直流牽引供電系統(tǒng)繼電保護整定計算方法.doc

專業(yè)知識分享版直流牽引供電系統(tǒng)繼電保護整定計算方法 摘 要：分析了地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的故障特征和直流牽引系統(tǒng)的饋線保護配置及原理，提出了直流牽引供電系統(tǒng)饋線保護的整定計算方法。 關(guān)鍵詞：地鐵；直流；保護；整定計算 0 引言 直流保護對地鐵直流牽引供電系統(tǒng)運行的安全性和可靠性起著極其重要的作用。由于直流牽引供電系統(tǒng)和直流保護自身的特殊性，保護的整定計算復(fù)雜、配合困難，且沒有成熟的計算方法可以參考借鑒，如何才能得到理想的直流保護定值是地鐵供電系統(tǒng)繼電保護工作者長期以來的研究課題。 1 直流短路故障特性 地鐵直流牽引供電系統(tǒng)由整流機組、直流開關(guān)柜、直流電纜、牽引網(wǎng)等部分組成。直流系統(tǒng)的短路分析方法是 RL 回路的暫態(tài)響應(yīng)分析，基本理論是戴維南定理與疊加定理，短路電流 I = U(1-e-t/)/R（時間常數(shù) = L/R），di/dt = Ue-t/L。直流短路的顯著特征之一是回路電阻和電感參數(shù)的大小對短路電流的大小和特性影響非常大，因此接觸網(wǎng)近、中遠端的故障電流特性有很大差別。 1.1 饋線近端短路特性 短路點距變電所越近，電流上升率越大，短路電流也越大。當接觸網(wǎng)發(fā)生近端短路時，預(yù)期短路電流峰值一般可達 80 kA 以上，初始電流上升率di/dt 可達 5 kA/ms 以上，如不快速切除，短路電流將在極短時間內(nèi)上升到最大值，對系統(tǒng)和設(shè)備造成極大危害，因此必須在短路電流達到峰值之前快速切除。牽引變電所近端短路特性如圖 1 所示。 1.2 中遠端短路特性 中遠端的短路電流，由于線路電感的作用，值增大，短路電流變化相對緩慢，初始上升率較小，中遠端短路特性示意圖略。 2 饋線的保護配置及原理 2.1 保護配置方案 由于近端和中遠端的短路故障特性差異較大，單一的一種保護難以兼顧速動性與選擇性的要求，需要根據(jù)直流系統(tǒng)近端以及中、遠端的故障特征分別配置相應(yīng)的保護。直流饋線配備如下保護：大電流脫扣保護（斷路器本體 DA 保護）；I、di/dt 保護；熱過負荷保護；雙邊聯(lián)跳保護。其中最重要的是大電流脫扣保護和 I、di/dt 保護，兩者分別作為接觸網(wǎng)近端和中遠端的主保護。 2.2 保護原理 直流快速斷路器本體的大電流脫扣保護，作為接觸網(wǎng)近端短路的主保護，采用磁脫扣原理，其機械響應(yīng)時間和全分斷時間（燃弧熄滅時間）均與電流變化率有關(guān)，當直流短路電流上升率達到5 kA/ms 時，直流快速斷路器的機械響應(yīng)時間只有34 ms，全分斷時間（燃弧熄滅時間）為 25 ms左右。斷路器能在短路電流達到峰值之前快速切斷以限制短路電流。近端短路斷路器分斷電流波形如圖 2 所示。 對于中遠端短路故障，由于短路電流上升率di/dt 較小，大電流脫扣保護動作時間相對較長，靈敏度也不高，直流饋線配備采用微處理器構(gòu)成的反應(yīng)電流增量的 I保護和電流上升率的 di/dt 保護，分別作為接觸網(wǎng)中、遠距離短路故障的主保護。 I保護是在電流上升率 di/dt 高于整定值的條件下檢測電流增量，在到達峰值電流之前檢測到短路。當 di/dt 高于整定值，保護裝置啟動，并開始計算 I，保護裝置啟動時刻的電流作為基值。達到 I 延時后，若 I達到 I整定值（ Itrip），則保護裝置動作。 I 保護裝置動作特性及跳閘邏輯如圖 3所示。圖中曲線 2 和曲線 3 滿足動作條件，保護裝置判斷為故障，動作跳閘；曲線和 4 都不滿足動作條件，因此不跳閘。 di/dt 保護通過檢測 di/dt 檢測到遠端短路。當di/dt 高于整定值，保護裝置啟動，若 di/dt 持續(xù)超過定值一段時間（di/dt 延時）后，則保護出口跳閘。di/dt 保護裝置動作特性及跳閘邏輯如圖 4 所示。圖中第 1 種情況滿足跳閘條件，出口跳閘；第 2 種情況不滿足跳閘條件，因此不跳閘。 不同廠家的保護裝置動作原理和整定參數(shù)稍有不同，但沒有本質(zhì)差別。 3 整定配合計算方法 整定值是否適用是直流保護裝置能否發(fā)揮作用的關(guān)鍵因素之一。為得到理想的保護定值，必須進行短路計算和保護校核計算。 3.1 直流短路計算 短路計算目的是確定直流饋線保護定值并進行靈敏度校驗。