论文部分内容阅读
摘要：城市轨道交通供电系统为车辆、车站及沿线所有设备提供电能。供电系统一旦送电，必须安全可靠地运行，否则将给轨道交通的安全可靠运行埋下严重的安全和事故隐患，危及乘客生命财产安全和社会稳定。因此，高度安全、可靠而又经济合理的电力供应是城市轨道交通安全、可靠运行的重要保证。本文主要对电流选跳在轨道交通供电系统中的应用进行了分析探讨。
关键词：电流选跳;轨道交通；供电系统；应用
中图分类号：U223.6文献标识码： A
引言
轨道交通供电系统主要负责提供车辆及供电设备的动力能源。一般包括两大部分，一部分为高压供电系统（外部电源），即城市电网；一部分为城市轨道交通内部供电系统。城市轨道交通供电系统主要是直流牵引供电系统，直流电牵引供电系统中的牵引变电所将三相高压交流电变成适合电动车辆应用的低压直流电。饋电线再将牵引变电所的直流电送到接触网上，电动车辆通过其受流器与接触网的直接接触而获得电能。
一、轨道交通供电制式
牵引网的供电制式主要包含电流制、电压等级和馈电方式，世界各国城市轨道交通均采用直流供电制式，这是因为城市轨道交通车辆功率相对城际列车是很小的，其供电距离较短，对供电电压要求不高。其电压在DC600V-DC1500V之间，我国规定采用DC750V和DC1500V两种。牵引网馈电方式分为架空接触网和接触轨两种基本类型。一般DC750V采用第三轨馈电方式，DC1500V采用架空接触网馈电方式。采用哪种供电制式必须根据城市具体条件与要求，综合分析论证，经测算采用DC750V与DC1500V供电方式单位工程成本接近，从经济上、运营维护的合理性以及备件的通用性等多方面考虑，选用DC1500V更有利一些。选择合理的供电制式要依据以下原则：（1）要与客流量相适应。城市轨道交通设计的基础为预期乘坐旅客流量。根据预测客流量选择合适的电动客车类型，一般大运量的城市轨道交通系统，多采用DC1500V电压，架空接触网馈电；中小运量的城市轨道交通系统多采用DC750V和接触轨馈电方式。比如上海、广州和大连采用DC1500V接触网馈电；长春轻轨采用DC750V接触网馈电。（2）供电要求安全可靠。城市轨道交通是城市公共交通系统中的脊梁，一旦发生故障，造成列车停运，就会影响市民生活，引起城市交通混乱。安全可靠是选择供电制式的重要条件之一。（3）牵引网使用寿命长，减少维修工作量，降低轨道交通运营成本。（4）根据城市人文景观、地理环境需要选择合适的牵引网。（5）便于安装和事故抢修。选用的牵引网应便于施工安装以及正常运营后的日常维修维护，一旦发生故障，尽快恢复运营。
二、传统环网保护配置方案及其不足
1、保护的级差配合
传统供电系统采用多分区、短环串的接线方式，向各牵引变电所、降压变电所或牵引降压混合变电所供电。为了满足正常运行时继电保护级差的配合，一般每3～4个车站变电所为一个小供电分区。为了保证保护的速动性，在环网两个变电所间设置差动保护;为了保证保护的选择性，又在每个变电所进出线上设置了过流保护。在供电系统每个供电分区内，主变电所的一条馈线要向供电分区内的各个变电所供电。以一个供电分区内有4个变电所的接线为例(见图1)，正常运行时两主变电所之间的联络开关打开，若过流保护定值按0．3s时间级差配合，从末端到主变电所低压母线进线开关的跳闸时间就需要1．8s。由于城市电力调度部门提供的主变电所33(35)kV侧母线的过流时间定值一般较短，所以会造成环网中变电所间保护的级差无法正常配合，或牺牲保护的选择性而压缩变电所间的配合级数。如果一个主变电所解列，由相邻主变电所支援供电时，支援的主变电所的供电区域会更大，各级变电所进出线的过电流保护时限配合就更加困难。为了满足不同运行方式的需要，两主变电所间环网上的保护装置需设置3组整定值，包括正常运行时定值、主变电所1解列时定值、主变电所2解列时定值，这给运营调度也带来诸多不便。如果电力调度部门给出的主变电所低压母线进线开关保护时限是1．5s，就无法实现保护级差的配合;当环网末端或环网中发生短路故障时，会造成越级跳闸，扩大故障范围。
