城市轨道交通供电直流保护

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• 5.3.1 牵引整流机组的配置
• 整流变压器柜中一般配备电流速断保护（对整流变压器一次侧短路）、过电流保护（整流变压器过负荷、二次侧短路及直流母线短路）、过负荷保护（牵引整流机组过负荷）、超温保护（整流变压器、整流器温度过高）等保护。
• 电流速断保护为主保护，其余为后备保护，变压器的过负荷保护是通过电流继电器的反时限来实现的。
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5.2 城轨供电直流系统保护配置
• 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。 • 不动作则后果严重，应为和交流电弧电压过零可以自动熄灭
不同，牵引供电系统短路时产生的直流电弧，如不迅速切断电源，会长时间维持燃烧而不熄灭。
• 所有二次保护控制测量元件均安装于标准的安装导轨上，卡插式安装固定，方便更换，其安装接线方式均能满足运行维护过程可靠、方便、快捷的要求。
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5.2 城轨供电直流系统保护配置
• 馈线柜配置的保护和控制功能为： a．大电流脱扣保护（over-current protection）； b．电流上升率保护（di/dt protection）； c．定时限过流保护（definite-time over-current protection）； d．低电压保护（under-voltage protection）； e．双边联跳保护（transfer intertrip protection）； f．接触网热过负荷保护（cable thermal overload protection）； g．自动重合闸（automatic re-closure）。
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5.3 牵引整流机组继电保护
• 在整流器中，一般装设二极管快速熔断器故障报警/跳闸（即所谓一报警二跳闸）、散热器超温报警/跳闸（热敏装置报警 /跳闸）、母排超温报警/跳闸等，这几类跳闸将使整流变的 35kV/33kV开关跳闸，使整流器组退出运行。
• 除了以上保护配置，还装设了直流设备框架泄漏保护联跳，保护启动后，联跳中压侧馈线开关以及本牵引变电所所有直流断路器、相邻牵引变电所直流馈线断路器；联跳直流进线开关，当牵引整流机组中压侧馈线开关跳闸后，联跳直流进线断路器。
• （2）城市轨道交通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）城市轨道交通直流保护应充分考虑某些特殊情况下的动作特性，如接触网末端短路或非金属性直接接地等情况。
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5.2 城轨供电直流系统保护配置 • 5.2.2 直流开关柜直流保护配置
• 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，即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。
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5.2 城轨供电直流系统保护配置
• （1）城市轨道交通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。城市轨道交通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。而对城市轨道交通直流保护而言，接触网一旦发生故障，就要求其快速跳闸，不同原理保护的配合就显得尤为重要。
• 鉴于双边供电比单边供电有很多优点，系统中任何一座牵引变电所故障解列时，应采取技术措施，实行大双边供电。
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5.1 城轨牵引供电方式
• 一、利用解列的牵引变电所的直流母线构成大双边供电
•
பைடு நூலகம்
图5-3 利用直流母线构成大双边供电
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5.1 城轨牵引供电方式
• 如图5-3所示，当牵引变电所只有两套整流机组退出运行，并且直流母线、上下行4路馈线开关及其二次回路完好无损且能正常运行时，可以实现该种大双边供电。
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5.3 牵引整流机组继电保护
• 一、电流速断保护
• 电流速断保护作用于中压交流断路器跳闸，要求躲开整流变压器的励磁涌流，并应大于变压器的额定电流，不考虑继电
器的返回系数。同时，与直流系统框架泄漏保护装置配合，
在直流侧发生接地或弧光短路时，作用于断路器分断跳闸。保护整定值为：
• 利用故障变电所的直流母线将上下行的接触轨并联起来，虽然改变了电压质量、降低了损耗，但同时也会扩大事故范围，因接触轨一点发生短路故障时，可能引起多路馈出开关跳闸，从而使事故范围扩大。
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5.2 城轨供电直流系统保护配置
• 5.2.1 城轨供电直流系统保护配置原则
• 城市轨道交通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。
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5.2 城轨供电直流系统保护配置
• 三、负极柜（图5-5中B点）
• 负极柜采用固定安装方式，由加强型钢板和高强铝合金骨架组装而成，柜内装有手动（电动隔离开关），并可根据需要设置一套框架泄漏保护装置，防止直流设备内部绝缘损坏时造成人身危险。负极柜主要实现接地保护和框架泄漏保护功能。
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5.2 城轨供电直流系统保护配置
• 二、进线柜（图5-5中对应201，202开关柜）
• 进线柜（也称为正极柜），其功能是控制直流母线与车站变电所母线之间的通断。
• 柜内主要由直流快速断路器（或电动隔离开关）、分流器、避雷器、测量与控制单元组成。
• 保护系统安装在断路器操作机构中，主要由各种硬件电路构成，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流和电压，输入保护系统，根据系统判据，确定线路是否有故障。
• 单边供电时，再生能量被其他同行列车吸收的可能性极小。此外，杂散电流值双边供电是单边供电的1/3～1/4。
