摘 要：本文针对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调研。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。课题成果可对地铁线路中的短路故障分析提供指导意义，同时探索了提高地铁供电系统与车载断路器的动作特性配合可靠性的研究方向。
关键词：地铁供电系统；车载断路器；动作特性；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。而列车车载高速断路器作为牵引供电系统的下级负荷开关，应该与供电系统的保护配置充分匹配，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调研分析
2.11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：
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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。
2.2.1 线路时间常数40ms下的短路分析
当线路常数为40ms时，3000A预期短路电流的波形及相对应的电流上升率波形见图1及图2：
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图中，短路起止点为坐标轴0点，一些关键点的电流值及其上升率对应于时间的列表见表2：
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3 短路保护数据分析
通过对1号线各项保护配置的整理，以及不同时间常数下的短路电流曲线计算，可以对供电系统变电所以及车载断路器的动作情况分别进行模拟分析。
3.1线路时间常数40ms下的保护启动情况
当线路常数为40ms时，3000A预期短路电流下的曲线数据与1号线配置的保护定值分别进行对比计算，确定车载断路器和变电所馈线的保护动作过程，分析保护动作的优先级。
3.1.1车载断路器动作过程
短路开始后24ms，短路电流幅值达到1800A，对应的电流上升率为56A/ms。此时高速断路器大电流脱扣开始动作。在56A/ms的电流上升率下，断路器大电流脱扣的固有动作时间大于7ms，在此假定为20ms（UR6断路器大电流脱扣特性见图5）。大电流脱扣完成动作后再经过约10ms的延时，电流开始下降。
即故障电流从起始到下降的时间为：24+20+10=54ms。
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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99A/ms>20A/ms，保护启动；在65ms时，电流上升率回落至20A/ms，保护进入60ms延时；125ms时延时结束，此时电流增量为3824A>2000A。保护动作条件满足，保护出口跳闸。
即故障电流从起始到变电所保护出口跳闸时间为：125ms。
3.1.3保护配合情况
由此可见在40ms时间常数下，车载断路器能够在变电所保护装置出口跳闸前切断短路电流，避免变电所断路器跳闸。保护特性配合良好。
3.2 线路时间常数100ms下的保护启动情况
当线路常数为100ms时，3000A预期短路电流下的曲线数据与1号线配置的保护定值分别进行对比计算，确定车载断路器和变电所馈线的保护动作过程，分析保护动作的优先级。
3.2.1车载断路器动作过程
短路开始后92ms，短路电流幅值达到1800A，电流上升率为12A/ms。此时高速断路器大电流脱扣开始动作。在12A/ms的电流上升率下，断路器大电流脱扣的固有动作时间远大于7ms，在此假定为40ms（UR6断路器大电流脱扣特性见图5）。大电流脱扣完成动作后再经过约10ms的延时，电流开始下降。
即故障电流从起始到下降的时间为：92+40+10=142ms。
3.2.2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。
3.2.3保护配合情况
由此可见在100ms时间常数下，车载断路器无法在变电所保护装置出口跳闸前切断短路电流，变电所断路器跳闸无法避免。由于变电所直流断路器配置有间接脱扣（电容脱扣）装置，跳闸时间仅需4-5ms，将会发生变电所直流断路器跳闸而车载断路器不跳闸的情况。保护特性配合存在问题。
4 结论
通过对1号线不同工况下的短路数据进行分析计算，发现在40ms时间常数下的偏近端短路时，车载断路器合变电所馈线保护特性配合性良好；但在100ms时间常数下的偏远端短路时，车载断路器合变电所馈线保护特性配合性不佳，可能会导致故障范围的扩大，不能有效实现继电保护的选择性要求。为了提高供电系统的可靠性，后续应考虑对保护功能采取进一步的优化。
5 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
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