论文部分内容阅读
摘 要：现代社会科技化进程的不断加快，在为供电系统的发展提供坚实基础的同时，也使得人们对于供电安全问题的关注不断上升。直流保护装置作为供电系统的重要防护设备，其整定参数的计算在一定程度上影响了保护装置的运行效率。为此，相关单位应结合直流系统的实际运行情况，对保护装置的整定数值进行准确计算，为电力系统的安全运行夯实基础。
关键词：短路故障特性；整定参数；大电流脱扣
直流保护装置的合理应用，在一方面可以降低故障电流对供电系统安全运转的不利影响，控制故障影响范围；另一方面也能够提升系统运行的稳定性与可靠性。但在直流牵引的实际供电过程中，由于保护装置的使用特性与故障电流的位置不同，使得保护装置的整定值计算存在一定的难度。在此基础上，本文从触电网故障电流发生位置的不同，电流上升速率、电流数值的差异等方面出发，对保护定值的科学计算方式进行系统的阐述。
一、直流供电系统的故障特性
直流牵引系统主要构成部分包括：整流机组、牵引网、直流开关以及电缆等几部分。分析故障发生原因的主要方法是暂态响应法，其基本的理论依据来源于戴维南、叠加定理。回路电阻以及电感参数对短路断流的重要影响是直流短路故障的主要特性之一，因此，故障电流所处位置不同，短路特性也有所差别，接触网的近端与中远端的短路特性就有着较大的差别。
1、近端短路故障的特性
如果线路的短路故障发生在变电所的近端位置，则电流的上升幅度越大，所流经的短路电流也相应增强。接触网的近端部分出现短路情况，短路电流的预期值能够达到80kA以上，而电路初始数值的上升率超过5kA/ms。在这一过程中，如果无法快速的切断短路电流，电流将会在短时间内达到峰值，不仅会对供电设备与系统造成较大的危害，还会在一定程度上降低供电系统的安全系数，引发事故。为此，应在短路电流上升到最大值之前，及时开启保护装置，切断电流。实际的短路当电流变化如图一所示，电流在极短的时间内达到曲线顶端。
2、中远端短路故障的特性
在供电系统中，距离接触网较远的短路电流由于输送线路的电感作用τ值会出现加大的情况，因此，短路的电流数值变化相对缓和，初始阶段的电流上升率较低，对直流设备的影响相较于近段电流小。
二、保护装置的方案设计及技术原理
1、保护装置的方案设计
根据馈线近端与中远端线路故障的特性差异，单一的几点保护装置很难实现对供电系统的全面防护，在此基础上，为兼顾供电系统防护装置速动性与安全性的需求，需要根据馈线位置的不同分别设置保护装置。主要的馈线保护设备主要包括以下几种：大电流脱扣保护（断路器本体DA保护）；△I、di/dt保护；热过负荷保护；双边联跳保护。其中，脱扣防护装置以及△I、di/dt装置是防护的关键，分别为馈线近端、中远端防护的主装置。
2、继电保护配置的技术原理
大电流脱扣的防护装置是一种直流短路设备，主要作用于馈线近端的短路电流，作为主保护系统，采用的是磁脱扣的技术原理，根据电流变化程度，实现机械响应或者全分段时间，一旦短路电流的速率超过5kA/ms临界值时，断路器的机械响应时间为三到四秒之间，燃弧熄灭的时间达到了二十五秒左右。大电流脱扣的防护装置可以在短路电流到达顶点前切断电路，在限制电流数值的同时，降低故障造成的影响。与此同时，对于馈线中远端的故障问题，由于电流的上升的速率相对较小，大电流脱扣装置的的反应时间过长，断电效果不强，因此主要采用微控制处理器来对短路电流进行限制。具体来讲，主要通过△I、di/dt进行防护，△I反应电流的数值，di/dt反应电流的上升速率，两者分别是馈线中、远端防护装置的主保护系统。
（1）△I保护装置
△I保护技术是当di/dt超过整定值时，检测电流实际增量，通过增量的变化对电路电路情况进行检测的技术。一旦电流上升的速率超过标准值，△I保护将启动保护装置，并以此为基础计算△I，装置启动时刻测算的电流为基础数值。达到？I延时后，若△I达到△I整定值（△Itrip），则保护装置动作。
（2）di/dt保护装置
di/dt保护装置主要是通过对di/dt的检测，对远端短路电流进行控制。如果di/dt超出整定值，启动di/dt保护装置，如果di/dt的持续时间超过定值，保护装置出口将会跳闸。
尽管不同供电单位保护装置的实际工作原理与整定值的设定有所不同，但基本的技术要点大致相同。
三、整定参数的计算
整定参数的计算是直流供电保护装置能否有效控制短路电流的决定性因素，为保证整定值计算的科学性与合理性，应通过短路计算与校核计算来得到精准的整定参数。
1、短路计算
