张鑫 ZHANG Xin
（中国铁建大桥工程局集团有限公司，天津 300300）
摘要： 地铁直流牵引供电系统控制及保护装置是直流系统的核心组件。控制及保护装置的准确性、快速性特点的是关系到地铁安全运营的重要前提。而且，保护装置故障录入功能更是为设备及线路故障排查和管理提供了更有力、更科学的依据。本文结合地铁建设及国内现行设备的主要特点，重点阐述地铁直流牵引供电系统控制及保护装置（DCP保护系列）的功能管理及直流系统短路试验的录波分析。
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关键词 ： 地铁；直流牵引供电系统；控制及保护装置；短路试验
中图分类号：TM922.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）24-0126-04
作者简介：张鑫（1983-），男，河北泊头人，毕业于黑龙江科技大学，研究方向为地铁机电安装、供电、通信方面。
0 引言
近年来，随着城市轨道事业的蓬勃发展，以往的地铁直流牵引供电系统控制及保护装置的性能及技术特点已不能完全满足地铁运行的全部要求。新型设备的研发、应有已形成行业不可逆的发展形势。
目前，国外厂家依靠其雄厚的技术实力几乎占据了整个国内城市轨道交通市场。国外研制开发的直流继电保护装置主要有Adtranz 公司的 DCP 106 型继电保护装置， WHIPP&BOURNE 公司的 MTR-10、MTR-20、MTR-30 等型号的继电保护装置, SIEMENS 公司的SITRASDPU96型继电保护装置以及 Secheron 公司的 SEPCOS 继电保护装置等。上述装置都已经发展了多代产品，本文将详尽阐述、研究DCP 106 型继电保护装置的功能管理及直流系统短路试验的录波分析。
1 系统简介
国内现行牵引供电系统多采用DC750V和DC1500V两种电压等级。在正常运行时，两套整流机组并联运行，牵引网越区隔离开关打开，相邻的两座牵引变电所构成双边供电方式，共同向其供电范围内的接触轨供电。
运营初期和近期，当其中一套整流机组发生故障时，另一套整流机组在其允许的负荷能力情况下，可维持向接触轨提供电源。
运营远期，一套整流机组发生故障时，另一套整流机组同时退出运行，该牵引变电所解列，与其相邻的两座牵引变电所通过故障所处的接触轨越区隔离开关，共同对退出运行的牵引变电所供电范围的电动车组进行大双边越区供电。
当正线任一座牵引变电所解列时（不含线路端头的牵引变电所），由相邻的两座牵引变电所越区构成“大双边”供电。
当线路端头牵引变电所解列时，由相邻的牵引变电所单边供电。见图1。
2 保护及控制装置
2.1 保护及控制装置的功能
①独立过电流保护。此保护功能显示一条确定的不受时间影响的特性曲线，它的作用是防短路电流。
②热反向保护和过电流保护。此保护功能显示过电流和热反向保护特性曲线，它的作用是防止配电设备热过载、防止馈电线路段产生过电流。
③上升变化率保护。由于上升变化率保护具有上升有关（di/dt）和变化有关（ΔI）的限流功能，所以它提供了更广泛的保护。
④电缆监视。检测电力电缆的绝缘故障。可以对电力电缆实施同步和独立监控。
⑤线路测试。在合闸直流断路器前，综合线路测试功能承担检测线路段是否存在短路故障。如果线路段存在故障和异常，线路测试也会自动重合闸直流断路器。
⑥事件分析和记录功能。
综合事件功能允许连续分析各类故障：
信息存储器按时间顺序记录出现的告警和故障信息。
如果发生脱扣，则记录实际信号和测得数值。
2.2 通讯网络接口
鉴于行业发展的趋势和通信网络稳定运行等特点，直流系统通信方案采用光线以太网网络。见图2。
其网络有以下优点：
①大大降低了通信控制器的复杂程度和CPU负载；
②讲不通通信网络转换为统一的通信接口，管理更为简单；
③网关将不同间隔层的设备影响降到了最低；
④网关将间隔层设备自身的通信网络故障隔离在网关意外，不会影响到铜线控制器的工作。
3 控制及保护装置功能管理
由于控制机保护系统的配置全面，为实际系统运行提供了广泛的可选空间。所以，一下将详尽阐述保护装置一些常备的重要功能管理内容。
3.1 独立过电流保护
带定时限特性曲线的独立过电流保护功能是用来保护馈电线路段免受短路电流的影响。
变送器测量线路工作电流。见图3。
如果测得的线路电流超过整定值I>>，则保护功能动作并起动延时段。如果延时t>>段后（保护功能）动作状态仍存在，则生成一个使脱扣逻辑电路动作的脱扣指令。
为了选择与方向有关的保护功能，可分别调整馈电电流和再生电流的保护动作整定级。
3.2 上升变化率保护
上升变化率保护是通过限制与上升（di/dt）有关的和与变化（ΔI）有关的电流来保护馈电线路段。
