金海奇，张向军

0 引言

近年来随着城市规模的扩大，为缓解城市交通拥堵，速度快、运量大、污染小、不堵车的城市轨道交通得到迅速发展。轨道交通的电力牵引网为机车提供动能，是轨道交通系统重要的组成部分。

目前，国内城市轨道交通牵引供电系统多采用直流供电，通过接触网或接触轨向机车供电，利用机车的走行轨回流[1]。然而，采用走行轨实现回流的供电方式，部分牵引电流会通过走行轨进入道床形成杂散电流，对走行轨及其沿线的金属设备产生腐蚀，进而影响地铁建筑结构和金属设备的使用寿命。为抑制杂散电流腐蚀的影响，传统的处理方法通常采用堵、排、测3种主要手段，但是随着时间推移，在潮湿、金属粉尘（闸瓦制动）等因素的影响下，这些常规防护措施的效果日益衰减。为了根本解决杂散电流问题，国内部分地铁线路采用专用轨回流牵引供电系统[2，3]，即设置专用的负极轨用于回流，负极回流轨对地具有良好的绝缘性能，可以基本杜绝杂散电流的产生。然而，负极回流轨良好的对地绝缘也极大地限制了故障电流的快速增加，传统的直流保护无法实现正极接地故障的判断和隔离。

本文以专用轨回流牵引供电系统为研究对象，介绍现有专用轨回流牵引供电系统的保护配置方案，分析现有保护配置方案对正极接地短路故障保护存在的问题；提出基于正负馈线差流以及正馈线电流方向的正极接地故障保护策略，并设计保护方案；通过 Matlab/Simulink仿真系统，模拟正常运行方式以及正极接地故障工况，对所提的保护策略进行验证。

1 现有专用轨回流牵引供电系统保护方案

目前，直流牵引供电系统的保护策略主要针对走行轨回流牵引供电系统，由于走行轨与大地之间的绝缘电阻较小，任何类型故障下均可以产生较大的故障电流，因此常规的大电流脱扣保护、上升率保护可以快速识别出系统故障，实现故障的及时切除和隔离。然而，专用轨回流牵引供电系统中负极回流轨具有良好的对地绝缘特性，使得正极接地故障回路中的阻值极大，几乎无法产生用于故障识别的电流。为此，现有的专用轨回流牵引供电系统通常会在牵引变电所内设置负母线接地回路[4]。该接地回路由接地电阻、逆流二极管、电压继电器等元器件组成，如图1所示，其中接地电阻通常为5 Ω的小电阻，电压继电器的动作门槛通常设定为200 V。正常运行条件下，系统中的泄漏电流在接地电阻上产生的压降远小于电压继电器的整定值，接地电阻将负极电位拉到地电位。当正极接地故障发生时，接地电阻虽然一定程度上限制了故障电流，使得常规的大电流脱扣保护、上升率保护依然无法动作，但是故障电流可以通过接地电阻流回负极，导致接地电阻产生较大的压降，与其并联的电压继电器动作将故障切除。

图1 负母线接地回路

对于专用轨回流牵引供电系统的不同类型的故障，现有的保护方案是根据电流幅值采用不同的策略。当发生正负极短路故障时，产生的故障电流达到8 kA左右，变电所内直流馈线所配置的大电流脱扣保护、电流上升率保护等常规保护动作将故障切除。当发生正极接地故障时，故障电流通过负母线接地回路中的逆流二极管返回负极，当电阻压降达到电压继电器的保护动作门槛，电压继电器动作将故障切除。

2 现有保护方案存在问题分析

根据上文的介绍可知，在专用轨回流牵引供电系统中，各个牵引变电所内均会配置负母线接地回路，用于正极接地故障的切除。当正极接地故障发生时，故障点周围的地电位会迅速抬升，由于各个牵引变电所内的负极母线均通过逆流二极管和接地电阻与大地相连，因此大地电位的抬升可能会造成与故障点邻近的牵引变电所内的逆流二极管同时正向导通，进而引起与该牵引变电所内的电压继电器同时动作，实现故障的切除和隔离。

