軌道交通框架保護及軌電位限制系統設計

金雪豐 郝德清 張文君

(1. 中國船舶重工集團公司七一二研究所，武漢 430064； 2. 武漢理工大學機電學院，武漢 430070)

1 引言

城市軌道牽引供電系統采用直流供電方式，實際運行過程經常發生由于鋼軌電位升高導致直流框架保護動作，從而導致大面積停電的事故，如1999年6月廣州地鐵1號線由于鋼軌電位升高，直流框架保護動作，引起本所 6個直流開關柜和進線2個35 kV整流變柜跳閘，同時分別聯跳相鄰兩個變電所向故障所方向供電的各 2個直流開關，導致接觸網大面積停電；2005年1月3號，深圳地鐵才開通幾天，同樣由于框架保護動作，導致深圳地鐵4號線全線癱瘓近4個小時。因此，通過分析引起框架保護動作原因，動作原理，設計動作配合合適的框架保護和鋼軌電位限制系統尤為重要。

2 保護原理

2.1 框架保護原理

框架保護有電壓和電流二種方式，電流型框架保護主要檢測開關柜外殼對系統地的電流；電壓型框架保護檢測的是設備外殼對直流設備負極之間的電壓，由于小電阻可以忽略不計。設備外殼可認為直接接地，鋼軌是和直流設備負母排相連的，所以電壓型檢測的電壓相當于鋼軌和地之間的電壓。

2.2 軌電位限制原理

鋼軌電位限制裝置一端接鋼軌，一端接變電所接地網，檢測的是鋼軌和地之間的電壓。

當供電分區沒有車輛行駛時，或牽引直流系統運行正常情況下，鋼軌對地電位為零；當供電分區有車輛行駛或接觸網發生短路故障時，由于鋼軌對地泄漏電阻的存在，鋼軌電位快速升高，為了保護在鋼軌上行走的人身安全，當鋼軌電位達到一定值時，鋼軌電位限制裝置迅速動作，將鋼軌與接地網短接，從而降低了鋼軌電位，保護在鋼軌上行走的人的安全。

3 系統設計

3.1 框架保護系統構成

框架保護裝置設置在負極柜內，由電流保護和電壓保護兩部分組成，電壓保護可本地投入/切除，并可通過 PLC程序修改報警和跳閘整定值。框架保護動作跳閘后，系統會閉鎖被跳開的斷路器的合閘，只有當故障消失后，當地復歸框架保護后，斷路器才能合閘。

本保護邏輯關系如下：

圖1 框架負地保護系統方案

(1)直流系統正常運行情況下，設備絕緣良好，電流型框架保護電流回路電流為零，裝置不動作。

(2)當直流設備絕緣發生變化，設備對柜體外殼放電或短路時，一般電流回路電流達到保護繼電器（本方案選用MAS-2過電流繼電器）整定值（一般設定為80 A），電流型框架保護動作，向交、直流開關發出跳閘命令，本所直流柜和整流變柜同時跳閘，并聯跳牽引變電所向本區段雙邊供電左右線開關。

(3)由于直流設備和鋼軌都是采用絕緣法安裝，其作用是減少雜散電流的泄漏途徑，減少雜散電流對鋼軌、鋼筋等金屬體的電化學腐蝕，鋼軌對地的絕緣電阻是隨著絕緣材料的性能變化的，所以電流型框架保護的電流回路的電阻是不確定的，當電阻很大時，可能會造成電流回路檢測值達不到整定值的要求，從而設備會發生絕緣下降而電流型框架保護不動作的情況。電壓型框架保護就是為了彌補這個缺陷。當電壓型框架保護裝置檢測到設備外殼對負極電壓超過整定值時，一般大于95 V時發出報警信號，大于150 V時向交直流開關發出跳閘命令，聯跳本所和相鄰兩個牽引變電所的開關。