短路计算的根本目的在于确定馈线的相关保护定值以及保护装置的灵敏度。计算的主要内容包括计算牵引供电程序在接触网以及回流轨、接触网和架空地线之间运行时产生的短路电流及电流的上升速率。通过戴维南、叠加定理，分析RL动态回路的实际情况。在计算的过程中，关键点在于总电阻、总电感的计算、确定。由于接触网与回流轨、架空电线两种短路电流运行的路径不同，因此总电阻与总电感的计算方式也有所差别。
2、整定计算
（1）大电流脱扣保护装置的整定值计算
首先，计算馈线承受电流的最大值，算出初始整定值。为保证保护装置的选择性，DA定值结合近端的短路时间，避免出现越区跳闸的情况。与此同时，供电臂两侧的整定值应该保持一致。在满足所有条件的数值中选取最大值，作为近端保护装置的整定值。
（2）di/dt保护装置的整定值计算
di/dt初始定值。该值应大于机车启动时的最大电流变化率，同时应小于越区供电时区间末端短路t时刻的短路电流变化率di/dt│t=di/dtduration。延时时间（di/dtduration）定值。di/dt保护范围至下一相邻供电区间末端，为保证选择性，其延时时间应与相邻供电区间的保护配合。同时，还应考虑机车内LC滤波回路充电时（如受电弓的离线导致滤波器充电）可能引起的di/dt保护装置误动。di/dt延时时间定值应大于T/2（T为滤波回路充电电流变化率的谐振周期）。取上述2种计算结果中的较大值作为延时时间的定值。
（3）△I保护装置的整定值计算
△I保护整定的主要参数为di/dt、△I、△Idelay、di/dtduration。其中di/dt、di/dtduration为△I保护元件的参数，不同于di/dt保护元件的参数。△I保护同样要考虑与机车特性配合，躲过机车启动或机车滤波器充电导致的△I保护装置误动。另外为保证选择性，还要考虑与相邻供电区间的保护配合，不致越区跳闸。在该原则下，不同厂家的△I保护可以有多种整定方法，可以用△I定值配合，也可用di/dt定值配合。
结语：直流供电环节的保护装置整定值计算是保证保护设备运行效率的重中之重。为此，相关供电单位应采取科学、合理的计算方法，结合短路电流的实际运行特征，提升整定参数计算的准确性。根据短路电流流经路线、位置的不同，按照近端、中远端短路电流上升速率、相同时间内增值的差别，计算出总电阻与总电感的数值，从而为保护装置的合理應用夯实基础。
参考文献：
[1]柴段鲲.城市轨道交通直流供电系统故障建模与保护仿真系统开发[D].北京交通大学，2017；
[2]么杰.煤矿供电系统继电保护配置存在的主要问题及优化探讨[J].中国科技纵横，2016（9）.
关键词：短路故障特性；整定参数；大电流脱扣
直流保护装置的合理应用，在一方面可以降低故障电流对供电系统安全运转的不利影响，控制故障影响范围；另一方面也能够提升系统运行的稳定性与可靠性。但在直流牵引的实际供电过程中，由于保护装置的使用特性与故障电流的位置不同，使得保护装置的整定值计算存在一定的难度。在此基础上，本文从触电网故障电流发生位置的不同，电流上升速率、电流数值的差异等方面出发，对保护定值的科学计算方式进行系统的阐述。
一、直流供电系统的故障特性
直流牵引系统主要构成部分包括：整流机组、牵引网、直流开关以及电缆等几部分。分析故障发生原因的主要方法是暂态响应法，其基本的理论依据来源于戴维南、叠加定理。回路电阻以及电感参数对短路断流的重要影响是直流短路故障的主要特性之一，因此，故障电流所处位置不同，短路特性也有所差别，接触网的近端与中远端的短路特性就有着较大的差别。
1、近端短路故障的特性
如果线路的短路故障发生在变电所的近端位置，则电流的上升幅度越大，所流经的短路电流也相应增强。接触网的近端部分出现短路情况，短路电流的预期值能够达到80kA以上，而电路初始数值的上升率超过5kA/ms。在这一过程中，如果无法快速的切断短路电流，电流将会在短时间内达到峰值，不仅会对供电设备与系统造成较大的危害，还会在一定程度上降低供电系统的安全系数，引发事故。为此，应在短路电流上升到最大值之前，及时开启保护装置，切断电流。实际的短路当电流变化如图一所示，电流在极短的时间内达到曲线顶端。
2、中远端短路故障的特性
在供电系统中，距离接触网较远的短路电流由于输送线路的电感作用τ值会出现加大的情况，因此，短路的电流数值变化相对缓和，初始阶段的电流上升率较低，对直流设备的影响相较于近段电流小。
二、保护装置的方案设计及技术原理
1、保护装置的方案设计
根据馈线近端与中远端线路故障的特性差异，单一的几点保护装置很难实现对供电系统的全面防护，在此基础上，为兼顾供电系统防护装置速动性与安全性的需求，需要根据馈线位置的不同分别设置保护装置。主要的馈线保护设备主要包括以下几种：大电流脱扣保护（断路器本体DA保护）；△I、di/dt保护；热过负荷保护；双边联跳保护。其中，脱扣防护装置以及△I、di/dt装置是防护的关键，分别为馈线近端、中远端防护的主装置。
