CN111682511B - 单向导通装置、直流接地保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于轨道交通技术领域，并具体公开了一种单向导通装置、直流接地保护装置及方法，单向导通装置用于跨坐式单轨供电系统的直流接地保护装置中，单向导通装置电性连接于地网和牵引所的负极母线之间，利用单向导通装置监测泄露电流，达到报警值后单向导通装置发出报警信号但不联跳直流馈线断路器。本发明不仅能检测故障，同时具有较佳的选择性，还能够判断故障区间，不会导致故障范围扩大。

Description

单向导通装置、直流接地保护装置及方法

技术领域

本发明属于轨道交通技术领域，具体地说，特别涉及一种用于跨坐式单轨供电系统的单向导通装置、直流接地保护装置及方法。

背景技术

跨坐式单轨供电系统普遍采用直流1500V牵引供电制式，牵引网由正极供电轨和负极回流轨组成。供电轨和回流轨安装在轨道梁两侧，正常运行时依靠供电轨给列车供电，负极回流轨回流至牵引所负极，正极供电轨和负极回流轨均采用同等级绝缘水平绝缘安装。在跨坐式单轨供电系统中，为了在正极出现对地短路时快速检测到故障，在每个牵引所设置一套直流接地保护装置64D，通过检测负极对地电压判断是否发生正极对地短路。64D装置由逆流二极管、接地电阻、电压传感器、电流传感器、电源及微机控制系统组成，该装置安装在负极和牵引所地网之间监测负极对地电压，其保护启动电压可在90～300V内设定，一般设定为200V。

请参照图1，图1为现有直流接地保护方案示意图。如图1所示，当发生正极对地短路时，如图1中F，短路电流路径为牵引所正极母线-馈线短路器KB-正极供电轨-地网-64D接地保护装置-牵引所负母线。回路上的电阻包括正极供电轨电阻（0.0085Ω/km）、接地网电阻（1Ω）、64D保护回路电阻（一般设置为5Ω）。通过估算可知故障泄露电流约250A，相邻多个牵引所（如图中牵引所1、2、3、4）内的64D装置保护回路电阻分压大于200V，发出跳闸命令造成多个牵引所馈线跳闸，甚至全线牵引所馈线跳闸。本发明并不对上述数值进行限定。

由此可见，在跨坐式单轨供电系统中发生正极对地短路故障时，故障电流一般小于1000A（约250A），牵引所馈线断保护装置无法区分使负荷电流，还是故障电流，故无法通过馈线保护检测到故障。而64D接地保护装置虽能检测故障，但无法判断故障区间，没有选择性，会导致故障范围扩大，甚至全线牵引所馈线跳闸，对跨坐式单轨的运营造成了极大困扰。

综上所述，跨坐式单轨供电系统中，为检测直流正极接地故障，一般配置直流接地保护装置（简称64D）检测故障。该装置检测负极对地电压，超过整定值（一般设置为200V）时发出跳闸命令，启动直流馈线断路器跳闸切除故障。然而，当正极发生短路时，故障点附近多个牵引所负极对地电压会超过200V，对应会启动多个牵引所内的馈线断路器全部跳闸，甚至全线牵引所馈线跳闸，导致了故障范围扩大。故该方案虽能发现故障，但不具备选择性，无法准确判断故障区间，扩大故障范围，给运营造成极大困扰。

因此，亟需开发一种克服上述缺陷的用于跨坐式单轨供电系统的单向导通装置、直流接地保护装置及方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种单向导通装置，其中，用于跨坐式单轨供电系统的直流接地保护装置中，所述单向导通装置电性连接于地网和牵引所的负极母线之间，所述单向导通装置包括：

多个单向导通回路单元，电性连接于所述地网与所述牵引所的负极母线之间，多个所述单向导通回路单元对所述地网到所述牵引所的负极母线之间的第一电流进行分流获得多个第二电流；

多个监测单元，一一对应地实时采集流过每一所述单向导通回路单元的所述第二电流；

处理单元，电性连接于多个所述监测单元，所述处理单元对多个所述第二电流进行处理后输出所述地网到所述牵引所的负极母线之间的泄露电流及报警信息至牵引所综合自动化系统。

上述的单向导通装置，其中，多个所述单向导通回路单元并联连接后的第一端电性连接于所述牵引所的负极母线，多个所述单向导通回路单元并联连接后的第二端电性连接于所述地网。