主要計算直流牽引供電系統(tǒng)在各種運行方式下接觸網(wǎng)-回流軌和接觸網(wǎng)-架空地線短路在某一時刻的短路電流 I 及其變化率 di/dt。采用的基本理論和方法是戴維南定理與疊加定理，及 RL動態(tài)回路的暫態(tài)響應(yīng)分析方法。短路計算的關(guān)鍵是回路總電阻 R 和總電感 L 的確定。因接觸網(wǎng)-回流軌和接觸網(wǎng)-架空地線 2 種故障的短路電流流回牽引變電所的路徑不同，R 和 L 的計算有所不同。 3.2 饋線保護的整定計算 3.2.1 大電流脫扣（DA 直接脫扣保護）整定 （1）首先按躲開饋線最大負荷電流計算整定初值。 （2）為保證選擇性，DA 定值還應(yīng)與相鄰供電區(qū)間近端短路時的保護配合，不致越區(qū)跳閘。 （3）供電臂兩側(cè)的饋線保護定值應(yīng)相同。取同時滿足以上幾個條件的最大值作為饋線的 DA保護定值。 3.2.2 di/dt 保護（di/dt、di/dtduration）整定 （1）di/dt 初始定值。該值應(yīng)大于機車啟動時的最大電流變化率，同時應(yīng)小于越區(qū)供電時區(qū)間末端短路 t 時刻的短路電流變化率 di/dtt=di/dt duration。 （2）延時時間（di/dtduration）定值。di/dt 保護范圍至下一相鄰供電區(qū)間末端，為保證選擇性，其延時時間應(yīng)與相鄰供電區(qū)間的保護配合。同時，還應(yīng)考慮機車內(nèi) LC 濾波回路充電時（如受電弓的離線導(dǎo)致濾波器充電）可能引起的 di/dt 保護裝置誤動。di/dt 延時時間定值應(yīng)大于 T/2（T 為濾波回路充電電流變化率的諧振周期），T=2 （L 為濾波回路與線路的總電感）。取上述 2 種計算結(jié)果中的較大值作為延時時間的定值。 3.2.3 I保護整定 I保護整定的主要參數(shù)為 di/dt、 I、 Idelay、di/dtduration。其中 di/dt、di/dtduration為 I保護元件的參數(shù)，不同于 di/dt 保護元件的參數(shù)。 I保護同樣要考慮與機車特性配合，躲過機車啟動或機車濾波器充電導(dǎo)致的 I保護裝置誤動。另外為保證選擇性，還要考慮與相鄰供電區(qū)間的保護配合，不致越區(qū)跳閘。在該原則下，不同廠家的 I 保護可以有多種整定方法，可以用 I定值配合，也可用 di/dt 定值配合（若 I保護元件的 di/dt 與di/dt 保護元件的 di/dt 可單獨整定），也可用 I延時時間（ Idelay）配合，不論用哪種方法整定， I和 di/dt、 Idelay定值之間是相互關(guān)聯(lián)的。 （1）用 I定值與相鄰供電區(qū)間保護配合： a.di/dt 定值。di/dt 定值可與 di/dt 元件的 di/dt定值相同，也可高于該值。 b. I 定值。第 1 步，首先按躲開機車濾波器最大充電電流整定；第 2 步，與大電流脫扣的 DA定值相似，與相鄰供電區(qū)間近端短路時的保護配合。 I 定值取上述 2 個計算結(jié)果的較大值。 c. I 延時時間（ Idelay）定值。由于 I 定值已考慮了配合， I delay取值可以盡可能的小，一般取13 ms 即可。 （2）用 di/dt 定值與相鄰供電區(qū)間保護配合。用該方法整定的前提條件是 I元件的 di/dt 與 di/dt元件的 di/dt 可單獨整定： a. I 元件的 di/dt 定值。di/dt 躲開區(qū)間末端短路電流初始變化率。 b. I定值。由于 di/dt 已考慮了與相鄰區(qū)間的短路配合， I 定值可不必再考慮與相鄰區(qū)間的保護配合，僅按躲開機車牽引濾波器最大充電電流整定即可。 c. I 延時時間（ I delay）定值。由于 di/dt 定值已考慮了配合， I delay取值可以盡可能的小，一般取 13 ms 即可。 （3）用 I delay與相鄰供電區(qū)間保護配合。di/dt定值按躲開機車啟動、 I定值按躲開機車牽引濾波器最大充電電流整定， I delay與相鄰區(qū)間短路保護配合， I delay取 40 ms 即可。 3.2.4 熱過負荷保護 根據(jù)接觸網(wǎng)和饋線電纜的熱特性及其載流量進行整定，不需與其他保護配合，在此不做贅述。 3.3 饋線保護定值的校核 初始定值確定后，應(yīng)在系統(tǒng)所有運行方式下對保護裝置進行校核計算，驗證各種保護的保護范圍和靈敏度，確保配置的保護系統(tǒng)能夠相互配合，對直流供電系統(tǒng)實現(xiàn)全范圍的有選擇性短路保護。 4 結(jié)束