城市轨道交通供电系统建模与直流馈线保护研究

城市轨道交通供电系统建模与直流馈线保护研究

李广元

天津凯发电气股份有限公司天津市300392

摘要：随着我国社会经济的飞速发展，仅仅依靠城市的地面已经不能够符合人们日渐增强的出行要求，而此时城市轨道交通则成为了对城市交通问题进行缓解的良好措施。但是在城市轨道交通不断发展的过程中，其供电系统还是存在着一定的问题。在本文中，将就城市轨道交通供电系统建模与直流馈线保护进行一定的分析与研究。

关键词：城市轨道交通；供电系统建模；直流馈线保护；

1.引言

在我国现今社会中，人们的出行越来越依靠城市轨道交通，其也正式成为了人们出行的一种主要方式。而在轨道交通中，其供电系统中馈线保护装置的合理性、安全性将直接对轨道的安全运行产生重要的影响。其能够有效的防止列车在运行过程中出现过负荷以及短路的问题发生，并在列车发生故障时及时的对故障切除，从而对旅客、列车的安全进行保证。这就使得对直流馈线保护的应用成为了人们最需要关注的问题。

2.城市轨道交通发展现状

我国城市轨道交通建设起步晚，但是近十几年的发展十分迅速，2000年我国只有北京、上海、广州三个城市有轨道交通线路，到2016年开通了轨道交通的城市已经上升至30个，我国大陆建成并通车的轨道线路合计已超过4100km，未来几年我国城市轨道交通建设将会达到高峰，预计到2020年，全国会有将近50个大、中城市拥有城市轨道交通，总里程超过7000km，更多的现代化大都市将不断地加入到城市轨道建设中来，我国轨道交通行业已经进入一个跨越式的发展新时期，而我国也将成为世界上最大的城市轨道交通市场。

3.中压网络的组成和结构概述

要切实地做好中压网络相关工作，首先应深刻了解并掌握中压网络的组成和结构，以便于中压网络电压等级的合理选择。

3.1中压网络的组成

城市轨道供电系统中的中压网络，即由两条以上与城市轨道交通线路平行敷设的电缆线路构成。中压网络是城市轨道交通供电系统的重要组成部分，其所发挥的作用可从两方面来讲：一是，具有将纵向上级主变电所与下级牵引变电所、降压变电相互连接的作用；二是，具有将横向各个全线牵引变电所与降压变电所相互连接的作用。中压网络，从实质上讲，是城市轨道交通供电系统中唯一具有电能传输作用的通道。在正常的工作中，应有效确保中压网络中的每个回线电缆容量的有效性。

3.2中压网络的结构

中压网络的组网结构，通常是根据城市轨道交通供电系统外部电源的供电方式而定。城市轨道的交通供电系统按供电的形式可分为集中供电和分散供电，其中集中供电一般选用树形结构的中压网络；

就目前来看，多数城市轨道交通供电系统采用集中供电方式，因此决定了中压网络的树形结构。树形结构的中压网络，具有形式种类多、灵活性高等特点。通常情况下，树形结构的中压网络按用电负荷性质可分为混合网络构架和独立网络构架两种，其中混合网络构架具有结构简单、投资较小和利用效率高等优点，独立网络构架供电质量高，但资金投入较大。对此，应根据中压网络的用电负荷性质和具体的实际情况，选用合适的网络构架。

4.城市轨道交通供电系统中压网络电压等级的选择

城市轨道佳通供电系统中，中压网络电压等级选择的合理与否，将影响到整个供电系统的正常运营，包括其供电质量、资金投入及系统接线等诸多问题。目前，我国常用的中压网络电压等级分别为10kv、20kv和35kv，其中20kv和35kv为国际标准电压。通常来讲不同电压等级的中压网络，具有不同的特点：10kv的中压网络属我国标准电压等级，适合于输电容量小、距离短的中压网络，具有操作灵活、构成保护简单及资金投入小等特点，普遍应用于国内外的地铁交通中；20kv的中压网络适合于输电容量、输送距离适中的中压网络，具有车站体量小、土建投资少且操作灵活，国外地铁多采用20kv等级中压网络；35kv的中压网络，适用于长距离、大容量的电能输送，截至目前我国广州、上海等地以采用此电压等级的中压网络。

5.城市轨道交通直流馈线保护方式

5.1大电流脱扣保护

对于大电流的保护来说，应当按照定制对馈线的峰值电流进行设定，且该设定的值应当同机车电流的最大值不重复，并对相应的安全系数进行考虑。

5.2电流变化率保护

电流变化率保护通过电流的变化率（di/dt）和DI来实现保护功能。

电流变化率保护利用线路的物理特性来做到这一点。短路电流大小和时间不断的变化关系同故障点位置有关，距变电所越近，短路电流变化率越大，在相对较长的短路回路（远端短路）中，短路电流变化率会相对较小。

由于线路的这一特点，短路电流的情况会依据电流的变化率（di/dt）和变化量（DI）有一个特定的范围。

从线路物理性质的来看，下面的任务可以被应用到保护功能上：

·尽早处理较大的短路电流。

·有效区分小的短路电流和负荷电流。

DEL段被用来作为离变电站较远距离内检测短路。

在测量电流的变化率（di/dt）大于设定di/dt_del的情况下，DEL会被启动。启动时的电流被作为检测电流变化量（DI）的起始值。

如上图所示，启动后电流变化率会随着故障的持续而逐渐减小，当电流变化率减小至与设定di/dt_del相等时，计数器开始计时，计时时间达到设定值t_del，计算电流变化量（DI），若超过设定dI_del，则保护跳闸。

计时器t_del在这种情况下，可以躲过不必要的跳闸（例如，当车辆通过一个分相），尤其是电流达到峰值后的迅速减小的负荷特性。

5.3定时限过流保护

当直流馈线的△I以及di/dt都不能进行有效的保护动作时，就需要相应的电流保护作为以上几种保护方式的备用保护。而为了对这个范围进行扩大，则应当尽可能的将过电流保护的值设置小，而时间则应当尽可能的大，这个值的理想值就大于上述两者的保护延迟时间。同时，还应当对接触网的相关特性进行考虑，通常来说，对电流进行设定时应当以馈线的最大承受负荷进行计算，而延迟时间则应当以机车运行时的时间曲线以及电流峰值时间来进行确定。

6.结束语

在上文中，我们通过对城市轨道交通中的供电系统建模与直流馈线保护进行一定的分析，并对其中需要重点把握的关键之处进行了一定的了解，从而为我国城市日后的支线馈线保护装置的良好运行以及优化提供了一定的理论基础。

参考文献

[1]王蛟.城市轨道交通供电系统35kV母联主动式自投方案研究[J].城市轨道交通研究.2011（02）：49-55.

[2]张颖，张海波.城市轨道交通供电系统中压网络的潮流分析[J].城市轨道交通研究.2010（08）：43-48.