣保护
该保护属于开关自带，用于切断大的短路电流。大的短路电流对线路会造成巨大的损坏，故大的短路电流一出现应立即切断，其切断时刻应在其达到电流峰值之前。
假设被保护线路短路电流的最小值为Idmin，动作电流整定为Idz>kIdmin(其中k为可靠系数)，一旦检测到瞬时电流超过动作电流时，立即跳闸，其固有动作时间仅几毫秒，所以大电流脱扣保护非常灵敏，尤其电流上升非常快的近端短路，往往先于电流上升率及电流增量保护动作。
4.2电流上升率保护（di/dt）和电流增量保护（ΔI）
电流上升率di/dt和电流增量△I保护这两种保护的启动条件通常都是同一个预定的电流上升率。在启动后，两种保护进入各自的延时阶段，互不影响，哪个保护先达到动作条件就由它来动作。一般情况下，电流上升率di/dt保护保护主要针对中远距离的非金属性短路故障，电流增量△I保护主要针对中近距离的非金属性短路故障（金属性直接短路故障由断路器自身的电磁脱扣装置来跳闸）。
保护原理：在运行当中，保护装置不断地连续检测馈线电流及其电流变化率di/dt，并将di/dt与设定值E和F比较。当电流上升率在给定的时间T1内高于保护设定的电流上升率E时，di/dt保护启动，进入延时阶段。若在整个延时阶段电流的上升率都高于保护的整定值，则保护动作启动，若在延时的阶段电流上升率回落到保护整定值F之下，则保护返回。图3-10为di/dt保护的动作特性。曲线1在A点处di/dt>E，保护启动，经延时在B点处发跳闸命令。曲线2是列车加速时的电流曲线，由于di/dt未超过E，保护不动作。

图4-1 di/dt保护典型动作特性
在di/dt保护启动的同时ΔI保护也启动进入保护延时阶段，从ΔI保护启动的时刻开始继电器以启动时刻的电流作为基准点计算相对电流增量。若电流上升率一直维持在di/dt保护整定值之上，在达到ΔI延时值后，电流增量达到ΔI保护整定值，则保护动作。在计算电流增量的过程中允许电流上升率在相对较短的时间内回落到di/dt保护整定值之下。只要这段时间不超过di/dt返回延时整定值，则保护不返回；反之保护返回。图2是保护的动作特性，图中F为di/dt的整定值，在A点曲线电流上升率超过F，K为故障时的最小电流增量，T2为ΔI延时整定值。当检测到的电流增量小于K时，可以肯定不是故障情况；若大于K则有可能是故障情况，需检测其他参数（如t或I）来进一步判断。