在这种情况下，上升率保护充分利用线路段的物理性能。稳态短路电流和时间常数的大小与短路环线长度的变化有关。也就是说，短路环线（远端短路点）越长，稳态短路电流越小，时间常数越大。
从线路段的这种特性曲线来看，合成短路电流有一个与电流上升（di/dt）和电流变化（ΔI）有关的特定范围。见图4。
根据线路段的物理性能，下列任务可以归入上升率保护：
①早期切断大短路电流；
②区分工作电流和短路电流，并切断短路电流。
上升率保护通过一个变送器对检测到的线路段工作电流进行评估分析，如果超过整定值，则生成一个使脱扣逻辑动作的脱扣指令。
从电流上升保护的特性曲线中可以推断出保护功能的脱扣与测得电流起始上升率（di/dt）和最低电流变化（ΔI）有关（即三者之间的函数关系）。
保护系统动作之后，在INS信道（特性曲线的右侧-瞬时信道的工作范围）或者在DEL信道（特性曲线的左侧-延时信道的工作范围）对测得的电流进行评估分析。
保护特性曲线两个工作范围之间的界限取决于测得电流的起始上升率（di/dt）。如果起始上升率（di/dt）高于设定的di/dt ins点，则在INS-信道（瞬时信道）进行评估分析；如果起始上升率（di/dt）低于设定的di/dt ins点，则仅在DEL（延时信道）范围进行评估分析。
保护特性曲线的灵敏度可以分别确定，用设定dl del确定DEL信道的灵敏度，用设定dl ins确定INSL信道的灵敏度。
DEL信道是用来区分远离变电所的工作电流和短路电流，变电所的电流变化（ΔI）和上升率（di/dt）相对较小。
INS信道是用来检测位于变电所近端的且上升率（di/dt）大的短路。
INS信道的脱扣。见图5。
INS-信道应能早期检测多半位于变电所近端的而且电能高的短路，并能快速反应使直流断路器脱扣。早期检测的目的是减少直流断路器的通态电流，从而降低开关的磨损。
当被测电流的电流上升（di/dt）超过设定的di/dt ual时，则使INS信道的上升率保护动作。同时从保护动作瞬间起连续不断确定合成电流的变化（ΔI）。
如果测得的电流变化（ΔI）超过设定的dl ins，则立刻生成一条使脱扣逻辑动作的脱扣指令。
DEL-信道的脱扣：
上升率保护中，INS-信道用于检测发生在近端的各种短路；DEL信道用于检测发生在远离变电所的各种短路。
当被测电流的电流上升率低于设定di/dt ins点时，会启动DEL信道的上升率保护。保护启动瞬间时的实际电流可作为以后检测合成电流变化（ΔI）的基值。
在电流上升率下降或下跌后以及在增加延迟时间t del后，如果被测电流变化（ΔI）超过设定dl del点，则生成一条使脱扣逻辑动作的脱扣指令。
从图6可以看出，在t del时间段，可以抑制意外脱扣，特别是对电流到达峰值之后趋于下降的电流曲线来说更是如此。
3.3 线路测试
一般来说，直流牵引电网线路段的供电是利用直流断路器由开关柜提供，而直流断路器的通/短功能可以通过线路测试来完成。见图7。
合闸直流断路器前，由线路测试功能测试线路段以确保通过一系列测试后线路段已无短路。为了确定线路段是否存在短路现象，线路测试功能承担分析待测线路段的电阻值。为此，在直流断路器两端并联一个电阻测试回路，通过它向待测线路段短时施加电流。了解测试回路的测试电阻与线路段的剩余电阻后，确定如何自调测试电流。分析测试电流和线路段上合成电压降来推算剩余电阻。
根据下式得到测试值：
4 系统短路试验
在直流系统的短路试验测试中，检测控制及保护装置的性能，更是通过装置本身的故障录入功能实现对故障的深层次分析及处理。
4.1 试验准备
根据直流牵引系统的供电原理，选择供电分段。检测供电分段内直流馈线隔离开关和断路器的位置是否满足试验要求，做好安全防护。
4.2 试验接线
①试验区段供电分段示意图如图8。
②短路试验接线示意图如图9。
③短路试验接线示意图如图10。
4.3 波形分析及数据整理与计算
试验结束后，同过保护及控制装置与调试计算机的数据录入，把相关试验数据进行整理分析。现以一既有试验为例。见图11、图12。
最大短路电流估测值：Imax=11000KA
开关的开断时间估测值：T=98.7ms
直流母排的电压实测值：Ud=-430V
根据波形分析得，此设备在短路瞬间短路电流达到峰值。动作时间在标准范围内延时启动断路器分闸动作。
5 结语
基于我国城市轨道交通事业的蓬勃发展趋势，对现行直流保护装置的研究更需深入进行。尤其在轨道交通供电工程施工及委托管理阶段，施工单位是否有能力确保系统的安全运行，绝对取决于对设备保护及控制装置的掌握程度。这就要求我们在未来的施工及管理过程中，要深入研究、切实掌握、紧跟技术潮流。只有这样才能在工程建设施工管理中取得领先地位。
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参考文献：
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