上述的单向导通装置，其中，每一所述单向导通回路单元包括串联连接的分流器及二极管，所述分流器电性连接于所述牵引所的负极母线，所述二极管电性连接于所述地网。

上述的单向导通装置，其中，还包括隔离开关单元，电性连接于所述牵引所的负极母线与多个所述单向导通回路单元。

上述的单向导通装置，其中，还包括阻容吸收单元，电性连接于多个所述单向导通回路单元，所述阻容吸收单元吸收多个所述单向导通回路单元的过电压和过电流。

上述的单向导通装置，其中，所述阻容吸收单元包括：

第一电阻；

第二电阻；及

电容，所述第一电阻与所述第二电阻并联连接后的一端电性连接于所述电容的一端，所述电容的另一端电性连接于所述牵引所的负极母线，所述第一电阻与所述第二电阻并联连接后的另一端电性连接于所述地网。

本发明还提供一种直流接地保护装置，其中，用于跨坐式单轨供电系统，所述跨坐式单轨供电系统包括供电轨、回流轨及多个牵引所，每一所述牵引所具有正极母线、负极母线及保护单元，所述直流接地保护装置包括：

全线贯通的保护地线，将所述供电轨的沿线所有绝缘子的金属底座用所述保护地线进行连接，并在牵引所接地；

多个如上述中任一项所述的单向导通装置，所述单向导通装置的一端电性连接于所述保护地线，所述单向导通装置的另一端对应地电性连接于所述牵引所的负极母线；

其中，通过设置所述保护地线及所述单向导通装置构建故障电流回路，发生短路时，通过故障电流回路电阻与所述牵引所至故障点的距离成正比，所述保护单元所检测的故障电流与至故障点距离成反比，所述保护单元判断故障区间并切除故障。

上述的直流接地保护装置，其中，所述保护地线的截面满足下列公式：

，

其中：S为导体截面积；K为计算系数，取决与贯通地线导体材料电阻率、温度系数和热容量以及短路时初始温度和最终温度；I为预期短路电流交流方均根值；t为短路持续时间。

上述的单向导通装置，其中，所述保护单元包括：直流馈线断路器、直流馈线保护模块和框架电流保护模块，所述直流馈线保护模块配置大电流脱扣保护、过电流保护、电流变化率及其增量保护、双边联跳保护，所述框架电流保护模块配置框架电流保护。

上述的单向导通装置，其中，发生故障时，所述保护单元根据检查到的故障电流大小通过控制直流馈线断路器切除故障。

上述的单向导通装置，其中，当出现正极供电轨对框架短路故障时，所述故障电流回路为直流馈线断路器-直流柜框架-框架电流元件-地网-单向导通装置-负极母线。

上述的单向导通装置，其中，当出现正极供电轨对地短路故障时，所述故障电流回路为直流馈线断路器-正极轨-地网-保护地线-单向导通装置-负极母线。

上述的单向导通装置，其中，当出现正极供电轨对车体框架短路时，所述故障电流回路为直流馈线断路器-正极轨-车载进线断路器-车体框架-地网-保护地线-单向导通装置-负极母线。

本发明还提供一种直流接地保护方法，其中，包括：

通过保护地线将供电轨的沿线所有绝缘子的金属底座进行连接，并在牵引所接地；

通过多个如上述中任一项所述的单向导通装置连接所述保护地线与牵引所的负极母线，构建故障电流回路；

通过保护单元根据检查到的故障电流判断故障区间并切除故障。。

综上所述，本发明相对于现有技术其功效在于，本发明通过设置保护地线、单向导通装置构建故障电流回路。发生短路时，回路电阻很小且与牵引所至故障点的距离成正比，牵引所检测到的故障电流较大且与至故障点距离成反比，可以依靠保护单元判断故障区间并切除故障。同时，本发明还利用单导装置监测泄露电流来发现正极母线的绝缘破损故障，达到报警值后可发出报警信号，提醒运维人员巡视检修消除故障隐患。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有直流接地保护方案示意图；

图2为本发明的直流接地保护方案及故障分析示意图；

图3为图2中单向导通装置的结构示意图；

图4为本发明直流接地保护方案的不同类型故障分析示意图；

图5为本发明直流接地保护方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”。

请参照图2，图2为本发明的直流接地保护方案及故障分析示意图。如图2所示，本发明的直流接地保护装置，用于跨坐式单轨供电系统，所述跨坐式单轨供电系统包括供电轨、回流轨及多个牵引所，如图2所示的牵引所1、牵引所2、牵引所3及牵引所4，但本发明并不对牵引所的数量进行限制；每一所述牵引所具有正极母线、负极母线及保护单元（见图4），所述直流接地保护装置包括：全线贯通的保护地线及多个单向导通装置，多个单向导通装置如图2中所示出的单向导通装置DD1、DD2、DD3、DD4；全线贯通的保护地线将所述供电轨的沿线所有绝缘子I的金属底座用所述保护地线进行连接，并在牵引所接地；每一所述单向导通装置的一端电性连接于所述保护地线，所述单向导通装置的另一端对应地电性连接于所述牵引所的负极母线；其中，通过设置所述保护地线及所述单向导通装置构建故障电流回路，发生短路时，通过故障电流回路电阻与所述牵引所至故障点的距离成正比，所述保护单元所检测的故障电流与至故障点距离成反比，所述保护单元判断故障区间并切除故障。

