地铁列车高速断路器增加上升率保护配置的分析研究

邹欣欣

摘 要：本文针对提高地铁供电系统的保护配置与列车车载高速断路器的保护匹配性开展研究。以深圳地铁1号线的设备选型及保护匹配情况作为研究实例，通过对地铁牵引供电系统的保护曲线以及车载断路器的保护时间进行计算，对比在不同线路时间常数下的短路分析，研究在各类远近端短路工况下的保护匹配性。

关键词：列车高速断路器；上升率保护；配合

0 引言

地铁直流牵引供电系统承担直接为列车开行提供电源，其稳定性直接关乎行车供电安全。列车通过受电弓从牵引供电系统接触网/轨取电运行，每回取电回路下设置一组高速断路器作为下级负荷开关，配置了电流保护功能，其保护配置应与供电系统的保护配置充分配合，否则在发生各类短路性质的故障情况下，极有可能发生越级跳闸或保护拒动，扩大停电影响范围，造成不必要的损失。

由于牵引供电线路的复杂多变性，并且地铁列车的负荷存在动态变化的特点，因此各类不同的工况都有可能影响保护特性的匹配功能。

1 研究背景及目的

本研究旨于对地铁列车与牵引变电所保护配合的特性进行分析，研究各类工况下的保护动作情况，从而在故障分析中给与指导意义，并且为提高供电系统的可靠性提供研究思路。

2 保护配置情况与短路工况分析

2.1 1号线保护配置情况

地铁列车车载断路器配置大电流脱扣（直接过流跳闸）保护；变电所馈线断路器一般配置di/dt、ΔI及大电流脱扣等保护。

以1号线为例，列车配置UR6型高速直流断路器，变电所馈线配置DCP106型保护装置，相关的保护定值如下：

表1 保护设定值

断路器	保护类型	保护定值
车载断路器	大电流脱扣	1800A
变电所馈线断路器	di/dt电流上升率保护	电流上升率启动值di/dt_del : 20A/ms 延时 t_del : 60ms 电流增量 DI_del : 2000A

变电所馈线di/dt保护的动作过程为：当检测到馈线电流大于电流上升率启动值di/dt_del时，保护启动；电流上升率降低时进入延时（t_del）;延时完成后如果电流增量大于设定值DI_del，则保护出口跳闸。因此从短路开始到保护出口跳闸的时间≥t_del。

2. 2. 短路工况分析

牵引系统内部短路在大部分情况下都相当于变电所馈线的中、远端短路。下面我们分别用40ms及100ms线路时间常数下的短路来说明在中、远端短路时，电流曲线的数据趋势及上升率采样点。

2.2.2 线路时间常数100ms下的短路分析

当线路常数为100ms时，3000A预期短路电流的波形及相对于的电流上升率波形见图3及图4：

图3 时间常数为100ms时的短路电流

2. 2. 保护配合情况

经过实测模拟车载断路器与变电所断路器间存在保护配合问题：当牵引系统内部短路故障时，车载断路器在线路时间常数较大的短路情况下无法在变电所断路器保护出口跳闸之前切断短路电流，会出现保护拒动不跳闸的情况，从而引起变电所断路器跳闸，扩大停电影响范围。

3 增加配置上升率保护配置

对于车载断路器保护特性的优化，可以参照变电所的保护配置增加斜率计算保护，加速车载高速断路器的动作特性，并且在定值设计中与变电所的配置相互配合，从而提高可靠性和选择性。

车载直流高速断路器配置di/dt保护后能够在短路故障早期发现故障。当增加车载di/dt保护时，相关保护的设置见表2：

表2 保护设定值

断路器	保护类型	保护定值
车载断路器	大电流脱扣	1800A
车载断路器	di/dt电流上升率保护	电流上升率启动值di/dt : 15A/ms 延时 t : 10ms
变电所馈线断路器	di/dt电流上升率保护	电流上升率启动值di/dt_del : 20A/ms 延时 t_del : 60ms 电流增量 DI_del : 2000A

