自动重合闸与线路测试.doc

直流牵引供电系统线路检测与自动重合闸的配合
姚楠
北京交通大学 地址：北京市海淀区上园村3号 邮政编码：100044
Coordination of line detection with automatic re-closing in DC traction power supply systems

摘要：在直流牵引供电系统中，馈线断路器在合闸前及故障跳闸后重合闸前，需经过线路检测回路对线路进行非短路确认后才能合闸。本文阐述了线路检测及其与自动重合闸配合的原理，并介绍了直流牵引馈线的保护配置。根据运营实例，说明了线路检测在馈线保护中的作用，对其在运行中暴露出的整定及与自动重合闸配合问题进行了分析，并提出了解决方案。
关键词：直流牵引供电系统、线路检测、自动重合闸、继电保护
Abstract: In DC traction power supply system, after line detection can not found short circuit, feeder circuit breaker can be closed. The principle of line detection with automatic re-closing was discussed and DC traction feeder relay protection is introduced. According to representative example, the application of line detection with automatic re-closing and problems, which was found in work, was analyzed, and a solutions was put forward.
Key words：DC traction power supply system; line detection; automatic re-closing; relay protection

0 引言
城市轨道交通牵引变电所供电半径较小、输出功率不大，从安全角度不宜采用干线电气化铁道的工频单相交流高压供电制式。国际电工委员会 (IEC)推荐的直流牵引电压为：750V、l500V和3000V。目前国内已建和正在建设的城市轨道交通线路普遍采用DC 750V或DC l500 V。
直流牵引供电系统的短路保护不同于交流系统，交流电流存在过零点，电弧容易被熄灭，但直流牵引供电系统短路时产生的直流电弧，如不迅速切断电源，就会长时间维持燃烧而不熄灭，其在轨道交通中的危害性十分严重。故对牵引变电所直流侧的继电保护而言，速动性为第一优先考虑要素，目的就是在直流短路电流上升过程中就将其遮断，而不允许短路电流到达很大的一个稳态值。针对直流电弧的物理特性，城市轨道交通直流牵引供电系统一般设有专门的△I、di/dt保护，电气检测与保护动作时间都是毫秒极。由于直流牵引供电系统短路故障中，瞬时性故障占较大比例，变电所直流馈线通常配置有自动重合闸以保障供电可靠性。

1 直流保护的重合闸
对于非永久性短路故障，自动重合闸无疑是提高供电质量的重要手段，但不同于交流系统保护，直流断路器的重合不允许带故障试合后加速跳闸，那样会造成断路器寿命的较大损失，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，为此加装线路检测保护。直流馈线主保护、线路检测和自动重合闸保证了直流牵引馈线保护的快速性、选择性与可靠性的要求。
以往的电磁式保护，不设线路检测，直流断路器跳闸后立即重合闸一次，若重合闸不成功，则闭锁重合闸。现在的微机式保护，直流断路器合闸前先进行线路检测，线路检测成功后，断路器再合闸。如果运行中断路器跳闸，在断路器重合闸前也先进行线路检测，若线路检测通过，则认为不存在永久性短路点，进行断路器重合闸；反之，若线路检测不通过，则认为运行线路上短路点仍存在，为避免断路器再次受到短路电流的冲击，断路器不再重合。需要指出的是，目前实际运行中，重合闸动作的条件一般设定为线路检测通过且重合闸不成功次数小于设定次数，而不同于以往的重合闸动作只一次不成功就被闭锁，这有利于提高供电的可靠性，但对保护定值的设置提出了较高要求。
2 线路检测原理
要保证不带故障合闸必须进行线路检测。线路检测的原理是：馈线开关接收到合闸命令后，立刻将电压通过限流电阻加至接触网，检测是否存在短路 ，连续检测 m 次，每次间隔n秒。若每次都能检测到短路，则认为是永久性短路故障，重合闸装置返回；判断非永久性短路故障的条件则是连续检测到 k次无短路，1≤k≤m。参数n，m，k的大小取决于装置本身的采样频率，并可由用户修改。各地虽采用不同的馈线保护装置，但线路检测原理大体相同，都是以测得的线路电阻是否在正常范围内作为判定线路是否存在短路故障的主要依据。