若正极接地故障发生时，仅引起故障区段两端牵引变电所内的电压继电器动作，不仅可以有效地切除正极接地故障，而且为故障后的快速恢复提供条件。然而，地铁线路中各个牵引所之间的距离通常较短（2～3 km），正极接地故障可能会引起故障点邻近的多个牵引所内的接地继电器同时动作，不仅会造成多个供电区段同时失电，引起大面积的停电，而且使得故障区段的定位十分困难，极大地延误牵引供电系统的恢复，扰乱正常的行车秩序，造成较大的经济和社会损失。图2所示为正极接地故障下流过负母线接地回路电流，图中红色实线为流过负母线接地回路的电流。

图2 正极接地故障下流过负母线接地回路电流

3 基于正负馈线电流的正极接地故障保护

3.1 正极接地故障保护策略

对于专用轨回流牵引供电系统，正常运行时，机车的负荷电流从整流器的正极流出，经过正馈线、正极接触轨（网）、机车、负极回流轨以及负馈线，流回整流器的负极，如图3所示，图中蓝色实线为机车负荷电流。正常运行时，牵引变电所内正、负馈线的电流大小基本相等。根据上文的分析可知，当正极接地故障发生时，故障电流会从整流器的正极流出，经过正馈线、正极接触轨（网）、故障点、大地、负母线接地回路，流向整流器的负极，图3中红色实线为正极接地故障电流。可以看出，相较于正常运行工况，故障电流不经过负馈线，导致正极接地故障发生时正、负馈线之间的电流幅值不相等，会产生较大的电流差值。为此，本文提出利用横向正、负馈线的电流差值判断正极接地故障，通过实时采集正、负馈线的电流差值，并与正极接地故障判定门槛进行比较，判断牵引供电系统正极接地故障的发生。考虑到保护的可靠性和灵敏度，正极接地故障判定门槛可设定为1.4倍的正常运行工况下的最大电流差值。

图3 专用轨回流牵引供电系统机车负荷电流和正极接地故障电流

由上文分析可知，地铁线路中各个牵引所之间的距离较短，正极接地故障电流可能会流经与故障点邻近的多个牵引所内的负母线接地回路，使得与故障点邻近的多个牵引变电所内的横向正、负馈线之间均会出现较大的电流差值（图3），即当正极接地故障发生后，A、B、C、D的正、负馈线之间均会产生较大的电流差值。因此，利用横向正、负馈线的电流差值只能判断出供电系统中发生正极接地故障，无法定位出故障发生的区段。

地铁直流牵引供电系统属于多电源并联的分布式供电系统，当供电系统中发生故障时，各个电源点均会向故障点提供短路电流。对于故障区段，区段两端牵引所内的整流器提供的故障电流均经过所内的正馈线流入故障点；对于非故障区段，区段内牵引所整流器提供的故障电流则会穿越非故障区段两端的正馈线流入相邻区段。为此，本文提出利用正馈线电流的方向识别故障区段，若以电流从正极母线流入正极接触轨（网）为正方向，电流从正极接触轨（网）流入正极母线则为负方向。当保护单元检测出正、负馈线的电流差值大于设定的正极接地故障判定门槛，保护单元启动正馈线电流方向的判断，若保护单元检测到所在正馈线电流的方向为正方向，且与其对端的正馈线电流方向一致，则判定所在区段为故障区段；若保护单元检测到所在正馈线电流的方向与其对端的正馈线电流方向相反，则判定所在区段为非故障区段。图4为基于正负馈线电流的正极接地故障保护判断流程图。

图4 基于正负馈线电流的正极接地故障保护判断流程

以图3所示的正极接地故障为例，当正极接地故障发生时，检测到 A、B、C、D的正负馈线之间均产生较大的电流差值，其值大于正极接地故障判定门槛，配置其上的保护单元启动正馈线电流方向判断：C、D的正馈线上流经的电流均为正方向，保护单元判断 C-D供电区段为故障区段，保护单元向C、D的正馈线断路器发出跳闸命令；A的正馈线上流经的电流为正方向，B的正馈线上流经的电流为负方向，保护单元判断 A-B供电区段为非故障区段。

