城市軌道交通供配電技術(shù)專業(yè)《6.2-城市軌道交通供電直流系統(tǒng)的主保護(hù)9》

62城市軌道交通供電直流系統(tǒng)的

主保護(hù)第一頁，共四十九頁。內(nèi)容621直流系統(tǒng)保護(hù)的配置622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理623直流電纜絕緣監(jiān)察保護(hù)與自動(dòng)重合閘第二頁，共四十九頁。621直流系統(tǒng)保護(hù)的配置牽引變電所內(nèi)的直流保護(hù)系統(tǒng)必須在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)快速、準(zhǔn)確地切除故障，同時(shí)又要防止列車正常運(yùn)行時(shí)一些電氣參數(shù)的變化引起保護(hù)裝置誤跳閘。后備保護(hù)的存在增加了故障切除的可靠性，同時(shí)也增加了與主保護(hù)配合的難度，所以保護(hù)的配置也不宜過多。不同的牽引變電所其電氣特性不同，運(yùn)行要求不同，所以保護(hù)裝置的整定值不同，甚至保護(hù)的配置亦不相同。通常，牽引變電所內(nèi)的直流保護(hù)單元安裝于開關(guān)柜中，一個(gè)單元內(nèi)可配置多種保護(hù)邏輯，廣州地鐵配置如下：第三頁，共四十九頁。621直流系統(tǒng)保護(hù)的配置第四頁，共四十九頁。621直流系統(tǒng)保護(hù)的配置牽引變電所內(nèi)的直流保護(hù)系統(tǒng)必須在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)快速、準(zhǔn)確地切除故障，同時(shí)又要防止列車正常運(yùn)行時(shí)一些電氣參數(shù)的變化引起保護(hù)裝置誤跳閘。后備保護(hù)的存在增加了故障切除的可靠性，同時(shí)也增加了與主保護(hù)配合的難度，所以保護(hù)的配置也不宜過多。不同的牽引變電所其電氣特性不同，運(yùn)行要求不同，所以保護(hù)裝置的整定值不同，甚至保護(hù)的配置亦不相同。通常，牽引變電所內(nèi)的直流保護(hù)單元安裝于開關(guān)柜中，一個(gè)單元內(nèi)可配置多種保護(hù)邏輯，廣州地鐵配置如下：第五頁，共四十九頁。621直流系統(tǒng)保護(hù)的配置第六頁，共四十九頁。621直流系統(tǒng)保護(hù)的配置第七頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理牽引變電所內(nèi)的直流系統(tǒng)的故障形式主要有：短路故障，過負(fù)荷故障，過壓故障等等，最常見的也是危害最大的是短路故障。從本質(zhì)上講，短路故障有兩種類型，一種是正極對(duì)負(fù)極短路，另一種是正極對(duì)大地短路。所內(nèi)配置的多數(shù)保護(hù)都是為了切除前一種故障，框架保護(hù)那么是為了切除后一種故障。第八頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理對(duì)于前一種故障，多數(shù)是由于架空接觸網(wǎng)對(duì)鋼軌短路所引起的，短路點(diǎn)離牽引變電所的距離決定了短路電流的大小。遠(yuǎn)端短路故障電流的峰值與列車啟動(dòng)時(shí)的電流峰值相近，甚至小于該電流，所以，遠(yuǎn)端短路故障電流與列車啟動(dòng)電流的區(qū)分，是牽引變電所直流保護(hù)的難點(diǎn)。另外，列車受電弓過接觸網(wǎng)分段時(shí)，也會(huì)有一個(gè)峰值較高的電流出現(xiàn)。第九頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理第十頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理以下介紹牽引變電所內(nèi)的主要的直流保護(hù)的工作原理：1大電流脫扣保護(hù)大電流脫扣保護(hù)是斷路器本體保護(hù)，與交流保護(hù)中的速斷保護(hù)類似，用以快速切除金屬性近端短路故障。這種保護(hù)是依靠斷路器中流過的短路電流〔一般會(huì)超過8000A〕，用電磁力拉開脫扣器來實(shí)現(xiàn)分閘，通過調(diào)節(jié)螺栓調(diào)節(jié)彈簧張力來調(diào)節(jié)脫扣器拉開的力量來調(diào)節(jié)整定值，不用繼保單元發(fā)出指令。它是直流斷路器內(nèi)設(shè)置的固有保護(hù)，沒有延時(shí)性，通過斷路器內(nèi)設(shè)置的脫扣器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)通過斷路器的電流超過整定值時(shí)，脫扣器馬上動(dòng)作，使斷路器跳閘。