图4-2 电流增量ΔI保护典型动作特性
对图中各曲线的分析如下：
（1）曲线1的电流增量小于K，肯定不是故障情况，该电流曲线实际表示机车在距离 牵引变电所很远处启动时的机车启动电流。
（2）曲线2的电流增量小于K，也肯定不是故障情况。
（3）曲线3的电流增量虽然超过ΔI整定值，但电流变化率的延时时间不足(小于T1)，在这一段时间内不作ΔI的判断，经过几毫秒的延时后电流就开始下降，故不是故障情况。该曲线实际表示列车的电杆架接触，电容器充电的线路电流曲线。
（4）曲线4的电流增量超过ΔI整定值，延时时间也满足，故可以肯定是故障情况。
（5）曲线5的电流增量超过K，有可能是故障情况。再检测电流上升持续时间，发现其值超过了di/dt延时整定值，则肯定是故障情况。如果此时没能通过检测时间t参数来激活电流变化率di/dt保护，则电流增量保护动作使直流馈线断路器跳闸清除故障。
（6）曲线6的电流增量超过K，有可能是故障情况。在电流上升的过程中，电流上升率回落到di/dt整定值以下，且超过了di/dt返回延时值，因此保护返回。在B点保护重新启动，并以B点作为新基准点。该曲线是列车驶进车站的电流变化曲线。
对于远端故障电流由于其上升的速率比近端的慢，峰值也小很多，通常与列车启动或通过接触网分段时的电流瞬时峰值相近，甚至小于该电流。所以远端故障电流与列车启动电流的区分是变电所直流保护的难点。
4.3过流保护
可作为di/dt保护和ΔI保护的后备保护。在保护控制单元预先整定电流Imax值和时间T值。当通过直流馈线短路的电流值在预先设定的时间T内超过Imax值时，过流保护装置动作使直流馈线断路器跳闸来清除故障。显然，Imax值应小于大电流脱扣保护装置动作值Idz。对于Imax值的设定，可分别设定正反方向的Imax＋值和Imax－值。当机车处于再生状态或当地牵引变电所整流机组退出运行，所内直流馈线被用于直流越区供电回路时，如果线路发生故障，会有反向电流通过直流馈线断路器，反向过流保护用于检测并清除该故障。
4.4双边联跳保护
双边联跳保护是为了更加安全的向接触网供电，在故障情况下确保相邻变电所可靠跳闸而增设的后备跳闸装置。
在无故障的情况下，两变电所同时向接触网供电，如果有短路情况发生，则距离短路点较近变电所A的馈线保护的di/dt瞬时保护或速断保护先动作，同时向本站联跳装置发一个跳闸信号，并通过站间联络向另一变电所联跳装置发送跳闸信号，较远变电所B经过一段延时，通过di/dt延时保护或过流保护也动作，但是比联跳装置的跳闸信号先动作。这种情况联跳作为后备保护。
在故障情况下，变电所B退出运行并通过隔离开关由相邻变电所C越区供电时，同样还是上述情况，变电所A的保护先动作，由于短路点距变电所C较远，该变电所相应保护可能不动作（视短路情况），而联跳装置则比较可靠，只要变电所A保护跳闸，变电所C经变电所B接收跳闸信号，使开关跳闸，此时双边联跳保护就比较重要。
4.5直流设备检测与自动重合闸功能
自动重合闸功能用来校正馈线开关的误动作或消除线路的瞬间短路，保证可靠的供电。
自动重合闸（ZCH）装置广泛用于电力系统保护中，它是将因故障跳开后的断路器按需要自动投入的一种自动装置。使用自动重合闸的目的是为了在瞬时性故障消除后使线路重新投入运行，从而在最短的时间内恢复整个系统的正常运行状态，保证可靠的供电。
当发生故障断路器保护跳闸后，断路器每隔一段时间（时间长短可调节，一般设定为10s）重合闸一次。如果重合闸的次数超过预定（1—3）次数，合闸仍不成功，则认为是永久性故障，闭锁重合闸回路。
对于直流牵引供电系统，经常会发生短路而使过流脱扣器动作，但大部分短路故障是瞬时性的，所以使用自动重合闸功能，可以提高系统的可靠性。但直流断路器的重合不允许带故障试合后加速跳闸，那样对断路器的寿命有较大的影响。因此必须在确认线路发生的是非永久性短路故障时才允许合闸。
要保证不带故障合闸必须进行线路测试，测试方法是：开关跳开后a秒开始，每隔n秒，将电压通过限流电阻加至接触网，检测是否仍然存在短路，连续检测m次。若每次都能检测到短路，则认为是永久性故障，重合闸装置返回。判断非永久性故障的条件则是连续检测到k次无短路，，a,n,m,k的大小可由用户修改。同交流开关一样，手动或遥控分闸后，重合闸不能动作。
线路线路测试系统（EDL）也用于线路馈电断路器。每个馈线柜中都有线路检测装置，在合闸前，对线路段进行测试，以防止断路器与其近端短路故障点连通，在开关柜主母线和接触线之间加电阻和接触器，通过测量馈电与回流网之间的电压以及回路电阻，确定是否可以合闸。如果测得的电压值低于预定值，则表明线路过载，不能合。
下图4-3为线路测试典型线路图。

图4-3 线路测试的典型线路

5 地铁牵引供电系统保护整定配合
5.1直流馈线保护的死区
直流馈线保护是在直流牵引供电系统中最重要的保护，它以保障列车的正常运行、保护旅客的人身安全为第一要务。
直流馈线会因供电方式的不同而形成不同的保护死区，单边供电死区发生在供电区段的末端附近；大双边供电死区发生在供电区段的中点附近；运行列车主保护不能断弧时死区发生在电动车辆上，这可以发生在列车运行区间的任何位置。
保护死区的范围大小与供电方式、供电距离、保护措施有着密切的关系，采取适当的供电方式和保护装置，保护死区是完全可以消除的。
5.2单边供电时保护死区分析
保护死区的大小与开关整定值的大小和供电距离有关，当只靠开关本身整定值保护时，单边供电时形成死区的范围如图5-1所示。
由图5-1可见，单边供电时，开关整定值越大，保护死区越大；供电距离越长，保护死区越大，图中为馈线开关整定值。是考虑开关整定值有误差时确定保护死区的范围。

