淺析軌電位與框架保護的配合關系

摘要：對框架故障保護和軌電位限制裝置保護動作原理、結構進行了剖析，提出了二者之間的配合方案。在城市軌道交通的直流設備和電力監控系統技術方案確定過程中，經常會遇到框架故障保護系統和軌電位限制裝置保護之間的配合問題。本文對框架故障保護和軌電位限制裝置的保護原理及二者之間的配合方案進行了理論與實際配備上的討論。

關鍵字：框架 保護軌電位 配合 動作

1 軌電位與框架保護設置目的

正常運行狀態下，供電區段內列車運行時，鋼軌中流過牽引負荷電流，造成鋼軌對地電位的升高(正值或負值)。鋼軌對地電位的大小，主要與線路上機車的數量、負荷電流、牽引所間距、鋼軌 地間的過渡電阻等因素相關。

當發生以下故障時，引起鋼軌對電位的陡升：①接觸網與鋼軌發生短路；②接觸網對架空地線(地)發生短路故障；③直流設備發生柜架泄漏故障；④牽引變電所整流變壓器二次側交流系統發生單相接地短路。

直流系統發生故障時，必須在短時間內切除故障或降低鋼軌對地電位，以保證人身及設備安全。直流框架保護的設置是由于直流開關帶電設備對直流柜柜體發生泄漏或絕緣損壞閃絡時，原有的直流保護起不到應有的作用，為保護直流設備的安全，及時切除直流設備內的各種短路故障，直流系統設置了直流框架保護，一旦發生直流開關帶電設備對直流柜柜體發生泄漏或絕緣損壞，框架保護動作，使有關直流開關跳閘斷電，有效切斷故障，從而保護設備安全。

2 框架保護裝置特性

框架保護裝置主要用于當直流設備正極對設備外殼發生短路時，起動相應斷路器跳閘，快速切除故障，使供電設備免遭損壞。它主要由電流、電壓測量元件組成。電流測量元件一端接設備外殼，另一端接地，用于檢測外殼與地之間流過的故障電流。電壓測量元件用于測量設備外殼與直流設備負極之間的電壓，一端接于負極，另一端接設備外殼。

當任意一個直流設備內正極對外殼短路時，接地電流通過電流測量元件流入地網，再通過鋼軌與地之間的過渡電阻(或排流柜)回到鋼軌(負極)。當接地電流達到整定值時，框架保護的電流元件動作； 同時電壓測量元件檢測負極與設備外殼間的電壓值，當電壓大于整定值時，電壓元件在整定的時間內動作，使相應的交、直流斷路器跳閘，切除故障。框架保護裝置及OVPD接線如圖1所示。

3 OVPD與框架保護動作時間配合及存在問題分析

3.1動作時間的配合

OVPD主要用于保護人身安全，其動作特性應能滿足EN50122-1標準中規定的的人體耐受電壓-時間特性曲線的要求。如表1所示。

列車的正常起動及運行時，鋼軌-地電位升高。當OVPD測出鋼軌-地電位超過整定值時，OVPD動作，將鋼軌與地短接。由圖1可知， OVPD與框架保護的電壓元件測量基本上是同一個電壓值。此時框架保護不應動作。目前采取的配合方式是框架保護電壓元件動作時間整定值比OVPD動作時間整定值長(相同的測量電壓條件下)，或電壓整定值比OVPD要高。

當直流設備的正極對設備外殼發生短路故障時，OVPD和框架保護的電壓元件均檢測到一個瞬時的高電壓。此時要求框架保護應先于OVPD動作。

3.2 框架保護存在問題分析

(1)軌道交通投入運行初期，鋼軌對地絕緣性能較好，當牽引所直流設備發生框架泄漏故障時，流過電流元件中的電流很小，框架保護電流元件不動作。當電壓元件檢測到鋼軌和地之間的電壓大于整定值時，框架保護在整定的時間內動作，整流機組交、直流側斷路器跳閘。當某一個牽引變電所發生框架泄漏故障時，整條線路的鋼軌對地電位都會升高。即各個牽引變電所框架保護電壓元件會檢測到負極與地之間較高的電壓值，并同時起動框架保護。如此，其它未發生框架泄漏故障的牽引變電所框架保護產生誤動作，擴大了事故停電范圍。當接觸網對架空地線發生短路時，其動作情況與其相同。

(2)經過一段時間運行之后，鋼軌對地絕緣性能下降，過渡電阻減小，發生框架故障時框架保護電流元件能夠可靠動作，并作用于相應的斷路器跳閘。但此時鋼軌與地之間的電位差值減小，當整定值過高時，框架保護的電壓元件不動作。

(3)直流設備發生框架泄漏故障時，本所的直流斷路中沒有電流或很小的電流流過(鄰所貢獻，如圖1中Ｉ1/2、Ｉ2/2)，直流快速開關不能在短時間內切除故障，即使直流斷路器能快速跳閘，框架泄漏故障也未切除。只有當整流機組交流側斷路器跳閘后，才能切除框架泄漏故障。在故障切除之前，OVPD兩端的電壓與框架保護電壓元件測量的電壓相同，若OVPD不能在要求的時間內閉合，則可能導致電擊傷人事件的發生。當OVPD動作后，形成了一個金屬性的近端通路，通過OVPD的短接作用使框架保護電流元件中流過較大的短路電流，框架保護裝置能夠可靠動作，迅速切除故障。

當接觸網對架空地線發生短路時，OVPD的快速動作使架空地線與負極間形成了一個金屬性的通路，饋線斷路器及架空地線中流過較大的短路電流，可使本所饋線斷路器中的大電流脫扣，保護/定時限過電流保護動作快速跳閘，切除故障。

從以上分析可知，框架保護電壓元件在實際使用過程中存在誤動和拒動的可能性，有時不但起不到保護設備的作用，反而會造成事故障范圍的擴大。因此建議框架保護中取消電壓元件。

結論：通過以上闡述，可以得出

(1)當直流設備發生框架泄漏故障或接觸網與架空地線短路時，為保證人身安全， OVPD動作時間應滿足ＥＮ50122-1標準的要求。

(2) OVPD裝置工作的最嚴重工況為發生框架泄漏故障或接觸網與架空地線短路時。此時OVPD承受短路電流最大，持續時間最長，選擇的OVPD應能承受最嚴重故障情況下的短路電流，而不致損壞設備。

(3)應依據供電計算得出的最大短路電流值，選取OVPD設備。

(4)當發生框架泄漏故障或接觸網與架空地線短路故障時，導致整個線路鋼軌(負極)與地電位差的陡升，引起其它牽引所的框架保護電壓元件的誤動，擴大事故范圍。因此在采用晶閘管接觸器型OVPD后，建議框架保護中取消電壓元件。否則只會增加設備的跳閘次數，進而影響牽引系統的正常運行。

參考文獻

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