地鐵供電系統保護裝置探討

湯 海

(北京地鐵供電公司，北京 100088)

北京地鐵始建于1965-07-01，采用第三軌與走行軌共同構成直流牽引供電回路，其中第三軌連接直流牽引供電系統正極，走行軌連接直流牽引供電系統負極。因此，第三軌、走行軌以及直流牽引供電設備都采取對地(結構地)絕緣方式安裝；同時走行軌還要具備承受和傳遞荷載以及導向的作用，因此走行軌還必須要牢固固定在路基上。

走行軌通常采用在走行軌與路基之間加裝絕緣墊的方式安裝。這種安裝方法較容易實現，并且能夠滿足走行軌對結構地的絕緣要求和牢固強度。一般絕緣墊的厚度為1.5 cm，故走行軌與建筑結構地之間的絕緣距離非常小，這使得走行軌對結構地絕緣水平較易受各方面因素的影響。如地鐵列車行進過程中產生的導電粉塵、閘瓦灰、地面的積水、堆積的雜物等，均能夠降低走行軌與結構地的絕緣水平。一般地鐵開通運行一段時間后，走行軌與結構地之間的絕緣水平將會逐漸下降，泄漏電流(又稱迷流或雜散電流)隨之產生。特別是在直流牽引供電系統中出現負荷過大、有直流接地故障或短路故障時，走行軌與結構地之間的過渡電阻的過電壓現象和走行軌自身電阻的過電壓現象將更為明顯，并危及人員和設備的安全。

目前，地鐵直流牽引系統中普遍采用鋼軌電位限制裝置與直流設備的框架保護共同完成對人員和設備的保護。為減少兩種保護裝置的誤動，保證直流牽引供電系統穩定運行和人員與設備的安全，需對以上兩種保護裝置的參數進行合理整定，從而避免裝置誤動。

1 框架保護與鋼軌電位限制裝置的特性

1.1 鋼軌電位限制裝置的特性

鋼軌電位限制裝置在直流牽引供電系統中，位于走行軌和結構地之間(見圖1)，其內主要短接裝置是接觸器支路和雙方晶閘管支路共同組成的并聯電路，是用來短接結構地和走行軌的。由于迷流散布于大地，在走行軌和結構地之間會出現危險的電位差(簡稱軌電位電壓)。在地鐵車站和停車場內，如果鋼軌電位限制裝置監測到該電壓超過整定值時即動作，將結構地和走行軌短接，使得鋼軌電位被鉗制在安全范圍內，此時直流牽引供電系統仍能維持運行；同時鋼軌電位限制裝置還監測流經自身的結構地和走行軌的短路電流值。當電流值低于整定值時，鋼軌電位限制裝置自動將短接裝置在設定時間到達后分斷，恢復至正常狀態；當電流值達到或高于整定值時，鋼軌電位限制裝置自動將短接裝置保持在短接狀態。

圖1 鋼軌電位限制裝置(VLD)結構示意

鋼軌電位限制裝置通常提供三段電壓保護設置，由低到高分別是一段動作電壓(U＞)，二段動作電壓(U＞＞)，三段動作電壓(U＞＞＞)。當鋼軌電位限制裝置監測到走行軌與結構地之間的電壓差大于裝置U＞時，接觸器合閘，在設定時間內保持合閘狀態，之后恢復成斷開狀態；當鋼軌電位限制裝置監測到走行軌與結構地之間的電壓差大于U＞＞時，接觸器永久合閘，不再恢復成斷開狀態；當鋼軌電位限制裝置監測到走行軌與結構地之間的電壓差大于U＞＞＞時，因接觸器的合閘時間不能夠滿足消除此電壓的時限，由鋼軌電位限制裝置內部與接觸器并聯的含觸發電路的雙反晶閘管回路在1 ms內導通，使走行軌與結構地連接，同時接觸器也啟動合閘，將在100 ms內完成合閘。接觸器合閘后，晶閘管回路立即斷開，而接觸器會自動閉鎖在合閘狀態。直至維護人員到現場查看設備，排除故障，將鋼軌電位限制裝置復位后，鋼軌電位限制裝置才返回正常運行狀態。

1.2 框架保護的特性

當直流開關設備內部正極對柜體發生短路故障時，為保護直流設備的安全，及時清除直流設備內的短路故障，框架保護裝置動作使對應交、直流斷路器跳閘，直流牽引供電被中斷，故障被迅速切除，從而保護供電設備及人員安全。框架保護主要由電流、電壓兩部分元件構成(見圖2)。電流元件監測設備外殼與結構地之間的唯一連接電纜中流過的故障電流。電壓元件測量直流設備外殼與直流負極之間的電壓，通過圖2可以看到直流設備外殼是通過單點與結構地短接，而直流負極又與走行軌短接，因此電壓元件的兩端電纜分別是連接到結構地與走行軌，所以電壓元件是監測走行軌與結構地之間的電壓，與鋼軌電位限制裝置監測相同設備的電壓，僅僅是測量點不同而已。因此，可以得出框架保護的電壓元件與鋼軌電位限制裝置是監測同一對象的兩種裝置。

