直流牵引供电系统热过负荷保护研究

胡佳骏

摘 要：本文对直流牵引设备的馈线保护功能进行了简单介绍，对U-MLE保护装置的热过负荷保护基础参数和计算方法进行了论述。通过深入了解保护装置的热过负荷参数定义，结合接触网的运行工况，提出U-MLE保护装置的热过负荷整定值和计算依据。研究成果可为相关应用与研究提供参考。

关键词：牵引供电；热过负荷；整定

中图分类号：TM922.3 文献标志码：A

0 引言

城市轨道交通的牵引供电系统采用直流供电方式，其中直流馈线一般配置过流延时、过流速断、电流上升率、电流增量等保护功能，一旦馈线段发生过流故障，保护装置将发出跳闸命令，使直流高速断路器分闸，迅速切断馈线段故障电流。对于架空接触网（架空接触网分为柔性或刚性两大类）方式供电的线路，还会设置热过负荷保护，通过保护装置计算热量累积值，其主要功能是为了防止接触网过热而张力降低，导致接触网性能下降，影响行车的正常运行。

当热过负荷保护发生动作时，将会使断路器跳闸并在一定时间内持续闭锁合闸，断路器跳闸后，电流降为0A，热量逐步降低到整定值之下，才允许断路器再次合闸。这样就造成一旦发生热过负荷保护动作，短时间内无法解决该回路停电状态，从而影响正常行车。热过负荷保护的曲线为反时限曲线，由于负载电流的不断变化，热量累积值也在不停地变化。设定整定值时，需要考虑与接触网热特性的匹配，其数学模型公式的计算也较为复杂，很难精确计算热量值，这样不仅使得设计人员的工作量大大增加，还增大了设定整定值的难度。热过负荷保护的定值不可设置过小，会造成误动作，也不可设置过大，会失去对接触网的保护。因此，用更为简单的计算方法，合理设定热过负荷保护的整定值，保证其动作的可靠性，是一个重要的课题。

本文简要分析U-MLE保護装置的热过负荷保护的计算方法，经过简化运算，提出具有参考性的整定值设定依据。

1 主回路构成

配有U-MLE保护装置的直流馈线设备，主要由直流断路器（Q0）、分流器（R0）、电流变送器（U1、U2），电压变送器（U3）等组成。以额定电流为4000A的馈线设备为例，保护装置所需的电量采集回路结构如图1所示。

U-MLE保护装置具有1倍额定电流（即4000A）和10倍额定电流（即40000A）的电流采集通道，通过2只电流变送器，将对应的电流量转换成20mA的模拟量信号接入保护装置中，保护装置的1倍和10倍电流通道可自动进行无极切换，在保证测量精度下，可以采集-40000A～40000A的电流；通过一台电压变送器，采集额定电压，将对应的电压量也转换成20mA的模拟量信号送入保护装置中。

直流馈线配置的过流延时、过流速断、电流上升率、电流增量和热过负荷等保护功能，主要是通过电量的大小以及时间配合进行判断，达到定值后动作，发出跳闸命令。

2 电流保护功能介绍

直流馈线中的U-MLE保护装置一般配置5种电流保护功能：1I>延时过流保护、3I>瞬时过流保护、1DI电流增量保护、1di/dt电流上升率和热过负荷保护。本节简单介绍各电流保护的主要保护功能：

1I>延时过流保护：定时限曲线，通过电流和时间两个参数作为判断依据，一旦电流达到整定值时保护起动，在一定时间内电流值持续达到整定值或之上，则保护发出跳闸指令，主要是对线路过流的保护。

3I>瞬时过流保护：定时限曲线，具有断路器合闸瞬间判断电流的功能，若断路器合闸瞬间出现大于整定值的电流，则保护无延时发出跳闸指令，3I>的其余功能与1I>延时过流保护相同，但在整定值的大小方面，其电流值设定更大，时间设定更短。

