地铁牵引供电直流设备框架保护系统改进

地铁牵引供电直流设备框架保护系统改
进
摘要：城市轨道交通供电系统是城市轨道交通系统的重要组成部分,为电力
机车提供主要动力源,是电力机车稳定运行的重要保障。

根据供电系统,主要可分为交流电和直流电。

高速铁路一般采用交流牵引供电系统,地铁作为城市轨道交
通的主要形式,采用直流供电系统。

以地铁为代表的城市轨道交通采用直流电的
原因是,地铁列车一般受列车群体、载客量、车型等因素的限制,其功率不是很大;地铁线路一般是几十公里,所以沿变电站供电的半径不是很大,不需要太大的电压来满足供电要求;此外,与交流电源相比,使用直流电,电压损耗较小;此外,地铁线路主要位于人口稠密的居民区和城市地区,其供电电压不宜过高。

本文对地铁牵
引供电直流设备框架保护系统改进进行分析，以供参考。

关键词：地铁牵引供电；直流设备；框架保护；改进
引言
在地铁牵引供电系统中，整流柜、进线柜、馈线柜、负极柜和排流柜等直流设备都采用绝缘方式安装，配置框架保护系统。

在牵引供电系统运行过程中，当发生框架电流泄漏时，需通过直流设备框架保护系统跳闸，定位隔离故障范围，以切除故障范围内的供电，保证牵引供电系统可靠运行。

直流设备框架保护系统跳闸导致牵引网供电中断，影响列车运营。

但实际运行过程中，因直流设备正极与框架之间出现绝缘故障引起框架保护系统动作的故障很少，大多是由于其他原因引发直流设备框架保护系统错误动作。

因此，对直流设备框架保护系统进行技术改造，以减少直流设备框架保护的错误动作，提高地铁牵引供电的可靠性。

1概述
传统地铁牵引供电技术方案是在牵引变电所设置二极管整流机组和再生电能利用装置：二极管整流机组负责牵引供电，其输出的电压波形为固定的下垂特性
曲线，各牵引所的输出功率由机车位置、取流状态、线路阻抗自然分配，不受控制；列车制动时，牵引网电压升高，再生电能利用装置吸收列车的再生制动电能。

柔性直流牵引供电技术（简称柔直供电）是采用双向变流器装置替代二极管整流
机组和再生电能利用装置，通过一定的控制策略协同各牵引所的双向变流器装置，调节牵引所输出电压及特性，对牵引用电潮流进行实时、动态管控；提高牵引供
电电压及供电能力，调节各牵引所功率分布，提高中压交流网络供电质量。

2柔直供电系统方案
直流供电系统方案，由于双向变流器输出可控，为使开闭所在正常运行及向
相邻开闭所实行支援供电时负荷分配均匀，各牵引变电所的2套双向变流器分别
挂接在2段10kV母线上。

正常运行时，相邻牵引所对正线牵引网实行双边供电，停车场内牵引网由停车场牵引所供电；正线中间任一座牵引所解列时，由相邻2
座牵引所进行大双边供电；正线首末端牵引所解列时，由相邻牵引所进行单边供电；停车场牵引变电所解列时，由商务园牵引所支援供电。