图5-1 单边供电保护死区示意图
5.3大双边供电时保护死区分析
正常双边供电是不会形成保护死区的，因为区间任何一点发生短路，都可以使一端牵引变电所直流馈线开关跳闸，并使另一端牵引变电所馈线开关联跳。而采用大双边供电时，则在供电区段的中点附近可能出现死区，如图5-2所示。这里所说的大双边供电死区发生在中点是指馈线保护设置了双边联跳装置以后形成的死区。

图5-2 大双边供电保护死区示意图
5.4运行列车主保护不能断弧形成的死区分析
这一死区发生在车上, 范围在整个供电区间都可能发生, 直接威胁旅客的生命安全, 非常可怕。要求变电所的馈线保护和车辆的主保护要相互配合和协调。
5.5地铁牵引供电系统主保护相互配合的基本原则
（1）地铁车辆主保护应当“自己保护自己”, 即地铁车辆在运行中无论在任何地点, 当车辆发生短路故障时, 其主保护应动作可靠, 不允许有拉弧现象, “要动作就可靠动作并断弧, 不动作就拒动”。绝不允许开关动作而出现燃弧现象。
（2）牵引变电所馈线保护应当延伸至车上, 作为车辆主保护的后备, 以防万一。
消除以上三种保护上的“死区”，可靠的办法就是馈线开关设置双边联跳、di/dt、△I 保护装置及开关失灵拒动保护装置，以使地铁列车运行更加安全。

6 框架故障保护与轨电位限制装置
6.1框架泄漏保护装置介绍及整定
每座牵引变电所在负极柜内设一套低阻抗框架泄漏保护装置，用于防止直流设备内部绝缘损坏闪络时造成人身危险。其原理示意图见图6-1。由图可知，框架故障保护主要由一个测量泄露电流的元件和一个电压监视元件组成。

图6-1 框架泄漏保护原理示意图
用于漏电流监测的分流器—端接地，通过隔离放大器测量漏电流在其两端产生的电压；电压监视通过隔离放大器测量回流钢轨与保护地之间的电位差，可设定报警和触发跳闸参数
在漏电流监测中，采用绝缘方式安装的直流开关设备通过一分流器后接保护地，分流器允许通过的短路电流值按可达100kA考虑。触发跳闸保护的门限值应可调。
在电位差监视中，触发断路器跳闸所遵循的允许接触电压特性曲线符合相关规定；框架故障保护系统的响应比电压继电器陕得多，响应时间与被监视电压的幅度大小无关。
如果另外还有一单独的钢轨电位限制装置将运行轨与保护地短接，则电位差监视选件跳闸信号将延时产生，以使能在二者之间进行选择。
一般要求所有的直流设备(包括整流器和迷流收集装置)机柜安装与地绝缘，通过一个分流器接地，通过采集该分流器的电流值作为框架故障保护的启动条件。
6.2钢轨电位限制装置介绍及整定
钢轨电位限制装置主要用于保护乘客和运营管理人员的安全，使他们免受存在于车体(运行轨道)和建筑物(车站、车场和梁体)之间的高接触电压的伤害。当发生超出安全许可的接触电压时，钢轨电位限制装置就将钢轨与大地短接，从而保证人员和设施的安全。
  钢轨电位限制装置主要由多级电压测量元件和短路复合开关组成，其保护原理示意图见图6-2。短路复合开关电路由直流接触器和晶闸管并联组成。

