地铁直流牵引供电系统过电压保护与绝缘配合

第5卷　第20期

2015年7月

地铁直流牵引供电系统过电压保护与绝缘配合

张彤彤

天津保富电气有限公司　天津市　300384

摘　要：在我国城市发展之中，地铁有着重要的作用，如果出现大面积停电的话，就会产生十分严重的影响，本文笔者从实际出发，分析了地铁直流牵引供电系统过电压保护以及如何做好绝缘配合工作。

关键词：地铁；直流牵引；供电；过电压保护；绝缘

中图分类号：U231 文献标识码：A

引言：

地铁直流牵引供电系统设备采用绝缘安装,钢轨通过绝缘垫与大地绝缘,以减少杂散电流。每个车站上下行分别设置一台刚轨电位限制装置,每个牵引所设置有框架保护系统。地铁直流牵引系统框架保护是供电系统的重要保护,框架保护动作后将导致总共12个断路器的跳闸:本所所有的直流开关6个,本所33kV整流机组高压开关2个,连跳相邻所对故障所方向的直流开关4个。框架保护动作后断路器不会自动重合闸,会造成接触网大面积停电,影响客运。因此框架保护的正确动作对整个牵引供电系统来说尤为重要。钢轨点位限制装置用来监视钢轨电压并限制钢轨电压,保护人身安全。

1、直流牵引系统保护配置原则

对于不同的地铁牵引供电系统,直流牵引系统的保护配置可能不相同,但是保护的作用是相同的。只要能够满足保护要求,保证系统安全可靠地供电,系统应尽量少配置一些保护,因为保护装置配置得太多,一方面增大了系统投资,另一方面会增加保护配合的难度。对于以第三接触轨供电方式的地铁供电系统,由于供电电压为直流750V,因供电距离短但回路电阻相对较大,短路电流相对较小,有时会存在短路电流很难与列车牵引负荷电流区分开的情况。由于早期直流保护系统缺少性能优越的保护装置,一般仅设电流速断和过电流保护装置来切断故障,保护的效果往往不太理想。为了解决上述问题,一种方法是增加直流双边联跳保护。因为直流牵引系统正常情况下采用双边供电,当双边供电线路上出现短路故障时,往往相对于某一侧的牵引变电所为近端故障,短路电流较大,很容易使电流保护动作,而对于另一侧为远端故障,其短路电流往往不能引起直流断路器跳闸。若采用了直流双边联跳保护,则另一侧的直流断路器也会立即跳闸。另一种方法是采用直流双边联跳保护与低电压保护相配合,因为发生短路情况,总会引起直流电压下降。这样当电流大而过电流保护不能动作时,低电压保护可以做为上述保护的后备保护。对于采用架空接触网的牵引供电系统,供电电压为直流1500V。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,目前一般采用能反应故障电流上升率di/dt和电流增量I的保护装置来使断路器跳闸。所以,如果在直流牵引供电系统中,配备大电流脱扣保护、电流上升率di/dt和电流增量I保护、直流双边联跳保护和低电压保护,无论怎样的牵引供电方式,直流系统保护均能保证安全、可靠供电的要求。

2、直流牵引系统框架保护原理

地铁直流牵引系统框架保护分为电流型保护和电压型保护,为了防止直流牵引供电设备内部绝缘降低时造成人身危险及设备损坏,每个牵引降压变电所内设置了一套直流系统框架泄漏保护装置,该保护包含反映直流泄漏电流的过电流保护还有反映接触电压的过电压保护。变电所内直流牵引系统设备(包括直流开关柜、负极回流柜、整流器柜)的外壳不直接接地,对地有一定的电阻;所有设备的外壳通过电缆接在一起(简称为框架)经过一个分流器再接到大地。当框架对地有泄漏时,电流经过分流器流向大地,这个电流产生一个电压,通过电流变换器转换成电压信号输入到保护装置内进行判断,如达到保护装置的整定值则保护输出动作使断路器跳闸,从而保证人身与设备的安全。同样,框架与负极(钢轨)间的电压信号,经过电压变换器转换成一个低电压信号输入保护装置,输入的电压信号经过保护装置内的程序判断,并与事先贮存的反时限延时曲线比较;当保护单元检测到输入的电压比较高,对应的框架与负极(钢轨)之间电压的已经达到或超过整定值时,输出信号使断路器跳闸。