其中，需要说明的是，在本实施例中单向导通装置一一对应地设置于牵引所内，且单向导通装置的数量与牵引所的数量相同，但本发明并不以此为限。

进一步地，本发明的所述保护地线的截面满足下列公式：

其中：S为导体截面积；K为计算系数，取决与贯通地线导体材料电阻率、温度系数和热容量以及短路时初始温度和最终温度；I为预期短路电流交流方均根值；t为短路持续时间。

再进一步地，所述保护单元包括：直流馈线断路器、直流馈线保护模块和框架电流保护模块，所述直流馈线保护模块配置大电流脱扣保护、过电流保护、电流变化率及其增量保护、双边联跳保护，所述框架电流保护模块配置框架电流保护。发生故障时，所述保护单元根据检查到的故障电流大小通过控制直流馈线断路器KB切除故障，即直流馈线保护模块或框架电流保护模块根据检查到的故障电流大小通过控制直流馈线断路器KB切除故障。在本发明的一实施例中，保护单元还可包括车载64D装置及联跳车载进线断路器LB，若列车在区间运行发生正极对车体框架短路故障时，依靠车载64D装置保护动作，联跳车载进线断路器LB切除故障。

请参照图3，图3为图2中单向导通装置的结构示意图。如图2所示，单向导通装置包括：多个单向导通回路单元、多个监测单元IA1…IA8及处理单元IA；多个单向导通回路单元电性连接于地网与牵引所的负极母线之间，多个所述单向导通回路单元对所述地网到所述牵引所的负极母线之间的第一电流进行分流获得多个第二电流；多个监测单元IA1…IA8一一对应地实时采集流过每一所述单向导通回路单元的所述第二电流；处理单元IA电性连接于多个所述监测单元IA1…IA8，所述处理单元IA对多个所述第二电流进行处理后输出所述地网到所述牵引所的负极母线之间的泄露电流及报警信息至牵引所综合自动化系统。

值得注意的是，在本发明中通过单向导通装置监测到负极-大地泄露电流超过整定值后，单向导通装置只报警但不联跳直流馈线断路器。具体地说，当正极供电轨对地出现对地绝缘破损（故障点电阻较大），此时故障电流较小，可利用单向导通装置监测泄露电流，达到报警值后单向导通装置发出报警信号但不联跳直流馈线断路器，以此提醒运维人员巡视检修消除故障隐患。

进一步地，所述单向导通回路单元并联连接后的第一端N1电性连接于所述牵引所的负极母线，多个所述单向导通回路单元并联连接后的第二端N2电性连接于所述地网，其中，每一所述单向导通回路单元包括串联连接的分流器及二极管，所述分流器电性连接于所述牵引所的负极母线，所述二极管电性连接于所述地网，例如一单向导通回路单元包括分流器RS1和二极管VD1，另一单向导通回路单元包括分流器RS2和二极管VD2，以此类推。

需要说明的是，在本实施例，单向导通回路单元、分流器RS1…RS8及二极管VD1…VD8的数量均为8个，但本发明并不以此为限，其中，单向导通装置额定电流选择应当与直流馈线断路器额定电流选择相匹配，一般选择3000A；短时耐受电流选择也应当与直流馈线断路器短时耐受电流选择相匹配，一般选择100kA,120ms；另外单向导通回路单元的数量也是根据直流馈线断路器额定电流的大小而设计，直流馈线断路器额定电流越大则单向导通回路单元的数量越多。

再进一步地，每一所述的单向导通装置还包括隔离开关单元QS，隔离开关单元QS电性连接于所述牵引所的负极母线与多个所述单向导通回路单元，具体地说，隔离开关单元QS的一端电性连接于牵引所的负极母线，隔离开关单元QS的一端电性连接于所述单向导通回路单元并联连接后的第一端N1，其中，当发生故时，通过断开隔离开关单元QS对单向导通装置进行断电，从而便于检修。