图1正常运行时一个供电分区保护时限配合
2、速动性与选择性的矛盾
在城市轨道交通供电系统中，主变电所通过33(35)kV环网馈线向沿线的各个变电所集中供电，为实现保护的选择性，不同供电分区的各级断路器一般均需设置过电流保护，各级过电流保护之间在数值和时限上均有配合。为了保证选择性，距主变电所越近，保护动作时限反而越长，线路短路电流越大。实际上，跳闸时间应该越短越好，否则会对供电设备造成较大的短路冲击。因此，上述保护配置保证了选择性，却无法保证速动性。为实现保护的速动性，33(35)kV环网馈线一般设置差动保护作为主保护，过流保护作为后备保护。目前，国内外的差动、过流保护一般分别采用不同的保护装置。由于差动保护装置价格比较昂贵，且33(35)kV环网馈线的故障率相对来说并不大，所以差动保护的设置必然要提高工程的造价。
3、开关柜的母线保护
众所周知，差动保护是能够快速切断保护范围内任意一点故障的主保护。对于33(35)kV环网线路差动保护，保护范围只限于区间环网电缆故障，而开关柜的母线故障却无法切除，显然增加母线保护会增加投资。因此，在传统的保护配置中，过电流保护担当了母线故障的保护任务。然而，由于保护的选择性要求，过电流保护的时限较长，母线故障无法快速切除。
二、电流选跳保护原理
电流选跳保护是在电流保护的基础上、基于微机保护装置间的直接通信功能而提出的一种新型速动保护方案，它通过逻辑编程，对线路两端微机保护装置的电流保护动作与否进行比选，从而快速判别线路的故障区段，实现有选择性的快速跳闸。
1、环网选跳保护实现原理
电缆线路两侧的进、出线设有电流选跳保护装置，运行时两侧的保护装置各自检测本侧是否有过电流，通过两者间的通信光缆，确定是否有过电流信号进行互相交换。电流选跳保护装置收到对侧的信号后，在极短的时间内通过比选和逻辑编辑来判断出区内或区外范围的故障，以确定是否跳闸或闭锁跳闸。
2、母线选跳保护原理
将与母线相连的所有进出线、馈线保护装置联网，实现各装置的信息共享。当母线发生短路故障时，与母线相连的所有进出线、馈线只有一路进线存在短路电流，经过比选和逻辑编辑来确定故障区段而快速跳闸，实现母线保护功能。
三、城市轨道交通供电系统安全保障
1、建立健全的日常安全维护制度
对供电系统设备设施定期进行日常维护是保持城市轨道交通供电系统长周期的正常运行的基础。对各类设施设备及时维护保养，以减少随即故障的影响。从防灾、抗灾的角度来讲，日常安全维护制度还要确保牵引变电所内设备的完备性，灭火装置的充分性及可用性。
2、快速的轨道交通电网故障定位
城市轨道交通电力系统担负着安全、稳定、优质、不间断地向机车供电的重要作用，当轨道交通电力系统发生故障时，迅速准确的故障定位是轨道交通自动化的重要内容，也是实现轨道交通供电可靠性的重要保障。在城市轨道交通供电系统发生故障时能迅速准确地判断出故障区段。
3、提高城市轨道交通供电系统技术
在国内首次试验并应用的电流选跳保护新技术，针对轨道交通供电网络特点，采用快速的网络通信和逻辑判断技术，取代传统的双重保护配置的新理念，对故障实现快速切除，为轨道交通供电系统提出了一种新型、可靠的保护方法。
结束语
“大分区”环网接线方案是轨道交通供电系统的发展方向，电流选跳保护有效解决了传统保护配置在“大分区”环网接线方案中的保护级差配合及选择性与速动性的矛盾，并增加了对母线的保护，这种方案必将在城市轨道交通供电系统中广泛应用。
参考文献
［1］广州市地下铁道总公司．广州市轨道交通6号线(浔峰岗—香雪)供电系统36kVGIS采购项目招标文件［G］．广州，2010．