1DI电流增量保护：一般作为近端至中端范围的保护（根据设定值也可作为中端至远端范围的保护），若电流上升率达到整定值时保护起动，在延时时间结束后计算电流增量，若达到整定值或之上，则保护发出跳闸指令，使断路器跳闸。

1di/dt电流上升率：一般作为中端至远端范围的保护（根据设定值也可作为近端至中端范围的保护），若电流上升率达到整定值保护起动，在延时时间结束后计算平均电流上升率，若达到整定值或之上，则保护发出跳闸指令，使断路器跳闸。

热过负荷保护：反时限曲线，通过电流和时间的函数关系，根据热量运算法则计算累积热量，主要是保护负载不被过负荷电流造成损坏。

通过上述各种电流保护的相互配合，将保证整个直流馈线的供电安全，防止电流事故扩大，造成人员受伤或设备损坏，使直流牵引供电系统能更加稳定可靠地运行。

3 电流保护配合

直流馈线柜中的U-MLE保护装置配有多个过流保护，其中定时限过流保护有1I>延时过流保护和3I>瞬时过流保护，它们与断路器本体大电流脱扣形成了三重极差保护。笔者提出定时限过流保护与断路器本体大电流脱扣的参数配合建议。参数配合如图2所示。

由图2可知，断路器本体大电流脱扣最为迅速，设定区间一般是额定电流的2.5倍以上，动作速度（延时不可设）在10ms内（根据电流上升率大小不同，本体脱扣的动作速度会有所不同）；3I>瞬时过流保护速度次之，设定区间一般是额定电流的1.5倍以上，动作延时（可设）在10ms～60ms；1I>延时过流保护速度最慢，设定区间一般是额定电流的0.6倍以上，动作延时（可设）在60ms以上。直流馈线柜的1I>延时过流保护、3I>瞬时过流保护与断路器本体大电流脱扣的三重极差保护，在设定整定值时应考虑覆盖所有的短路故障范围值。

1DI电流增量和1di/dt电流上升率分别是保护机车在近端至中端、中端至远端的短路保护，作为加快短路故障跳闸的保护功能，能在短路故障前期迅速切断故障电流，此两项参数在设计整定值时，需考虑机车类型、取流大小和运行间隔等，应避免设置过小而误动作，在本文不做讨论。

热过负荷保护是反时限曲线，即电流越大动作时间越短，与定时限过流、电流增量和电流上升率的短路电流保护功能不同，它主要是对负载“架空接触网”的过负荷保护，随着负载“架空接触网”的电流变化，计算出的热量累积值也会发生变化。U-MLE保护装置对热过负荷保护中参数整定的条件要求较高，需专业设计人员根据现场情况和负载能力进行核算，而热保护的数学模型公式较为复杂，计算耗时耗力。在某些项目中，有直接或间接引用其他型号保护装置整定值的情况，引用的整定值在U-MLE保护装置中的含义与其他装置并不完全相同，甚至不适用，这样的整定值对热过负荷保护的动作结果会有较大差异，影响设备的正常运行。笔者通过对U-MLE保护装置的热过负荷保护研究，提出较为简单的整定值计算方式，供设计人员参考，在下文将做详细论述。