图1 线路检测回路原理
以采用西门子DPU96保护装置的北京城铁13#线为例，图1为直流馈线断路器线路检测回路的原理示意图，R0为50Ω的限流电阻。停在线路上的列车实际上提供了从接触网到走行钢轨的一个并联支路，实测的列车电阻不小于1Ω。正极母线上提供750V的直流电压。变送器分别将电压量UEU（馈线开关下口与负母线间的电位差）和分流器上取下的电流量UEI转换为标准信号传给微机保护装置。当断路器接收到合闸信号时，线路检测的接触器两接点K0经过接点闭合的固有时间首先接通，限流电阻R0先接入电路中，此时若测得
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（2）

图2 线路检测通过区
共持续3s（具体的n,m,k值由厂家设定），在测试时间内，每次采样值均满足I≦14.7A,U≧14.7V的条件，即测得的线路电阻R>Rmin,则线路检测通过，断路器QF合闸。如果每次采样值不满足线路检测通过的条件，断路器不动作。
3 直流馈线电流保护
3.1 保护配置
直流保护装置采集的接触网与负馈线间的电压UEU和馈线电流UEI是馈线开关保护动作的重要依据，其电流保护（Imax、DDL、△I、di/dt、-Imax、定时限过流DMT）与电压保护（低电压保护、过电压保护、△U）都是依据实时的UEU、UEI而动作，另有馈线开关本体自带的大电流脱扣保护、检测接触网温度的超温跳闸保护、双边供电时受邻站对应馈线开关影响而动作的联跳保护与负极柜内的框架保护构成了现在馈线开关的所有保护，根据具体情况上述保护会有所取舍。各种电压保护都是作为后备保护，现简述各电流保护：
3.2 Imax、定时限过流DMT、大电流脱扣保护
Imax保护同电力系统中的速断保护原理一样，不设动作延时值，当检测到的电流量到达定值时，馈线开关立刻动作。
定时限过流保护同电力系统中的定时限过电流保护原理一样，定值应低于Imax保护定值，延时时间也是馈线保护中最长的，保护范围为线路全长，且当越区供电时应能检测出线路中段发生的直接金属性短接故障。
大电流脱扣保护原理同Imax保护原理一样，不同的是Imax保护从变送器中获得电流量UEI来同定值比较，之后微机保护装置发出跳闸信号。大电流脱扣保护则是断路器本体保护，由断路器制造商提供，当馈线电流过大，其产生的磁场强度变大，使得机构自行动作，它的定值高于Imax保护定值，正常情况下，应由Imax保护先行动作。

图 图3 Imax、定时限过流DMT、大电流脱扣保护动作原理
-Imax保护是当本站或邻站（双边供电时）的馈线开关拒动而启动的保护，其保护范围超出了本段供电臂，详情请参考文献[1]。
3.3 △I、di/dt
△I保护原理为当故障发生在中近端时馈线电流增量很大，经过△I的延时时间，△I保护动作切除故障电流。
当故障发生在中远端△I保护无法准确判断是否为故障电流。故设置di/dt保护，其原理是当测得电流上升率高于di/dt定值保护启动，在延时阶段检测电流上升率均是否都高于保护定值，即持续检测在单位时间内的电流增量(△I/ms)是否均超过设定值，若整个时段电流上升率均高于保护定值则保护动作；否则保护返回。