更进一步地，单向导通装置还包括阻容吸收单元，电性连接于多个所述单向导通回路单元，所述阻容吸收单元吸收多个所述单向导通回路单元的过电压和过电流。

其中，所述阻容吸收单元包括：第一电阻R1、第二电阻R2及电容C，所述第一电阻R1与所述第二电阻R2并联连接后的一端电性连接于所述电容C的一端，所述电容C的另一端电性连接于所述牵引所的负极母线，所述第一电阻R1与所述第二电阻R2并联连接后的另一端电性连接于所述地网。

以下再请参照图2，具体对本发明的直流接地保护方案及故障分析进行具体说明。如图2所示，当出现正极供电轨对地短路故障时，所述故障电流回路为直流馈线断路器-正极轨-地网-保护地线-单向导通装置-负极母线。短路回路上的电阻包括正极供电轨电阻、地-保护地线过渡电阻、保护地线电阻、单向导通装置电阻。回路电阻很小，通过估算可知，双边供电时发生近端短路和远端短路（距离牵引所约3km）电流约40000A和12000A，故障点F两侧的牵引所2和牵引所3的直流馈线保护模块均能检测到短路故障电流，通过大电流脱扣保护（一般整定在8000A）跳开对应直流馈线断路器KB，从而切除故障区段。在本实施例中，牵引所设置间距一般在3km左右，更远处的牵引所1及牵引所4的直流馈线保护模块检测到短路电流在6000A左右，大电流脱扣保护不动作，只有在故障没有被切除时，才会通过过电流保护延时动作，切除故障。

请参照图4，图4为本发明直流接地保护方案的不同类型故障分析示意图，跨座式单轨供电系统直流接地故障有三种情况：正极供电轨对框架短路、正极供电轨对地短路及正极供电轨对车体框架短路，结合图4所示，以下基于本发明对不同类型的故障进行说明如下：

（1）当出现正极供电轨对框架短路故障时（故障点F1），所述故障电流回路为直流馈线断路器-直流柜框架-框架电流元件-地网-单向导通装置-负极母线，即故障电流通过直流馈线断路器KB、直流柜框架、框架电流元件、变电所地网、单向导通装置回到负极母线。当框架泄露电流达到框架保护电流元件的整定值，框架电流保护模块动作，本所牵引整流机组及直流进、馈线退出运行，并联跳相邻牵引所对应区间的直流馈线，通过直流馈线断路器切除故障。其中，在本实施例中以该整定值为60A为较佳的实施方式，但本发明并不以此为限。

（2）当出现正极供电轨对地短路故障时（故障点F2），所述故障电流回路为直流馈线断路器-正极轨-地网-保护地线-单向导通装置-负极母线，即故障电流通过直流馈线断路器KB、牵引网正极轨、地网、保护地线、单向导通装置回到负极母线，通过故障区间两侧的牵引所的直流馈线保护模块进行保护动作，通过直流馈线断路器KB切除故障。

（3）当列车停靠在车站，为确保乘客人身安全，车辆要进行接地。若此时出现正极供电轨对车体框架短路故障时（故障点F3），所述故障电流回路为直流馈线断路器-正极轨-车载进线断路器-车体框架-地网-保护地线-单向导通装置-负极母线，即故障电流通过直流馈线断路器KB、牵引网正极轨、车载进线断路器LB、车体框架、地网、保护地线、单向导通装置回到负极母线。通过故障点附近的牵引所的保护单元进行保护动作，通过直流馈线断路器KB切除故障。若列车在区间运行发生正极对车体框架短路故障F3，依靠车载64D装置保护动作，联跳车载进线断路器LB切除故障。

由此可见，基于本发明不仅可以快速发现故障，还可准确判断故障区间，更可利用直流快速断路器快速切除故障。

请参照图5，图5为本发明直流接地保护方法的流程图。如图5所示，本发明的直流接地保护方法包括：

S1：通过保护地线将供电轨的沿线所有绝缘子I的金属底座进行连接，并在牵引所接地；

S2：通过多个单向导通装置连接保护地线与牵引所的负极母线，构建故障电流回路；

S3：通过保护单元根据检查到的故障电流判断故障区间切除故障。

需要说明的是，本发明并不对上述步骤的顺序进行限制。

综上所述，本发明通过设置保护地线、单向导通装置构建故障电流回路。发生短路时，回路电阻很小且与牵引变电所至故障点的距离成正比，牵引变电所馈线检测到的故障电流较大且与至故障点距离成反比，可以依靠保护单元判断故障区间并切除故障。同时，本发明方法还可利用单向导通装置监测泄露电流来发现正极绝缘破损故障，达到报警值后可发出报警信号，提醒运维人员巡视检修消除故障隐患。由此使得本发明不仅能检测故障，同时具有较佳的选择性，还能够判断故障区间，不会导致故障范围扩大。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (13)

