刘胜祥

摘 要：地铁牵引网是直流牵引供电系统的最薄弱环节，加强牵引网运行保护视为改善地铁运输安全。目前，直流牵引网中经常出现未知产生机理的振荡电流，虽然不是故障电流但其频繁造成馈线主保护误动，并已严重影响到行车安全。因此，有必要在详细分析该振荡电流本质特征的基础上，研究出一种能高时效躲避振荡电流的新型牵引网馈线保护方法。

关键词：地铁牵引网;馈线保护;DDL;振荡闭锁

1 绪论

1.1 背景及意义

城市交通是城市经济与社会发展的生命线，世界各大城市历来高度关注所辖区内的公共交通问题。地铁的“公交化”运行方式和传统习惯导致地铁牵引网具有如下运行特点：1）牵引负荷是典型的间歇式负荷（负荷的有功功率变动量ΔP与有功功率P相等）;2）较高的故障率;3）较大的负荷电流，且负荷电流与牵引网末端的短路电流几乎相等[1]。牵引网永久性短路的威胁性极大且无备份，这对牵引网馈线保护提出极高的要求，因而通过理论研究及技术分析来完善地铁牵引网主保护，对保障地铁的运行安全至关重要。

1.2 国内外发展现状及存在的问题

为保障地铁运输安全，通常为地铁牵引网配置了多种保护措施，其中大电流脱扣保护和DDL保护（di/dt-Δi组合保护）都是主保护，分别用于牵引网近端保护和中远端保护。DDL保护是所有保护的核心，其理论基础为：牵引网短路瞬间，短路电流表现为一阶RL电路的零状态响应。这说明牵引网短路电流在幅值特征上可能接近于常见负荷电流，但其上升率远大于常见负荷电流，因此DDL保护在躲开常见负荷电流上非常有效。

2 地铁牵引供电系统及其馈线保护

2.1 地铁牵引供电系统

地铁牵引供电系统临近生活区和办公区，为保障居民和乘客的人身安全，地铁和轻轨在最初选择了低压直流供电制式。直流牵引变电所和城市电网之间，一般需要再设置主降压变电站（Main Step-down Substation），其功能是将城市电网所提供的高压交流电降低到适合直流牵引变电所需要的电压。

2.2 牵引网馈线保护的基本任务与要求

（1）基本任务。牵引网馈线保护的基本任务是：能够快速准确识别牵引网故障，向临近故障点的牵引变电所发出告知信号，且有选择性的将故障线路从地铁牵引供电系统中切除，以确保非故障线路区段能正常供电。

（2）基本要求。地铁牵引网是特殊的配电线路，其馈线保护的基本要求需满足“3S+1R”要求：选择性（Selectivity）、速动性（Speed）、灵敏性（Sensitivity）和可靠性（Reliability），工程上称为继电保护“四性”。

2.3 现行的地铁牵引网馈线保护

（1）大电流脱扣保护。大电流脱扣保护是直流快速断路器（毫秒级动作时间）自带的本体保护，其功能是采用电磁脱扣的原理切断牵引网近端的大短路故障电流。大电流脱扣保护的理论基础是供电区段发生近端短路时，其电流很大。由于牵引网近端短路故障时，如接触轨对走行轨的直接金属短路，其产生的大电流会对直流牵引供电系统造成巨大损害，因此，要求大电流脱扣保护必须在短路电流达到稳态值前尽早切除故障[2]。

（2）DDL保护。地铁牵引网馈线DDL保护，工程称为电流变化率di/dt和電流增量组合保护，是一种反映电流变化趋势的暂态保护。DDL保护被视为地铁牵引网的核心保护，其中di/dt保护和保护的作用分别是消除线路中远端和中近端短路故障。DDL保护的理论依据是：1）牵引网短路暂态模型是一阶RL串联电路的零状态响应;2）牵引网短路电流的di/dt至少高于负荷电流1～2个数量级。当保护启动后，二者分别进入自己的延时阶段（即相互独立），哪个保护先达到预定的动作条件就由它来动作。

（3）过流保护。过流保护是一种根据电流大小变化而产生的保护方式。通过预先设定电流Imax和时间T值，然后将检测得出的结果进行比较分析，如果该数值在固定的时间内超过Imax时，过流保护装置则开始运行，否则该保护装置不动作。