4 热过负荷保护参数含义

U-MLE保护装置的热过负荷有以下参数设定，见表1。

Enab.投退：保护功能的投退选项。一般架空接触网选择投入，接触轨选择退出。

Tal温升报警：温升报警门限。其单位%Tn为计算的温升率，当Tn≥Tal值时，热过负荷报警持续动作；当Tn

Tres温升复位：温升恢复的门限。根据保护装置说明书和验证测试，可知单位Tb的计算公式，如式（1）：

Tb=（Is）2（Tb单位：%Tn） （1）

Is持续允许电流：允许长期运行的电流，当运行电流I≥Is值时，热过负荷保护在一定时间的延时后会动作；当运行电流I

Kt时间系数：负载热负荷时间常数。Kt值影响热保护的动作时间。

从式（1）中，将额定电流In的倍数代入公式中，可得Tb值

当Is=0.5×In时，Tb=（0.5）2=25%Tn；

当Is=1×In时，Tb=（1）2=100%Tn；

当Is=1.1×In时，Tb=（1.1）2=121%Tn；

当Is=1.2×In时，Tb=（1.2）2=144%Tn，以此类推。

5 热过负荷保护计算方法

为了较为准确地得到热过负荷保护的整定值，通过公式和已知数据，简化计算出U-MLE保护装置中热过负荷保护的设定参数整定值。

根据架空接触网的专业数据，地面接触网的持续总载流量为3025A，高架接触网的持续总载流量为2562A。以地面接触网线路为例，为方便计算，取Is=3000A（即0.75In，其中In=4000A）。

由式（1），得式（2）

Tb=（Is）2=（0.75）2≈56%Tn （2）

即，实际计算的温升率Tn达到56%时，热过负荷保护发出跳闸命令。

一般设置热过负荷保护的报警值Tal为跳闸值Tb的90%，如式（3）

Tal=Tb·90%=56%Tn·90%≈50%Tn （3）

由式（3）可知，Tal=50%Tn

一般设置热过负荷保护的温升复位值Tres为跳闸值Tb的85%，即Tres=85%Tb

U-MLE保护装置中，热过负荷保护的跳闸时间函数公式，如式（4）：

t为保护装置发出跳闸的时间；

Kt为负载热负荷时间常数（U-MLE保护装置内的整定值）；

I为实际负载电流，取值为≥Is的值；

In为系统额定电流；

Is为持续允许电流（U-MLE保护装置内的整定值）；

Ip为过载前的稳态电流，取值为

ln为自然对数。

将式（4）化简，得式（5）

从式（5），可以看出，热过负荷保护跳闸时间t是流入负载电流“I”的一个函数，它取决于发热时间常数“Kt”，原先的热过负荷状态“Ip”以及最大允许持续电流“Is”，与系统额定电流In无关。

根据接触网的相关测试数据可知，接触网的通电电流由0A上升至7600A且持续29s，接触网的温度可达80℃，此时热过负荷保护应动作，跳闸断路器。因此，取I=7600A，t=29s，同时电流上升的过程时间与整个保护动作时间相比小到可忽略不计，为了方便计算，取Ip=0A。

将上述已知条件代入式（5）中，得式（6）：

通过式（6）可知，U-MLE保护装置的持续允许电流设定为Is=3000A，并且负载热负荷时间常数设定为Kt=2.87min，若接触网的通电电流由0A上升至7600A且持续29s，热过负荷保护将动作，跳闸断路器，使接触网在该条件下能够正常使用。

由上述计算方式，可得到地面接触网线路的U-MLE热过负荷参数设定，见表2。

根据公式计算，笔者建议将表2的整定值作为U-MLE保护装置对地面接触网的基准热过负荷保护定值，供设计人员参考。U-MLE保护装置对高架接触网的热过负荷保护的整定值，同样可通过上述计算方式得出。

结语

随着城市轨道交通建设步伐的加快，完善直流供电系统的保护整定值配置以及运营维保人员的校准检测方案，提升运营稳定性，变得越来越重要。

本文对直流牵引供电系统的热过负荷保护功能进行了作详细的论述，从计算和速查方法，得到较为合理的热过负荷保护整定值，供设计人员参考。随着城市轨道交通的发展，技术人员的专业知识深入，会有更多合理可靠的计算和测试方案被提出，提高运营稳定，增加设备运行的可靠性。

參考文献

[1]周源.轨道交通接触网导线载流量计算分析[J].中国新技术新产品，2012（2）：9.

[2]方刚，黄德晖.广州地铁直流牵引供电中馈线热力过负荷保护[J].科技风，2013（10）：19-20.