第十一頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理第十二頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理例如：武漢地鐵采用的直流高速開關(guān)本體大電流脫扣保護(hù)所采用的UR36斷路器本體自帶的保護(hù)功能沒有延時(shí)性，固有分閘時(shí)間為4ms，快速切除近端的金屬性短路故障，通過斷路器內(nèi)置的脫扣器實(shí)現(xiàn)跳閘。整定范圍應(yīng)大于最大負(fù)荷以下車正常啟動(dòng)電流，小于近端最大短路電流。與機(jī)車保護(hù)相配合，躲過機(jī)車斷路器的大電流脫扣保護(hù)，機(jī)車定值一般取4～5A。第十三頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理單邊供電時(shí)，應(yīng)能可靠切除末端電弧性短路故障電流，要求整定值小于末端電弧性短路故障電流，具體值需要計(jì)算。在大雙邊供電情況下，上述條件不一定滿足。上海9線斷路器本體保護(hù)整定為9A，也有10A、11A，具體數(shù)據(jù)要根據(jù)上述整定原那么和計(jì)算結(jié)果確定。第十四頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理一般來說，該保護(hù)的整定值要通過計(jì)算和短路試驗(yàn)得出，整定值要比最大負(fù)荷以下車正常啟動(dòng)的電流大，也要比最大短路電流小。大電流脫扣保護(hù)屬于直流快速斷路器自帶的本體保護(hù)，采用電磁脫扣的原理，用于切斷大的短路電流。如發(fā)生三軌對(duì)鋼軌近端直接短路等故障情況，所產(chǎn)生的大的短路電流將對(duì)供電系統(tǒng)造成巨大損壞，必須在短路電流到達(dá)峰值前切除，保護(hù)地鐵設(shè)備的平安。第十五頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理供電區(qū)間發(fā)生近端短路時(shí)，電流上升率di/dt很大，一般來講，大電流脫扣保護(hù)快速動(dòng)作以確保短路電流在到達(dá)穩(wěn)態(tài)值之前將其快速切斷，如果短路故障發(fā)生在中遠(yuǎn)端，di/dt較小，大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作時(shí)間將延長，對(duì)供電設(shè)備不利，因此一般作為近端短路的主保護(hù)。如瑞士Sécheron賽雪龍公司的直流斷路器，在其內(nèi)設(shè)有一個(gè)跳閘裝置由一個(gè)鋼片層壓的固定引鐵和一個(gè)可移動(dòng)引鐵組成，可移動(dòng)引鐵與一彈簧微調(diào)螺釘相連接，用于調(diào)節(jié)跳閘動(dòng)作值，另外還有一個(gè)動(dòng)鐵芯用于觸發(fā)跳閘。第十六頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理在過流短路或過載的情況下，主回路中的繞組在固定引鐵內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，動(dòng)鐵芯受這個(gè)磁場(chǎng)的作用，通過一個(gè)杠桿推動(dòng)棘爪，從而釋放動(dòng)觸頭，使斷路器跳閘。跳閘動(dòng)作值可以通過改變磁路的位置，也就是空氣氣隙的大小而改變。電流脫扣保護(hù)可以通過調(diào)節(jié)螺栓整定動(dòng)作電流的大小。整定刻度標(biāo)示在整定裝置的頂上，調(diào)節(jié)螺栓用一個(gè)M6螺栓鎖定。第十七頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理2電流上升率保護(hù)及電流增量〔DDL保護(hù)〕DDL保護(hù)是廣泛使用的中遠(yuǎn)端短路主保護(hù)，它在多數(shù)情況下能正確區(qū)分列車正常運(yùn)行電流和中遠(yuǎn)端短路電流，主要用于切除大電流脫扣保護(hù)不能切除的故障電流較小的中、遠(yuǎn)端短路故障，各品牌保護(hù)單元在這個(gè)保護(hù)上的原理都不相同，但核心機(jī)理相同：電流上升率及電流增量保護(hù)由電流上升率〔di/dt〕與電流增量〔ΔI〕兩個(gè)判據(jù)組成。其簡(jiǎn)述如下：保護(hù)單元不斷通過變送器測(cè)量開關(guān)柜的通過的電流的變化率，如電流出現(xiàn)一個(gè)快速的增長。第十八頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理例如超過整定值A(chǔ)〔啟動(dòng)值〕：35A/ms時(shí)，保護(hù)單元開始啟動(dòng)記錄，記下此時(shí)的電流的絕對(duì)值，如1500A。