该保护是主保护的后备保护，主要功能是切除远端短路故障，保护启动需设定正方向的数值与负方向的数值两种情况。

（4）双边联跳保护。双边联跳保护是指两个向同一段接触网供电的相邻变电所的保护装置之间的在发生短路故障时的相互跳闸保护。先检测到故障的保护装置跳闸的同时向同为该区段供电的相邻变电所的保护装置发出联跳信号，使其跳闸。利用这个装置可以将电流安全地运输至接触网，增强主保护的可靠性和灵敏性。

2.4 馈线保护的可靠性

随着牵引负荷不断提升，车辆启动电流（最大负荷电流）和牵引网远端短路电流的特征差异逐渐减小。但是，录波数据表明牵引网短路电流的变化率是启动电流的数百倍，因而现行的DDL保护能够可靠区分牵引网短路电流和常见负荷电流。随着牵引功率的增大、行车组织多样化以及车辆多种电气控制技术的应用，地铁牵引网中时常出现短时发散型振荡电流。

3 牵引网电流波形及新型保护算法

3.1 地铁牵引网馈线电流及其特征分析

3.1.1 系统正常运行时馈线电流波形

牵引供电系统正常运行时馈线电流具有如下特点：

（1）馈线电流值有正有负，电流为正时车辆处于牵引状态，而电流为负时车辆处于再生制动状态。

（2）负荷电流波动较大，但其电流变化率比短路电流高1～2个数量级。

3.1.2 系统振荡时馈线电流波形

牵引供电系统振荡时的馈线电流波形具有如下特点：

（1）振荡起始点始终在电流的负值处，这与机车的能量回馈有关。

（2）振荡初期，馈电电流波形与短路电流波形相近。

（3）振荡电流是连续变化的，没有明显的瞬时突变点。

（4）振荡初期电流幅值变化较小，随后会迅速发展成幅值较大且发散的振荡电流。

3.1.3 牵引网短路时馈线电流波形

地铁牵引网短路时馈线电流具有如下特点：

（1）地铁牵引网短路后瞬间，电流值迅速上升，并快速达到稳定值。

（2）地铁牵引网短路前，电流处于相对平稳的状态。

（3）短路电流存在明显突变点，表明短路电流存在丰富的谐波分量。

3.2 高阶统计量算法基础

系统振荡和牵引网短路最大的区别在于供电回路中是否包含轨道车辆。牵引网短路等同于轨道车辆退出供电回路，而系统振荡等同于供电系统和轨道车辆共同谐振，显然牵引网短路具有更大的电流幅值增量和电流变化率。高阶统计量中偏度和峰度参数是刻画样本点变化和分布规律的重要工具，将其引入到暂态保护算法中，必将改善暂态保护算法对不同波形的识别能力。

3.3 相关短路参数的计算

受设备安全和实验条件所限，现场短路实验时很难得到稳态短路电流值，尤其是大短路电流。直流快速开关标称出的极限分断能力，不是最大电流的分断能力，而是接近稳态时的短路电流分断能力。直流低压大电流的供电制式，不仅决定DDL能快速诊断出线路故障，而且馈线开关柜必须采用毫秒级的直流快速开关，因而现场只能抓拍到短路电流的局部示波图。

4 结论

本文中结合了目前地铁馈线保护所应用的保护系统和相关保护设计，针对地铁馈线的故障情况做出了地铁馈线保护设计。总结全文，具体结论如下：

（1）对现有的地铁牵引网馈线保护方法进行分析和比对，分析了系统振荡电流使得牵引网馈线保护系统频繁误动的原因。

（2）分析了地铁牵引网供电系统在系统不同工况下的状态电流，即振荡电流和故障电流的不同特征，并進一步提取电流波形特征。基于此，提出一种组合DDL算法与高阶统计量算法的算法。

（3）完成了对地铁牵引网馈线保护的设计。该保护算法经过地铁牵引网实测数据检验，能够快速、准确、可靠的识别牵引网故障;而且在工程应用方面，其原理明确、算法简便，具有很强的实用性。

参考文献：

[1]李夏青，左丽.直流牵引网故障电流能量谱及特征矢量[J].电工技术学报，2010，25（11）：164-168.

[2]李高翎，田行军，宋金川.计及振荡过程的地铁牵引网保护方法[J].电气化铁道，2016（3）：34-38.