1.一种直流接地保护装置，其特征在于，用于跨坐式单轨供电系统，所述跨坐式单轨供电系统包括供电轨、回流轨及多个牵引所，每一所述牵引所具有正极母线、负极母线及保护单元，所述直流接地保护装置包括：

全线贯通的保护地线，将所述供电轨的沿线所有绝缘子的金属底座用所述保护地线进行连接，并在牵引所接地；

多个单向导通装置，所述单向导通装置的一端电性连接于所述保护地线，所述单向导通装置的另一端对应地电性连接于所述牵引所的负极母线；所述单向导通装置包括：多个单向导通回路单元，电性连接于地网与所述牵引所的负极母线之间，多个所述单向导通回路单元对所述地网到所述牵引所的负极母线之间的第一电流进行分流获得多个第二电流；多个监测单元，一一对应地实时采集流过每一所述单向导通回路单元的所述第二电流；处理单元，电性连接于多个所述监测单元，所述处理单元对多个所述第二电流进行处理后输出所述地网到所述牵引所的负极母线之间的泄漏电流及报警信息至牵引所综合自动化系统；

其中，通过设置所述保护地线及所述单向导通装置构建故障电流回路，发生短路时，通过故障电流回路电阻与所述牵引所至故障点的距离成正比，所述保护单元所检测的故障电流与至故障点距离成反比，所述保护单元判断故障区间并切除故障。

2.如权利要求1所述的直流接地保护装置，其特征在于，多个所述单向导通回路单元并联连接后的第一端电性连接于所述牵引所的负极母线，多个所述单向导通回路单元并联连接后的第二端电性连接于所述地网。

3.如权利要求2所述的直流接地保护装置，其特征在于，每一所述单向导通回路单元包括串联连接的分流器及二极管，所述分流器电性连接于所述牵引所的负极母线，所述二极管电性连接于所述地网。

4.如权利要求1-3中任一项所述的直流接地保护装置，其特征在于，还包括隔离开关单元，电性连接于所述牵引所的负极母线与多个所述单向导通回路单元。

5.如权利要求1-3中任一项所述的直流接地保护装置，其特征在于，还包括阻容吸收单元，电性连接于多个所述单向导通回路单元，所述阻容吸收单元吸收多个所述单向导通回路单元的过电压和过电流。

6.如权利要求5中所述的直流接地保护装置，其特征在于，所述阻容吸收单元包括：

第一电阻；

第二电阻；及

电容，所述第一电阻与所述第二电阻并联连接后的一端电性连接于所述电容的一端，所述电容的另一端电性连接于所述牵引所的负极母线，所述第一电阻与所述第二电阻并联连接后的另一端电性连接于所述地网。

7.如权利要求1中所述的直流接地保护装置，其特征在于，所述保护地线的截面满足下列公式：

其中：S为导体截面积；K为计算系数，取决与贯通地线导体材料电阻率、温度系数和热容量以及短路时初始温度和最终温度；I为预期短路电流交流方均根值；t为短路持续时间。

8.如权利要求1中所述的直流接地保护装置，其特征在于，所述保护单元包括：直流馈线断路器、直流馈线保护模块和框架电流保护模块，所述直流馈线保护模块配置大电流脱扣保护、过电流保护、电流变化率及其增量保护、双边联跳保护，所述框架电流保护模块配置框架电流保护。

9.如权利要求8中所述的直流接地保护装置，其特征在于，发生故障时，所述保护单元根据检查到的故障电流大小通过控制直流馈线断路器切除故障。

10.如权利要求1中所述的直流接地保护装置，其特征在于，当出现正极供电轨对框架短路故障时，所述故障电流回路为直流馈线断路器-直流柜框架-框架电流元件-地网-单向导通装置-负极母线。

11.如权利要求1中所述的直流接地保护装置，其特征在于，当出现正极供电轨对地短路故障时，所述故障电流回路为直流馈线断路器-正极轨-地网-保护地线-单向导通装置-负极母线。

12.如权利要求1中所述的直流接地保护装置，其特征在于，当出现正极供电轨对车体框架短路时，所述故障电流回路为直流馈线断路器-正极轨-车载进线断路器-车体框架-地网-保护地线-单向导通装置-负极母线。

13.一种直流接地保护方法，其特征在于，包括：

通过保护地线将供电轨的沿线所有绝缘子的金属底座进行连接，并在牵引所接地；

通过多个如权利要求1-12中任一项所述的单向导通装置连接所述保护地线与牵引所的负极母线，构建故障电流回路；

通过保护单元根据检查到的故障电流判断故障区间并切除故障。

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