图4 △I、di/dt保护动作原理
讨论较多的DDL保护综合了△I、di/dt两种保护特性，DDL保护动作详情可参考文献[2]。
4 运行实例
4.1运行中的成功事例
在北京城铁13#线运行过程中，曾发生在一次早晨送电时，变电值班员发出合闸命令后，相应的馈线断路器不动作，之后发现线路检修人员完成工作后，遗漏一组地线未拆除，地线拆除后，断路器合闸成功。此事例，属于典型的接触网－钢轨回路电阻小于1Ω，不满足线路检测条件，闭锁合闸。此实例证明，线路检测装置很大范围内能检测出短路点，避免馈线开光带故障试合后加速跳闸，确实能起到其应有的作用，
4.2运行中发现的问题及治理措施
同样，在城铁13#线运行过程中，全线处在单边供电的实验期，曾发生一列机车驶入某供电臂后，该供电臂对应的馈线开关Imax动作跳开，当微机保护装置发出重合闸命令后，再次跳开，断路器反复动作。现场状况是：一方面，发现跳闸后，微机保护装置发出重合闸命令，开始线路检测，并且线路检测条件满足，断路器立刻重合闸；另一方面，一旦馈线开关合闸后，Imax立刻动作，断路器跳开，如此反复。事后检查发现，列车母排上存在短路点，这是断路器跳闸的原因；而线路检测之所以通过，是由于长时间工作使得列车受电刷上附着较多油污，并且接触轨与走行轨存在生锈腐蚀，使得列车回路呈现的电阻值增大，超过了1Ω。机构上的油污与轨道生锈腐蚀造成的线路电阻增大和车辆上的绝缘特性破坏造成的机车主回路电阻减小相互抵消，恰好躲过了线路检测回路，使得重合闸动作。
为避免线路检测误通过后馈线开关反复动作的情况再次发生，将微机保护装置修改为断路器如果故障跳闸后，重合闸连续两次不成功，闭锁重合闸（最初设定重合闸不成功竟有7次之多，方才闭锁重合闸）。
4.3 修改整定值的解决方案
机车机构上的油污、接触轨腐蚀生锈或由于机车位置不同造成了线路电阻变化，可能使线路检测出现死区，但上述原因造成的线路电阻变化范围不大。机车回路正常时的电阻值一般远大于1Ω，若将检测回路中的机车电阻适当增大，比如取2Ω来整定，以
（3）
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为线路良好判定条件。这样加大了故障电阻的变化范围，即使工况变化及设备老化造成线路故障电阻超过1Ω，仍能同正常机车电阻区别，避免线路检测判定误通过。
修改定值法在理论上能有效避免由于线路电阻变化造成的线路检测误通过而引起重合闸的反复动作。
5结束语
本文对直流保护中的线路检测及自动重合闸动作原理进行了分析，并介绍了几种电流保护。通过两个实例说明其在实际中的应用与发现的问题，并针对问题提出了实际的治理措施及修改定值方法的设想。
在城市轨道交通中，馈线开关跳开后再重合闸是最常见的保护动作，如果线路检测与重合闸的整定配合出现问题往往会直接影响机车运行，给国家带来不好的政治经济影响。希望本文能对城市轨道交通运营管理人员及直流牵引保护的设计人员有一定指导意义。

参 考 文 献
[1] 黄德胜，地铁牵引供电系统保护[J].都市快轨交通，2005，12
[2] 王广峰 ，孙玉坤 ，陈坤华，地铁直流牵引供电系统中的DDL保护[J]，电力系统及其自动化学报，2007，2
[3] 周捷，宋云翔，徐劲松，张长银，直流牵引供电系统的微机保护测控探讨[J]，电网技术，2002，12
[4] 徐劲松，高劲，江平，周捷，浅析地铁直流牵引变电所的保护原理[J]，电气化铁道,2003,6

作者简介
姚楠（1981-01-06） 男 汉 北京
北京交通大学电气工程学院 硕士生
Beijing Jiaotong University
联系方式：06121826@
13810250411
北京交通大学9#宿舍楼919
邮编：100044
研究方向：电气化铁道牵引供电