［2］广州市地下铁道总公司．广州市轨道交通6号线(浔峰岗—长湴)供电系统图纸［G］．广州，2012．
［3］高云霞，王立天．地铁供电系统电流选跳保护及方案优化［J］．现代城市轨道交通，2011(4):1-4．
关键词：电流选跳;轨道交通；供电系统；应用
中图分类号：U223.6文献标识码： A
引言
轨道交通供电系统主要负责提供车辆及供电设备的动力能源。一般包括两大部分，一部分为高压供电系统（外部电源），即城市电网；一部分为城市轨道交通内部供电系统。城市轨道交通供电系统主要是直流牵引供电系统，直流电牵引供电系统中的牵引变电所将三相高压交流电变成适合电动车辆应用的低压直流电。饋电线再将牵引变电所的直流电送到接触网上，电动车辆通过其受流器与接触网的直接接触而获得电能。
一、轨道交通供电制式
牵引网的供电制式主要包含电流制、电压等级和馈电方式，世界各国城市轨道交通均采用直流供电制式，这是因为城市轨道交通车辆功率相对城际列车是很小的，其供电距离较短，对供电电压要求不高。其电压在DC600V-DC1500V之间，我国规定采用DC750V和DC1500V两种。牵引网馈电方式分为架空接触网和接触轨两种基本类型。一般DC750V采用第三轨馈电方式，DC1500V采用架空接触网馈电方式。采用哪种供电制式必须根据城市具体条件与要求，综合分析论证，经测算采用DC750V与DC1500V供电方式单位工程成本接近，从经济上、运营维护的合理性以及备件的通用性等多方面考虑，选用DC1500V更有利一些。选择合理的供电制式要依据以下原则：（1）要与客流量相适应。城市轨道交通设计的基础为预期乘坐旅客流量。根据预测客流量选择合适的电动客车类型，一般大运量的城市轨道交通系统，多采用DC1500V电压，架空接触网馈电；中小运量的城市轨道交通系统多采用DC750V和接触轨馈电方式。比如上海、广州和大连采用DC1500V接触网馈电；长春轻轨采用DC750V接触网馈电。（2）供电要求安全可靠。城市轨道交通是城市公共交通系统中的脊梁，一旦发生故障，造成列车停运，就会影响市民生活，引起城市交通混乱。安全可靠是选择供电制式的重要条件之一。（3）牵引网使用寿命长，减少维修工作量，降低轨道交通运营成本。（4）根据城市人文景观、地理环境需要选择合适的牵引网。（5）便于安装和事故抢修。选用的牵引网应便于施工安装以及正常运营后的日常维修维护，一旦发生故障，尽快恢复运营。
二、传统环网保护配置方案及其不足
1、保护的级差配合
传统供电系统采用多分区、短环串的接线方式，向各牵引变电所、降压变电所或牵引降压混合变电所供电。为了满足正常运行时继电保护级差的配合，一般每3～4个车站变电所为一个小供电分区。为了保证保护的速动性，在环网两个变电所间设置差动保护;为了保证保护的选择性，又在每个变电所进出线上设置了过流保护。在供电系统每个供电分区内，主变电所的一条馈线要向供电分区内的各个变电所供电。以一个供电分区内有4个变电所的接线为例(见图1)，正常运行时两主变电所之间的联络开关打开，若过流保护定值按0．3s时间级差配合，从末端到主变电所低压母线进线开关的跳闸时间就需要1．8s。由于城市电力调度部门提供的主变电所33(35)kV侧母线的过流时间定值一般较短，所以会造成环网中变电所间保护的级差无法正常配合，或牺牲保护的选择性而压缩变电所间的配合级数。如果一个主变电所解列，由相邻主变电所支援供电时，支援的主变电所的供电区域会更大，各级变电所进出线的过电流保护时限配合就更加困难。为了满足不同运行方式的需要，两主变电所间环网上的保护装置需设置3组整定值，包括正常运行时定值、主变电所1解列时定值、主变电所2解列时定值，这给运营调度也带来诸多不便。如果电力调度部门给出的主变电所低压母线进线开关保护时限是1．5s，就无法实现保护级差的配合;当环网末端或环网中发生短路故障时，会造成越级跳闸，扩大故障范围。