3、过电压的概念、分类及其特点

3.1、概念

过电压是超过正常工作电压一定幅度的电压，这个幅度有大有小，小幅度的过电压仅会对设备保护部分造成一定的损害，只有长期积累才会造成明显伤害。但因为电气设备的管理人员会对设备进行日常维护，因此可以忽略不计。然而，对于那些超过幅度较大的过电压，将会对设备的绝缘部分造成毁灭性的伤害，失去了绝缘部分的保护，设备电路直接暴露在过电压的攻击下，直接造成设备损坏。

3.2、分类及其特点

过电压可以分为内部和外部两类过电压，其下还可以细分。1.外部过电压外部过电压多源于自然因素，如雷云放电。按照雷电的发展阶段可以分为雷击过电压、感应雷击过电压以及流动波过电压。外部过电压大小与雷击程度成正比，雷击越强，过电压也就越高。而电气设备的等级则与过电压大小没有关系。2.内部过电压内部过电压的产生原因源自电气系统的内部能量传递与转化，可以进一步细化为谐振过电压、工频过电压与操作过电压。谐振过电压是危害性较大的过电压状态，这种过电压会对电气设备造成极大的损坏。谐振过电压能够直接伤害中低压电网，使其运行异常。由于谐振过电压持续时间长，导致维护措施很难进行。目前针对谐振过电压的处理，一般都是在设计电路时对可能出现其中的问题级伤害程度进行预估，将谐振过电压造成的危害尽可能的削弱。操作过电压具有偶然性与短暂性，顾名思义，是因为操作原因形成的过电压。造成操作过电压的操作，一般是开关操作。操作过电压没有确切的规律，因此很难进行预防和控制。在某些特殊条件下，操作过电压的电压数值会成倍增长。工频过电压通常存在于有一定长度的电气电路中，多是由于电容效应或电网运行变化引起的。工频过电压对于电气设备的伤害，综合来讲弱于谐振过电压与操作过电压。尽管工频过电压的持续时间较长，但其过电压的倍数却不与持续时间成正比，一般处于设备绝缘部分的承受限度内，因此对于电气设备造成的伤害比较弱，是危险性较小的过电压状态。工频过电压只有处于超高压状态时，还有在远距离输电时，才会对电气设备造成比较直接的影响。

4、绝缘配置

在进行接地极线路绝缘配置时，接地极线路操作过电压和直流续流均是按最大值进行考虑的。出，接地极操作过电压和间隙电流均与计算点距接地极的距离成正比，两者的变化趋势一致。即操作过电压值较高的位置其击穿时流过间隙的电流也较大，从而两者对招弧角间隙的要求也是一致的。因此，从经济角度考虑，可对接地极线路进行差异化绝缘配置。即靠近换流站的位置，招弧角距离可取得较大，绝缘水平较高，同时间隙的熄弧能力也较强;而靠近接地极的位置，招弧角距离可取得较小，绝缘水平较低，同时间隙的熄弧能力也较低。工程设计时可根据线路沿线的过电压水平和直流续流大小，将线路划分为若干段，对每一段分别进行绝缘配置，实现经济最优化。接地极线路的直流续流I0与杆塔接地电阻Ｒg成反比，即提高杆塔的接地电阻可降低直流电弧的大小。但是，接地极线路耐雷水平很低，提高杆塔的接地电阻会使其耐雷水平进一步下降。考虑招弧角被击穿并建立起直流续流只在直流系统单极运行同时接地极线路遭受过电压击穿时发生(单极运行工况平均每年一般不超过3个月)，在靠近换流站区段内，由于操作过电压的要求，招弧角间隙及绝缘水平要求较高，雷电耐受水平相对其他区段较高，可适当提高杆塔接地电阻(牺牲一部分线路防雷性能)，以降低直流续流。

参考文献：

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