2、继电保护配置的技术原理
大电流脱扣的防护装置是一种直流短路设备，主要作用于馈线近端的短路电流，作为主保护系统，采用的是磁脱扣的技术原理，根据电流变化程度，实现机械响应或者全分段时间，一旦短路电流的速率超过5kA/ms临界值时，断路器的机械响应时间为三到四秒之间，燃弧熄灭的时间达到了二十五秒左右。大电流脱扣的防护装置可以在短路电流到达顶点前切断电路，在限制电流数值的同时，降低故障造成的影响。与此同时，对于馈线中远端的故障问题，由于电流的上升的速率相对较小，大电流脱扣装置的的反应时间过长，断电效果不强，因此主要采用微控制处理器来对短路电流进行限制。具体来讲，主要通过△I、di/dt进行防护，△I反应电流的数值，di/dt反应电流的上升速率，两者分别是馈线中、远端防护装置的主保护系统。
（1）△I保护装置
△I保护技术是当di/dt超过整定值时，检测电流实际增量，通过增量的变化对电路电路情况进行检测的技术。一旦电流上升的速率超过标准值，△I保护将启动保护装置，并以此为基础计算△I，装置启动时刻测算的电流为基础数值。达到？I延时后，若△I达到△I整定值（△Itrip），则保护装置动作。
（2）di/dt保护装置
di/dt保护装置主要是通过对di/dt的检测，对远端短路电流进行控制。如果di/dt超出整定值，启动di/dt保护装置，如果di/dt的持续时间超过定值，保护装置出口将会跳闸。
尽管不同供电单位保护装置的实际工作原理与整定值的设定有所不同，但基本的技术要点大致相同。
三、整定参数的计算
整定参数的计算是直流供电保护装置能否有效控制短路电流的决定性因素，为保证整定值计算的科学性与合理性，应通过短路计算与校核计算来得到精准的整定参数。
1、短路计算
短路计算的根本目的在于确定馈线的相关保护定值以及保护装置的灵敏度。计算的主要内容包括计算牵引供电程序在接触网以及回流轨、接触网和架空地线之间运行时产生的短路电流及电流的上升速率。通过戴维南、叠加定理，分析RL动态回路的实际情况。在计算的过程中，关键点在于总电阻、总电感的计算、确定。由于接触网与回流轨、架空电线两种短路电流运行的路径不同，因此总电阻与总电感的计算方式也有所差别。
2、整定计算
（1）大电流脱扣保护装置的整定值计算
首先，计算馈线承受电流的最大值，算出初始整定值。为保证保护装置的选择性，DA定值结合近端的短路时间，避免出现越区跳闸的情况。与此同时，供电臂两侧的整定值应该保持一致。在满足所有条件的数值中选取最大值，作为近端保护装置的整定值。
（2）di/dt保护装置的整定值计算
di/dt初始定值。该值应大于机车启动时的最大电流变化率，同时应小于越区供电时区间末端短路t时刻的短路电流变化率di/dt│t=di/dtduration。延时时间（di/dtduration）定值。di/dt保护范围至下一相邻供电区间末端，为保证选择性，其延时时间应与相邻供电区间的保护配合。同时，还应考虑机车内LC滤波回路充电时（如受电弓的离线导致滤波器充电）可能引起的di/dt保护装置误动。di/dt延时时间定值应大于T/2（T为滤波回路充电电流变化率的谐振周期）。取上述2种计算结果中的较大值作为延时时间的定值。
（3）△I保护装置的整定值计算
△I保护整定的主要参数为di/dt、△I、△Idelay、di/dtduration。其中di/dt、di/dtduration为△I保护元件的参数，不同于di/dt保护元件的参数。△I保护同样要考虑与机车特性配合，躲过机车启动或机车滤波器充电导致的△I保护装置误动。另外为保证选择性，还要考虑与相邻供电区间的保护配合，不致越区跳闸。在该原则下，不同厂家的△I保护可以有多种整定方法，可以用△I定值配合，也可用di/dt定值配合。
结语：直流供电环节的保护装置整定值计算是保证保护设备运行效率的重中之重。为此，相关供电单位应采取科学、合理的计算方法，结合短路电流的实际运行特征，提升整定参数计算的准确性。根据短路电流流经路线、位置的不同，按照近端、中远端短路电流上升速率、相同时间内增值的差别，计算出总电阻与总电感的数值，从而为保护装置的合理應用夯实基础。
参考文献：
[1]柴段鲲.城市轨道交通直流供电系统故障建模与保护仿真系统开发[D].北京交通大学，2017；
[2]么杰.煤矿供电系统继电保护配置存在的主要问题及优化探讨[J].中国科技纵横，2016（9）.