接著，保護(hù)單元不斷的測(cè)量〔每秒10000次以上，現(xiàn)今單元多高于每秒20000次〕電流變化率及電流的絕對(duì)值，并將電流的絕對(duì)值與啟動(dòng)時(shí)的記錄值1500A相減，得到一個(gè)電流的增量ΔI。當(dāng)規(guī)定時(shí)間內(nèi)，如20ms內(nèi)，di/dt一直高于F〔返回值，一般等于或略小于A，如30A/ms〕,那么跳閘，如果在20ms內(nèi)，一旦檢測(cè)到ΔI高于整定值，如4000A，那么跳閘。如整個(gè)過程中di/dt小于F，那么裝置這次記憶清零，這稱之為保護(hù)返回。第十九頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理在實(shí)際中，各公司在定這個(gè)邏輯時(shí)，會(huì)在電流上升率突然變小時(shí)延時(shí)一段極小時(shí)間〔1ms-2ms〕再測(cè)下電流上升率，以修正測(cè)量誤差，來確保跳閘正確。下面以西門子DUP96裝置說明DDL的邏輯：為方便理解將保護(hù)分為瞬時(shí)跳閘元件與延時(shí)跳閘元件說明，每個(gè)元件就是一段邏輯程序：〔1〕瞬時(shí)跳閘元件〔核心是ΔI超限跳閘〕第二十頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理第二十一頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理瞬時(shí)跳閘元件的保護(hù)定值整定非常關(guān)鍵，首先必須計(jì)算出列車在啟動(dòng)、過接觸網(wǎng)電分段、近端短路等各種情況下的電流變化曲線，以確定C、A、△T2的值，其中最重要的是電流增量定值C的選取，C值選得過大會(huì)降低靈敏度，選得過小又會(huì)引起保護(hù)誤跳閘。對(duì)于一些極端的非短路情況〔機(jī)車過分段時(shí)，兩個(gè)分段有電位差〕，電流可能上升得比短路情況還快，而且峰值也很高，但通常經(jīng)過幾毫秒的延時(shí)后電流就開始下降〔圖曲線1〕。第二十二頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理第二十三頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理此時(shí)定值較難選取，可以考慮增加一個(gè)△T3的定值，使電流從保護(hù)啟動(dòng)開始，到△T3時(shí)刻，電流已經(jīng)經(jīng)過了迅速上升到峰值又下降到較低水平的過程，在這一段時(shí)間內(nèi)保護(hù)不作△I的判斷〔曲線1〕，以躲過這種極端的情況?！鱐3的值通常很小，只有幾或十幾毫秒，上海地鐵9號(hào)線的△T3選取為1ms，即在1ms內(nèi)，△I即使到達(dá)了4000A也不跳閘而等△T3后再來確認(rèn)。修訂的保護(hù)邏輯如下：第二十四頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理第二十五頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理第二十六頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理瞬時(shí)跳閘元件根據(jù)電流是否持續(xù)增大來判斷故障的存在，它能在近端短路電流上升到峰值以前迅速跳閘。以電流的變化率di/dt是否超過定值A(chǔ)作為啟動(dòng)的判據(jù)，啟動(dòng)后那么計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)的di/dt和△I瞬時(shí)值?！鱅即電流增量，它是相對(duì)于保護(hù)啟動(dòng)時(shí)刻的電流的變化量。跳閘的判據(jù)如下：第二十七頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理①di/dt一直大于定值A(chǔ)，那么以△I是否超過定值C作為跳閘的唯一判據(jù)，一旦檢測(cè)到△I超定值，立即跳閘〔上圖的曲線3〕,這是ΔI超限跳閘；②某一時(shí)刻，di/dt小于定值A(chǔ)，保護(hù)并不立即返回，但從此刻開始，△T2一般選1-2ms時(shí)間內(nèi)，繼續(xù)進(jìn)行di/dt和△I瞬時(shí)值的采樣，這就是前文所說的再測(cè)一下，以確認(rèn)：a．△I超過定值，保護(hù)仍然要立即跳閘〔上圖的曲線5，5內(nèi)有兩段時(shí)間的di/dt小于定值A(chǔ)，但兩段時(shí)間均小于△T2〕；b．