在各种运行方式下，
直流供电系统牵引网电压均不低于1000V，钢轨电位均小于120V，满足标准要求。

3直流设备框架保护改进措施
3.1更换电流型框架保护元件
目前，直流开关柜采用电流型框架保护系统，保护元件为电流继电器。

当流
过电流继电器的电流值达到整定值时，继电器吸合，辅助接点变位，电流型框架
保护启动。

因电流继电器无判断流过继电器电流方向的功能，需要对泄漏电流监
测回路改造。

拆除MAS-2型电流继电器，安装CL型分流器。

采集的泄漏电流信号，经测量放大器放大后，输出至PLC。

PLC采集、处理泄漏电流，并判断电流
方向。

同时，增加对整流柜、上网配电柜正极泄漏电流的监测，将整流柜、上网
配电柜设备框架接至负极柜保护地母排，增加2个CL型分流器。

每个分流器一
端接保护地，另一端接系统地。

3.2联跳回路优化
首先，联跳回路优化后，设置3套电流型框架保护装置，需增加3套分流器。

3套分流器分别监测整流柜、直流开关柜和上网配电柜框架泄漏电流。

框架泄漏
电流信号上传至PLC，经PLC分析判断泄漏电流方向和大小，满足条件后发出跳
闸信号。

因此，需在PLC输出端增加3只输出继电器。

分别增加PLC本体输出
Q0.6，Q0.7，Q1.0至新增继电器K17G1，K17H1，K17J1间接线。

当满足整流柜框
架保护启动条件时，PLC发出跳闸信号，通过K17G1将信号接入原来的联跳回路，使开关跳闸，切除故障点。

当满足直流开关柜框架保护启动条件时，PLC发出跳
闸信号，通过K17H1将信号接入原来的联跳回路，使开关跳闸，切除故障点。

3.3 限时过流保护技术
在地铁供电系统运行时,还可采用瞬时限流保护,实现远程故障排除,避免因
长周期馈线保护而出现不必要的问题。

包括具有时间限制的过流保护 - 是电流
设置的值与最大馈线负载相结合。

由于延时持续,地铁在起动或制动时不能触发
定子保护动作,以相应减少误操作现象。

例如,特定区域的电流调节为3 kA,延迟
高达30秒。

在供电系统工作时,如果电流超过设定值的时间达到30s,则启动馈线
保护动作。

如果不遵守30s延迟标准,则短路故障被认为是缺失的,并且不会导致
断路器断开。

因此,地铁直流牵引电源系统的瞬态过流保护具有广泛的应用,利用
时延达到精确保护电源的目的,防止频繁的故障和破坏系统的稳定性。

4.4 泄漏防护技术
地铁供电系统中出现的框架故障主要体现在开关设备的机柜中,当出现溢流
现象时,会随电流急剧增加,从而导致开关设备规则受损的风险。

因此,在保护发
射器免受框架泄漏的同时,专门设计用于防止短路故障,为发射器提供必要的保护,以确保开关装置机柜的良好状态。

首先,要加强对电气设备状态的监测,一旦超出
预设的标准电流范围,确定是否有电流变化,启动保护措施,确保电气设备连接线
的可靠保护。

如果供电系统在运行过程中没有检测到控制通讯的过流,而设备开
关柜出现异常,则应将产生的电流引入地下,即连接到接地网,产生辅助效应,在开
关断开时加快电源保护的启动速度,从而真正达到保护电源的目的,并防止损坏进
一步恶化。

4地铁直流牵引变电所
变电站将可变中压电流传输到接触网或接触轨,供列车使用,以从接触网或接
触轨中提取电流。

为了提高牵引系统的电能质量,不受控制的整流器通常使用多
脉冲整流器。

目前南京地铁主要采用24脉冲整流器,由四个三相全桥整流器并联
组成。

35千伏交流中压环网通过两个相位移变压器分别移动7.5。

高压侧为延边
三角接头,阀门侧绕组分别采用D、Y接头方式,输出相电压差为30,电源的平均电
压通过瞬变相变压器降压为1180V,四组电压供给三相桥输出整流器,输出直流电
流为1500V。

直流牵引电源系统中使用的整流器在一个整流周期内具有输出形状
的24个脉冲波头,因此被称为24脉冲波。

采用由相移变压器组成的24个脉冲整
流器,拓扑简单,性能优良,可抑制少于23个谐波输入电流,从而降低输入系统中
交流谐波点的含量,提高直流输出电能质量。

理论上,整流器脉冲数越多,直流电
压脉冲越小,电能质量越高,但脉冲过多,会增加整流器的体积和成本,地铁公司根
据综合考虑,目前使用最多的整流器脉冲是24。

结束语
一般来说,在地铁直流牵引供电系统中,如果采用继电器保护技术,可以有助
于提高地铁的工作效率,保持系统的稳定性。

因此,应采用大断电保护、过流保护、增流保护、限时过流保护、框架泄漏保护、低压保护等技术手段,使供电系统借
助固定器保护技术保持良好的工作状态,进而保证地铁的平稳运行。

参考文献
[1]李宸兆.地铁直流牵引供电系统杂散电流的危害机理与抑制策略[D].大连
交通大学,2019.
[2]李帅.地铁供电系统轨压危害机理与抑制策略研究[D].大连交通大
学,2019.
[3]孙磊.地铁直流牵引供电系统车网保护配合研究[D].北京交通大学,2019.
[4]肖涛古.地铁直流供电系统模型及直流短路分析[D].华南理工大学,2017.
[5]邱小梅.地铁直流牵引供电的谐波及对策[C]//全国电压电流等级和频率标准化技术委员会.2026:99-102.。