车载di/dt保护通过接点控制断路器的分闸，保护出口到断路器触头开始分开的时间包括保护中间继电器固有动作延时+直流高速断路器固有分闸时间。中间继电器的固有动作时间为10ms。直流高速断路器分闸时间为5-10ms，但为了保护断路器线圈及二次回路，在断路器线圈两端会并联压敏电阻或反向二极管，造成分闸时间有所增加。当线圈两端并联压敏电阻时，分闸时间会增加到20-30ms；当并联反向二极管时，分闸时间可增加到60-70ms。

对于上述40ms及100ms时间常数短路故障的配合分析如下：

3.1 100ms时间常数时的配合关系

时间常数为100ms时，短路故障电流及电流上升率波形见图3及图4。波形中关键点的电流值和电流上升率见表4。

表4 时间常数100ms时的电流及上升率采样点

时间ms	0	10	41	92	101	110
电流值A	0	286	1009	1800	1907	2000
电流上升率 A/ms	30	27.3	20	12	10.9	10

3.1.1车载di/dt保护动作过程

短路开始时，电流上升率为30A/ms大于15A/ms的设定值，车载di/dt保护启动；10ms时，短路电流上升率为27.3A/ms仍大于15A/ms的设定值，保护出口跳闸。

故障电流从起始到开始下降的时间由以下几部分组成：

• 保护延时时间

• 出口继电器固有延时

• 断路器分闸时间

• 从断路器触头开始分开主回路电流开始下降的延时

考虑到断路器线圈两端并联反向二极管的情况，故障电流从起始到开始下降的时间为：10+10+70+10=100ms。

3.1.2变电所馈线保护动作过程

短路开始时，电流上升率为30A/ms>20A/ms，保护启动；在41ms时，电流上升率回落至20A/ms，保护进入60ms延时；101ms时延时结束，此时电流增量为1907A<2000A，由于电流增量未到设定值，保护继续等待；在110ms时，电流增量达到设定值2000A，此时保护触头跳闸。

即故障电流从起始到变电所保护出口跳闸时间为：110ms。

3.1.3保护配合情况

由于车载断路器分闸时间的影响，故障电流从起始到开始下降的时间约为100ms，与配置车载di/dt保护的车载断路器的动作时间相当。因此会出现车载断路器与变电所断路器同时跳闸的情况，不会出现车载断路器不跳闸的情况。高速断路器的可靠性有一定提高。

5 结论

1号线目前车载断路器与变电所断路器间存在保护配合问题：当牵引系统内部短路故障时，车载断路器在线路时间常数较大的短路情况下无法在变电所断路器保护出口跳闸之前切断短路电流，从而引起变电所断路器跳闸。在一些特殊的情况下可能出现变电所跳闸而车载断路器不跳闸的情况。

如果为现有车载断路器加装di/dt保护装置，可避免车载断路器不跳闸的情况发生。但是由于车载断路器的分闸时间过长，无法减少变电所断路器跳闸的现象。

如同时为车载断路器改为配备间接脱扣装置的断路器，在车载di/dt保护的配合下可大大缩短断路器对于牵引系统内部故障的反应时间，有效增强车载高速断路器与供电系统的配合性，大大提高系统可靠性。

6 结束语

随着经济飞速发展，地铁线路将越来越多，各个设备系统之间的接口越来越多，也将会有越来越多无法预见的问题和难题出现。我们将永不停歇地对设备进行摸索，不断发现困难，解决问题，积累经验，为供电系统的维护及确保地铁安全稳定运营做出贡献。

参考文献：

[1]宋奇吼,李学武,城市轨道交通供电[M].北京：中国铁道出版社.2012

[2]董斌.地铁直流牵引供电系统中的di/dt保护和△I保护[J].机车电传动.2003

[3]UR6系列高速直流断路器使用手册[Z].Secheron