图6-2 钢轨电位限制保护原理示意图
正常情况下，直流接触的触头是开断的，晶闸管元件也处于不导通状态。钢轨与大地之间的电压宜由三级独立的电压测量元件(分别用u>、u>>，和u>>>，符号代表)来检测、显示和判断。
在装置检测到的电压小于电压测量元件的整定跳闸值，钢轨电位限制装置的短路复合开关将保持开断状态。当检测到的接触电压大于或等于电压测量元件u>的阀值，则经过一段可调整的延时后，该装置短路复合开关的闭合即将钢轨与大地进行有效短接。如果检测到的接触电压大于或等于电压测量元件u>>的阀值，则该装置短路复合开关将无延时合闸。一旦检测到的接触电压大于或等于电压测量元件u>>的阀值，则复合开关将通过晶闸管元件加速合闸，直流接触器也将无延时合闸。
当钢轨电位限制装置达到预先设定的连续短路次数后，该装置进入闭锁状态(恒定合闸状态)。
6.3框架故障保护的整定值及其与钢轨电位限制装置的配合
框架故障保护的整定值及其与钢轨电位限制装置的配合关系如下：
如果车站已安装了钢轨电位限制装置，则建议框架故障保护不再采用电压监视元件，因为设电压监视元件目的是用于保护人身并非考虑设备安全，而钢轨电位限制装置已经满足了保护人身安全的要求。如果在直流开关柜框架故障保护中再安装电压监视元件，只会增加中压断路器直流开关设备的跳闸次数，进而影响直流牵引网的正常运行。一般情况下，只有当全线没有安装钢轨电位装置时，才在开关柜的框架保护中增加电压监视元件。
如果在框架故障保护中加电压监视元件，并且作为跳闸，则与钢轨电位限制装置之间有一个参数的配合问题。通过对二者用的电压监测元件的设定值不同(如框架故障保护：DC 110v左占；轨道电位限制装置：DC 90v左占)，当轨电位达到各自设定值后的动作延时后(框架故障保护动作延时整定约为“；轨道电位限制装置延时整定约为0．15s)，由于上述二者整定值的差异，从而保证了轨道电位限制装置优先动作，只有在大的故障情况下，电位差不能消除时才延时启动框架泄露保护单元，从而使本站的所有直流开关和对整流器供电的中压断路器跳闸闭锁，并联跳两边相邻变电站双边供电的相关馈线快速开关。
考虑到框架保护元件的安装地点和测量点不同于钢轨电位装置，建议将框架保护的电压元件的动作时间比钢轨电位装置的动作时间至少延时500ms，保证有选择性操作，尽量减少对直流开关设备的不必要跳闸。

结 论

本论文是围绕设计直流系统保护这一中心而展开的。本文的主要内容首先根据直流系统主接线及整流机组的接入与输出方式，推导出了直流系统短路电流的计算方法；其次介绍了直流系统的主要保护形式，对直流系统主保护—电流上升率di/dt保护和电流增量△I保护原理做了详细分析，给出了相应的整定方法。最终并结合现场资料数据来对牵引整流机组保护和直流馈线保护的整定配合做进一步的讨论与研究，但由于本人水平有限，论文预期达到以下目标：
1、详细的讲解直流牵引供电系统保护的原理和保护实现方式。
2、从介绍地铁整流技术的特点着手，详细论述整流电路的构成、六脉波、十二脉波及二十四脉波整流电路的特点和整流机组的运行方式。
3、地铁直流牵引网短路电流的计算是选择变电所设备、继电保护设计、分析变电所运行的安全可靠性及确定运行方式等的重要依据。在所查资料的基础上，从基本的参数计算开始，最后给出地铁直流牵引网短路电流的计算方法。
4、对地铁直流牵引供电系统进、馈线保护进行配置，并给出相应的整定原则或保护特性、原理。
5、分析地铁直流牵引供电系统设置框架保护的原因及动作原理，阐述直流框架保护电流保护、电压保护及钢轨电位限制装置动作配合关系，并简单说明直流系统框架保护应急处理程序。
6、介绍地铁直流牵引供电系统线路检测与自动重合闸的配合原理，根据现场实例，说明了线路检测在馈线保护中的作用。
致 谢

本论文从选题至完成，整个过程都是在我的导师的悉心指导下完成的，导师严谨治学的态度和一丝不苟的工作作风将永远指导着我的学习和工作；导师宽厚待人的风格使我受益匪浅；他的勤于积累和勇于创新的精神启迪我不断的完善自我，铸造自信的人生。在此，我谨向我的指导老师表示衷心感谢。
感谢父母一直全力支持我完成学业，能够让我的人生有了高的起点。
感谢这短时间里教导过我、帮助过我的老师和朋友们，他们所授予我的知识和教诲是我一生宝贵的财富。

参考文献

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[3] 王景涛，谢伟梁，