图1正常运行时一个供电分区保护时限配合
2、速动性与选择性的矛盾
在城市轨道交通供电系统中，主变电所通过33(35)kV环网馈线向沿线的各个变电所集中供电，为实现保护的选择性，不同供电分区的各级断路器一般均需设置过电流保护，各级过电流保护之间在数值和时限上均有配合。为了保证选择性，距主变电所越近，保护动作时限反而越长，线路短路电流越大。实际上，跳闸时间应该越短越好，否则会对供电设备造成较大的短路冲击。因此，上述保护配置保证了选择性，却无法保证速动性。为实现保护的速动性，33(35)kV环网馈线一般设置差动保护作为主保护，过流保护作为后备保护。目前，国内外的差动、过流保护一般分别采用不同的保护装置。由于差动保护装置价格比较昂贵，且33(35)kV环网馈线的故障率相对来说并不大，所以差动保护的设置必然要提高工程的造价。
3、开关柜的母线保护
众所周知，差动保护是能够快速切断保护范围内任意一点故障的主保护。对于33(35)kV环网线路差动保护，保护范围只限于区间环网电缆故障，而开关柜的母线故障却无法切除，显然增加母线保护会增加投资。因此，在传统的保护配置中，过电流保护担当了母线故障的保护任务。然而，由于保护的选择性要求，过电流保护的时限较长，母线故障无法快速切除。
二、电流选跳保护原理
电流选跳保护是在电流保护的基础上、基于微机保护装置间的直接通信功能而提出的一种新型速动保护方案，它通过逻辑编程，对线路两端微机保护装置的电流保护动作与否进行比选，从而快速判别线路的故障区段，实现有选择性的快速跳闸。
1、环网选跳保护实现原理
电缆线路两侧的进、出线设有电流选跳保护装置，运行时两侧的保护装置各自检测本侧是否有过电流，通过两者间的通信光缆，确定是否有过电流信号进行互相交换。电流选跳保护装置收到对侧的信号后，在极短的时间内通过比选和逻辑编辑来判断出区内或区外范围的故障，以确定是否跳闸或闭锁跳闸。
2、母线选跳保护原理
将与母线相连的所有进出线、馈线保护装置联网，实现各装置的信息共享。当母线发生短路故障时，与母线相连的所有进出线、馈线只有一路进线存在短路电流，经过比选和逻辑编辑来确定故障区段而快速跳闸，实现母线保护功能。
三、城市轨道交通供电系统安全保障
1、建立健全的日常安全维护制度
对供电系统设备设施定期进行日常维护是保持城市轨道交通供电系统长周期的正常运行的基础。对各类设施设备及时维护保养，以减少随即故障的影响。从防灾、抗灾的角度来讲，日常安全维护制度还要确保牵引变电所内设备的完备性，灭火装置的充分性及可用性。
2、快速的轨道交通电网故障定位
城市轨道交通电力系统担负着安全、稳定、优质、不间断地向机车供电的重要作用，当轨道交通电力系统发生故障时，迅速准确的故障定位是轨道交通自动化的重要内容，也是实现轨道交通供电可靠性的重要保障。在城市轨道交通供电系统发生故障时能迅速准确地判断出故障区段。
3、提高城市轨道交通供电系统技术
在国内首次试验并应用的电流选跳保护新技术，针对轨道交通供电网络特点，采用快速的网络通信和逻辑判断技术，取代传统的双重保护配置的新理念，对故障实现快速切除，为轨道交通供电系统提出了一种新型、可靠的保护方法。
结束语
“大分区”环网接线方案是轨道交通供电系统的发展方向，电流选跳保护有效解决了传统保护配置在“大分区”环网接线方案中的保护级差配合及选择性与速动性的矛盾，并增加了对母线的保护，这种方案必将在城市轨道交通供电系统中广泛应用。
参考文献
［1］广州市地下铁道总公司．广州市轨道交通6号线(浔峰岗—香雪)供电系统36kVGIS采购项目招标文件［G］．广州，2010．
［2］广州市地下铁道总公司．广州市轨道交通6号线(浔峰岗—长湴)供电系统图纸［G］．广州，2012．
［3］高云霞，王立天．地铁供电系统电流选跳保护及方案优化［J］．现代城市轨道交通，2011(4):1-4．