3.2 軌電位限制裝置設計

鋼軌電位限制裝置由復合開關（常閉的MS接觸器及反向并聯晶閘管）、監控單元、信號接口端子、保護裝置、防凝露加熱器、狀態顯示設備及金屬氧化鋅避雷器等組成。

主要功能如下：

（1）由直流接觸器與高性能的反向并聯晶閘管并聯的復合開關能保證接地系統中正極性和負極性過電壓下都能提供有效保護。接觸器的整個合閘時間小于100 ms。

（2）當鋼軌電位限制裝置通過電壓變送器檢測到鋼軌與保護地之間的電壓差小于電壓元件的整定動作值時，鋼軌電位限制裝置處于斷開狀態。

（3）當鋼軌電位限制裝置檢測到鋼軌與保護地之間的電壓差大于裝置一段動作電壓時，經過一段可調整的延時后，接觸器合閘將鋼軌與大地有效短接，經一定時間恢復開斷，同時確保較低的快速瞬變電壓值不會引起接觸器的頻繁動作。合閘后到恢復開斷前的時間間隔可用時間繼電器進行調整，調整范圍為 0～120 s。當連續動作 3次后，短路裝置將不再恢復開斷，而處在恒定合閘狀態。裝置的一段動作電壓可在 DC40 V～DC200 V范圍內調節（本方案動作電壓設置為大于90 V時，鋼軌電位限制裝置延時800 ms動作）。

（3）當鋼軌電位限制裝置檢測到鋼軌與保護地之間的電壓差大于150 V（二段動作電壓，動作值可調）時，接觸器將無延時地永久合閘，不再恢復開斷。接觸器的合閘時間小于100 ms。

（4）當鋼軌電位限制裝置檢測到鋼軌與保護地之間的電壓差大于600 V（三段動作電壓，動作值可調）時，復合開關將通過晶閘管元件加速合閘，晶閘管回路首先在0.2 ms內導通，使鋼軌與地連接，直流接觸器也將無延時合閘。晶閘管電路在直流接觸器合閘后將被復位。

在檢測到過電壓和接觸器在合閘位置后，監控裝置（S7200）將自動在事先設定的延時期限后斷開接觸器，以減少雜散電流對土建結構的影響。如果過電壓繼續存在，監控裝置會立即檢測到并且接觸器將重新合閘。

想要獲得志愿服務證書。在587名調查對象中僅有52名調查對象以獲得志愿服務證書為目的而選擇參加志愿服務活動，據了解，國內有不少大學評定獎助學金的標準中的一條，就是該生的德育教育成績，而德育教育成績則是以參加各類課外活動并獲得證書作為德育教育的成績（筆者的學校就是如此），所以，這一部分大學生參加志愿服務活動的主觀原因是排除在以上幾種原因之外而單獨獨立出來的，大學生參加志愿服務活動就只沖著志愿者證書去的。

圖3 晶閘管組件放電波形

（5）監控單元通過電流變送器監視流過鋼軌電位限制裝置的電流。當接觸器合閘時，監控單元能保證流經接觸器的電流降低到其預先設定的安全值之前，接觸器不會重新分閘。預先設定的安全值同時保證接觸器僅能在其開斷容量范圍內分閘。當檢測到超過最大限制電流時鎖定接觸器，同時發出牽引系統跳閘命令（用戶根據實際情況確定是否連接）。

（6）控制電源失電時，直流接觸器自動強制將走行軌與大地短接以確保人員和設備的安全。鋼軌電位限制裝置檢測到軌電位異常、接觸器故障和晶閘管故障，發出報警信號。

（7）報警信號的顯示及聯鎖輸出須經本地復歸后才會消失。

3.3 保護配合關系

電壓型框架保護與鋼軌電位限制裝置兩者都是檢測鋼軌電位對地電壓，不同的是電壓型框架保護的作用是保護直流設備安全，動作于跳閘，切除直流絕緣泄漏或短路故障；鋼軌電位限制裝置的作用是降低鋼軌對地電壓，保護線路上行走的人的人身安全，不動作跳閘，牽引直流系統不受影響，列車正常運行。

由于電壓型框架保護整定時間大于鋼軌電位限制裝置，正常情況下當發生鋼軌電位升高時，應由鋼軌電位限制裝置首先動作，使鋼軌與地連通，保證線路上人身安全。當鋼軌電位限制裝置拒動時，電壓型框架保護動作于跳閘。本系統具體參數如下：當負極電位大于95 V時電壓型框架保護延時1500 ms發出報警信號；當負極電位大于150 V時電壓型框架保護將延時900 ms發出跳閘信號。

4 總結

通過調整軌電位限制和框架保護時間配合關系，就可以有效避免電壓型框架保護誤動作情況的發生，一方面可以有效減少由于框架保護誤動作造成的大面積接觸網停電，影響行車。另一方面可以有效保護直流設備安全和線路上人的生命安全。

該套系統已在武漢軌道直流供電系統應用，運行情況良好。

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