3.2 正极接地故障保护配置

由上文可知，为实现本文所述的保护策略，每个牵引所内的横向区域需要配置1台保护单元，如图5所示，A、B、C、D各配置1台保护单元。每个保护单元不仅需要采集用于方向判断的正馈线电流，而且需要采集用于正极接地故障识别的正负馈线的电流差值。对于正馈线电流采集，保护单元可采用分流器加变送器的常规采集方式，采集单元的安装需考虑相同的电流极性，图5中紫色椭圆标识的为正馈线电流采集单元，电流从采集单元的星侧流出定义为正方向。对于正负馈线的电流差值采集，本文提出采用闭环电流互感器，利用磁场平衡原理，实现电流差值的检测，图5中绿色椭圆为闭环电流互感器。正、负馈线从互感器的线孔中穿过，在正常运行工况下，穿过闭环电流互感器的正、负馈线负荷电流幅值相等，方向相反，正、负馈线电流差值为0；当正极接地故障发生时，穿过闭环电流互感器的正、负馈线电流虽然方向相反，但是幅值不等，其所引起的磁通不平衡导致电流互感器可以检测出正、负馈线之间的电流差值。利用磁场平衡原理获取正、负馈线之间电流差值，可以有效避免数据同步以及采样误差等问题。为了减少不平衡电流可能受到磁场畸变的影响，线缆中间可填充固定支撑材料，确保穿过互感器的正、负馈线与互感器平面垂直。图6为闭环电流互感器检测示意图，红色实线为流过正馈线电流，蓝色实线为流过负馈线电流。

图6 闭环电流互感器检测示意图

在正极接地故障保护判断的过程中，保护单元需要获取区段对侧的正馈线方向用于比较判断，常规的站间信息传递方式需要敷设站间通信电缆，不仅成本高昂，而且可靠性较差。为此，本文提出区段两端的保护单元之间利用光纤直连实现信息的传递。光纤直连传递信息已在通信、保护领域得到大量应用，其快速性、实时性和高可靠性已经过了充分的验证。图5中的橙色实线为区段两端保护装置之间的直连光纤。

图5 基于正负馈线电流的正极接地故障保护配置

4 仿真试验

利用 Matlab/Simulink仿真平台，搭建了图3所示的专用轨回流牵引供电系统模型[5]，牵引电压为直流1 500 V。图7所示为正常运行工况下A、B、C、D的正、负馈线电流及其差值，其中蓝色为正馈线电流，橙色为负馈线电流，黄色为正负馈线的电流差值。从图中可以看出，在正常运行工况下，A、B、C、D的正、负馈线电流幅值相等，方向相反，其差值为0。

图7 正常运行工况下的正负馈线电流及其差值

图8所示为正极接地故障发生时，A、B、C、 D的正、负馈线的电流及其差值。

图8 正极接地故障下的正负馈线电流及其差值

从图8中可以看出，A、B、C、D的正馈线电流大于负馈线，正负馈线之间产生较大的电流差值。对于C-D供电区段，C、D的正馈线电流同为正方向，保护单元判断C-D区段为故障区段，配置于C、D的保护单元动作，将故障区段切除。对于 A-B供电区段，A的正馈线电流为正方向，B的正馈线电流为负方向，两者方向相反，保护单元判断A-B区段为非故障区段。

5 结语

本文介绍了专用轨回流牵引供电系统的现有保护方案，通过分析发现，正极接地故障发生时，邻近故障点的多个牵引所内负母线接地回路继电器同时动作，可能会导致保护动作范围的扩大。通过比较正常运行工况以及正极接地故障下正、负馈线电流的幅值和流向，利用正、负馈线电流幅值在故障情况下的不平衡，提出以正、负馈线之间的电流差值作为故障特征量，判断系统内正极接地故障的发生。同时，利用故障区段两端正馈线电流的同向性，提出通过比较供电区段两端正馈线电流的方向，辨别故障发生的区段。通过 Matlab/Simulink仿真，对所述保护策略进行了验证，仿真结果表明该保护方案可准确判断出正极接地故障和区段。