假設(shè)△I未超過定值C，di/dt也一直小于A，那么保護(hù)返回〔上圖的曲線4〕；c．假設(shè)△I未超過定值C，di/dt在某一時(shí)刻又大于A，那么回到判據(jù)①。所以上圖中的陰影為跳閘區(qū)，電流曲線2、3、5跳閘。1、4返回第二十八頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理以下圖為DPU96裝置說明書內(nèi)對(duì)瞬時(shí)跳閘的邏輯說明。第二十九頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理第三十頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理延時(shí)跳閘元件主要起到識(shí)別遠(yuǎn)端短路電流并跳閘的作用。同樣以電流的變化率di/dt是否超過定值B作為啟動(dòng)的判據(jù)，啟動(dòng)后那么計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)的di/dt瞬時(shí)值，在相對(duì)于保護(hù)啟動(dòng)時(shí)刻的△T1〔一般選20-40ms〕時(shí)間內(nèi)，di/dt的值必須一直超過定值B，保護(hù)才能在啟動(dòng)后△T1時(shí)刻跳閘〔曲線2〕，否那么保護(hù)返回〔曲線1〕。延時(shí)跳閘保護(hù)返回后，瞬時(shí)跳閘保護(hù)也必須返回。第三十一頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理賽雪龍的SEin一般取2000A，保護(hù)才能跳閘，也就是多一個(gè)條件。第三十二頁，共四十九頁。西門子DS繼保單元邏輯差異第三十三頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理3定時(shí)限過流保護(hù)定時(shí)限過流保護(hù)是電流上升率保護(hù)的后備保護(hù)，通常該保護(hù)的電流整定值Idmt較小，一般按饋線最大負(fù)荷考慮，以到達(dá)切除遠(yuǎn)端短路故障的目的，其動(dòng)作延時(shí)Tdmt也較長，以避開列車啟動(dòng)的時(shí)間，廣州地鐵二號(hào)線牽引供電系統(tǒng)中該保護(hù)設(shè)計(jì)的Idmt為3000A，延時(shí)Tdmt為30秒。當(dāng)電流第一次超過定值時(shí)，保護(hù)啟動(dòng)，在延時(shí)Tdmt的時(shí)間段內(nèi)電流一直超過定值，可認(rèn)為是短路電流，觸發(fā)跳閘，如果中間任一時(shí)刻電流沒有超過定值，保護(hù)自動(dòng)返回，等待下次啟動(dòng)。第三十四頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理4低電壓保護(hù)低電壓保護(hù)的作用和定時(shí)限過流保護(hù)一樣，作為電流上升率保護(hù)的后備保護(hù)，一般與其它保護(hù)形式互相配合，不作為單獨(dú)的保護(hù)使斷路器調(diào)跳閘。它的整定值Umin及延時(shí)Tdmt必須列車正常運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行情況互相配合，應(yīng)考慮最大負(fù)載以下車的啟動(dòng)電流和啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間，還要考慮在一個(gè)供電區(qū)內(nèi)多部列車連續(xù)啟動(dòng)的情況。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，直流輸出電壓迅速下降很多，當(dāng)輸出電壓<Umin，保護(hù)啟動(dòng)，在一定的延時(shí)時(shí)內(nèi)輸出電壓一直保持<Umin，那么低電壓保護(hù)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。第三十五頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理5雙邊聯(lián)跳保護(hù)雙邊聯(lián)跳保護(hù)對(duì)于采用雙邊供電的接觸網(wǎng),是廣泛使用的一種保護(hù)手段，正如上文所介紹，在一個(gè)供電區(qū)內(nèi)的接觸網(wǎng)假設(shè)由兩個(gè)變電所對(duì)其供電，當(dāng)其中一個(gè)所的直流饋線斷路器因?yàn)槟承┍Ｗo(hù)跳閘的同時(shí)，會(huì)發(fā)出聯(lián)跳指令，使為同一個(gè)供電區(qū)供電的直流饋線斷路器都跳閘。