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5.1 城轨牵引供电方式
•
图5-1 双边供电示意图
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5.1 城轨牵引供电方式
• 双边供电走行轨对地电位如图5-2所示。
•
图5-2 双边供电走行轨对地电位示意图
•
Iact KrelKc（IN5T .n1i ）
式中，K为rel 可靠系数，1.5～3.0，实际值可取2.5；
K为c 接线系数，当继电器接于相电流时， K=1c ；
I为NT 变压器一次侧额定电流；为ni 电流互感器变比；为Iac继t 电器
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5.3 牵引整流机组继电保护
• 5.3.2 整流变压器保护原理
• 整流变压器具有二次侧电压低，电流大的特点，所以不能像电力变一样设置变压器纵联差动保护。
• 当整流柜内部发生短路时，在弧光的作用下，极易造成整个直流系统的正、负母排之间的短路。
• 此时，所有整流机组均向故障点供电，巨大的短路电流可能造成母线、直流开关等设备严重损坏，多个快速熔断器、整流元件烧毁。强大的短路电流在故障点引起爆炸、起火等，烧毁整流装置或整流变，甚至扩大事故，造成人员伤亡。
第5章城轨供电直流保护
• 在城市轨道交通牵引供电系统中，电能从牵引变电所经馈电线、接触网输送给电动列车、再从电动列车经钢轨、回流线流回牵引变电所。由馈电线、接触网（接触轨）、轨道回路及回流线组成的供电网络称为牵引网。
• 城市轨道交通供电系统由牵引变电所或牵引降压混合变电所和牵引网系统构成，共同完成向城市轨道交通列车输送电能的任务。
• 一、馈线柜（图5-5中对应211，212， 213，214开关柜）
• 馈线柜安装于正极母线和接触网馈出电缆之间，其内配置正极母线、直流快速断路器及相关保护、控制设备，提供多种馈线保护和控制，在馈出接线铜排旁设有避雷器，这是城市轨道交通供电保护系统中最主要的保护设备。
• 馈线柜内装设的手车式直流快速断路器，其手车能方便地拉出和推入。
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5.1 城轨牵引供电方式
• 双边供电比单边供电具有明显的优点。
• 牵引网的平均电压损失、列车带电运行时受流器上的电压损失、列车最大平均电压损失、牵引网的功率损失等，双边供电都是单边供电的1/3～1/4。
• 双边供电时，列车的再生能量可以被同行列车吸收，当车流密度高时再生能量更容易被同行列车利用。
5.2 城轨供电直流系统保护配置
• 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，牵引供电系统除了交流系统常用的保护，还设置了牵引变电所内部联跳、牵引网双边联跳、电流上升率 di/dt、电流增量等特殊保护措施，以完全满足上述要求。
• 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，速动性是可以看出和可靠性同等重要的，所以直流侧保护皆采用毫秒级的电气保护设备，如直流快速断路器、di/dt、电流增量保护等，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。
• 牵引供电系统供电方式是指牵引变电所对牵引网的供电方式，包括单边供电、双边供电和大双边供电三种。
• 单边供电是指任何一个馈电区（牵引网）仅能从一侧牵引变电所取得电源的供电方式。一般线路终端如车辆段内采用单边供电方式。
• 双边供电是指任何一个馈电区同时从两侧牵引变电所取得两路电源。城市轨道交通的牵引供电系统，正常运行时正线均应采用双边供电方式。
• 图5-5 典型牵引变电所主接线图上的死区。
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5.2 城轨供电直流系统保护配置
• 图5-5是一个典型的牵引变电所的电气主接线图，该所将主变电所来的交流高电压（典型值：33kV）经整流机组（包括变压器及整流器）降压、整流为直流1500V，再经直流开关柜向接触网供电。
• 牵引变电所内的直流保护系统必须在系统发生故障时快速、准确地切除故障，同时又要避免列车正常运行时一些电气参数的变化引起保护装置误跳闸。
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5.2 城轨供电直流系统保护配置
• 一旦系统检测出线路故障，断路器分闸，从而实现保护功能。整个系统的可靠性依赖与线路电流、电压等电路信息量的精确检测和其保护判据的准确性。
• 进线柜配置的保护和控制功能为： a．大电流脱扣保护（over-current protection）； b．逆流保护（reverse current protection）。
• 后备保护的存在增加了故障切除的可靠性，同时也增加了与主保护配合的难度，所以保护的配置也不宜过多。不同的牵引变电所其电气特性不同，运行要求不同，所以保护装置的整定值不同，甚至保护的配置亦不相同。
• 通常，牵引变电所内的直流保护安装于开关柜中，其可能的配置如下：
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5.2 城轨供电直流系统保护配置
• 四、轨道电位限制装置
• 轨道电位限制装置是用于限制钢轨和地面之间产生较高的电压差，这种电压差是由于钢轨与地之间泄漏电阻的存在，使列车钢轨与地的电位升高而引起的。轨道电位限制装置的电压检测及接触器主触点均接于钢轨（负极）和地之间。
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5.3 牵引整流机组继电保护
整流变压器与整流器合称牵引整流机组。
• 目前，城市轨道交通采用直流供电，直流供电系统包括直流开关柜、控制和保护系统、直流电缆、接触网等。
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第5章城轨供电直流保护
• 城轨供电直流系统在运行过程中，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发生，对电气设备和人身安全造成威胁。国内外城市轨道交通系统运行统计数据表明，60%的轨道交通火灾事故起因是电气故障。可见，直流供电系统的控制和保护对确保轨道交通的安全、可靠运行，具有举足轻重的作用。
• 城轨供电直流系统的安全可靠运行是保证机车安全运行的前提。为此，必须在牵引变电所的开关柜内安装直流供电保护装置，一方面在正常运行状态下，满足机车运行要求，另一方面在直流供电系统发生故障的情况下，选择性地迅速切除故障，以确保城市轨道交通的安全可靠。
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5.1 城轨牵引供电方式