第三十六頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理雙邊聯(lián)跳保護(hù)能切除故障電流特別小的遠(yuǎn)端短路故障，跳閘命令是由感知到較大近端短路故障電流的相鄰站發(fā)出的。只要給一段接觸網(wǎng)供電的兩個(gè)牽引站有一個(gè)正確跳閘，另一個(gè)立刻也會(huì)跳閘，因而可靠性很高，確保滿足GB50517-92<<地下鐵道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)>>的第8221條“在事故狀態(tài)下接觸網(wǎng)短路電流的保護(hù)，應(yīng)保證單邊供電接觸網(wǎng)區(qū)段一條饋線的開斷和雙邊供電接觸網(wǎng)區(qū)段兩條饋線的開斷〞。第三十七頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理圖6-11顯示了一條接觸網(wǎng)的兩段，小雙邊供電時(shí),左邊一段由牽引變電所A和B〔簡(jiǎn)稱A站和B站，下同〕供電，右邊一段那么由B站和C站供電，當(dāng)短路點(diǎn)發(fā)生在靠近A站的c位置時(shí)，A站的大電流脫扣保護(hù)首先動(dòng)作，而B站那么由于短路電流小等因素，大電流脫扣和di/dt等保護(hù)均無法動(dòng)作，位于A站的雙邊聯(lián)跳保護(hù)那么發(fā)出聯(lián)跳命令，將B站的213開關(guān)跳開。第三十八頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理大雙邊供電時(shí),當(dāng)B站退出運(yùn)行時(shí)，那么B站越區(qū)隔離開關(guān)2134合上，雙邊聯(lián)跳保護(hù)根據(jù)B站2133的位置判斷另一端是由C站213開關(guān)供電，跳閘的對(duì)象那么為C站213開關(guān)。第三十九頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理6接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護(hù)接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護(hù)的目的是消除熱過負(fù)荷故障，而非短路故障，其工作原理主要是根據(jù)接觸網(wǎng)電阻上流過的電流，計(jì)算出接觸網(wǎng)的發(fā)熱量，從而再根據(jù)接觸網(wǎng)的熱負(fù)荷特性及環(huán)境條件推算出接觸網(wǎng)的電纜溫度。當(dāng)測(cè)量的電纜溫度超過Talarm給出報(bào)警，超過Ttrip那么跳開給該接觸網(wǎng)供電的直流開關(guān)。開關(guān)跳開后，電纜逐漸冷卻，當(dāng)溫度進(jìn)一步下降，低于Treclosure，那么重新合上直流開關(guān)。第四十頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理第四十一頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理逆流保護(hù)當(dāng)整流機(jī)組、整流機(jī)組至直流開關(guān)柜間電源電纜發(fā)生故障時(shí)，設(shè)置逆流保護(hù)可防止外界向上述故障點(diǎn)反送故障電流?！巴饨绋暿侵竿欢沃袎耗妇€上的另一牽引整流機(jī)組及相鄰牽引變電所。整流機(jī)組某一臂整流二極管擊穿，且與其串聯(lián)的熔斷器未熔斷。此故障電流較大，也可以通過中壓斷路器的過流保護(hù)〔或是定時(shí)限過電流保護(hù)或是速斷保護(hù)〕動(dòng)作跳閘，并聯(lián)跳與本套整流機(jī)組相接的直流進(jìn)線斷路器，切斷外界的反送故障電流。第四十二頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理整流機(jī)組非整流二極管擊穿造成的直流側(cè)短路。如果是分散供電方式北京，由于中壓網(wǎng)絡(luò)過流保護(hù)定值較小，那么不必配置逆流保護(hù)。起因是當(dāng)?shù)毓╇姴块T限制了電源出口保護(hù)定值，不能按傳統(tǒng)的短路計(jì)算、校驗(yàn)靈敏系數(shù)等方法確定下級(jí)配電的保護(hù)定值，所以整流機(jī)組的中壓保護(hù)裝置的保護(hù)范圍延伸到了牽引變壓器二次側(cè)。第四十三頁，共四十九頁。622直流系統(tǒng)保護(hù)的原理整流機(jī)組電阻非常小，整流機(jī)組非整流二極管擊穿造成的直流側(cè)短路產(chǎn)生的故障電流傳導(dǎo)至中壓側(cè)，故障電流的變化很小，也就是說仍可以通過中壓斷路器的過流保護(hù)動(dòng)作跳閘。整流機(jī)組至直