框架保護的動作過程：當任意一個直流設備內部發生正極與外殼短路時，接地電流通過電流元件流入地網。再以兩種方式回到負極，一種方式是通過走行軌至負極；另一種方式是通過走行軌與結構地之間的過渡電阻及排流柜回到負極。此時電流元件監測到大于整定值的電流時啟動時間計數器，在設定時限到達時動作，將相應交、直流斷路器跳閘，框架保護電流元件可以保證切除故障。而與此同時電壓元件也監測到結構地與走行軌之間的電壓，當電壓大于整定值時，啟動時間計數器，在設定時限到達時動作，并對相應交、直流斷路器發出跳閘命令，切除故障。

圖2 框架保護裝置示意

2 框架保護電壓元件與鋼軌電位限制裝置的差異

2.1 動作后的結果不同

框架保護電壓元件一般設置兩段保護，當走行軌對結構地的電壓值達到框架保護電壓元件定值，并超過預設時間后，框架保護電壓元件會報警并跳本站所有直流牽引網的直流開關，本站直流牽引系統退出運行，中斷地鐵運營，會造成很大影響。鋼軌電位限制裝置在監測到走行軌與結構地之間的電壓達到保護定值后，只會采取短接走行軌與結構地，消除這個危險電壓，但并不會跳開任何直流牽引網的直流開關，影響較小。

2.2 使用差異

鋼軌電位限制裝置動作后將走行軌與結構地短接，是通過接觸器或雙反晶閘管短接，這種短接是沒有方向性的。因此，鋼軌電位限制裝置作為一種臨時措施用來消除走行軌與結構地之間出現的這種危及人身安全的電壓。如果鋼軌電位限制裝置動作頻繁，會對地鐵土建結構預防雜散電流起到一定的負面作用，造成的影響是不易引起地鐵維護人員重視的。因此，發生鋼軌電位限制裝置頻繁動作時，必須及時安排工作人員檢查直流牽引系統的整個回路是否存在接觸不良或是回流電纜損壞等情況。框架保護電壓元件如果發生動作，會將本站直流牽引網的直流開關全部斷開，必將影響到地鐵正常運營，造成的影響是顯而易見的。

3 兩種保護裝置的配合

鋼軌電位限制裝置與框架保護在直流牽引系統中的位置如圖3所示。

圖3 兩種保護裝置在直流牽引系統中的位置

正常運行狀態下，鋼軌電位限制裝置內的接觸器保持斷開，雙反晶閘管元件也處于不導通狀態，框架保護電壓和電流元件則處于監測狀態。當第三軌供電區段內有地鐵列車運行時，牽引電流通過走行軌回流到直流牽引供電負極。走行軌對結構地電位的大小主要取決于牽引電流、地鐵機車的位置、測量點的位置、走行軌與結構地之間的過渡電阻等因素。

圖4為單列列車運行時的鋼軌電位分布圖。

圖4 列車運行時的鋼軌電位分布

如：走行軌的電阻值約為30 mΩ/km，當合理設置均流電纜后，此數值將減小為20 mΩ/km，理想情況下，3 500 A的牽引電流引起的鋼軌壓降僅有70 V/km。

3.1 列車負荷過大

區段內同時有多列列車運行，列車負荷過大時，第三軌中的牽引電流瞬間增大且維持在高位，框架保護的電壓元件與鋼軌電位限制裝置同時都監測到鋼軌電位上升。由于此時直流牽引供電系統仍屬正常運行情況，不允許中斷地鐵機車直流牽引電源，因此不允許框架保護電壓元件動作。但是為了周圍人員的安全，必須要將鋼軌電位控制在允許范圍內。根據EN50122-1《鐵路應用-固定設備有關電氣安全和接地裝置的保護規定》（Protective Provisions Relating to Electrical Safety and Earthing)標準中規定的人體耐受電壓-時間特性曲線的要求，鋼軌電位限制裝置的U＞可以設定為90 V。此時為了防止框架保護的電壓元件誤動作，通常調整框架保護電壓元件的整定值與鋼軌電位限制裝置的U＞＞＞一致或略高，并且框架保護電壓元件動作時間的整定應長于鋼軌電位限制裝置的動作時間。這樣就可以保證鋼軌電位限制裝置在框架保護的電壓元件之前動作。在鋼軌電位限制裝置動作后，即將走行軌與結構地短接，走行軌與結構地之間的電壓被降至0 V附近，框架保護電壓元件就監測不到超過定值的電壓值，不會發出跳閘信號，就不會中斷直流牽引供電。這樣的配置關系既保證了人身的安全，同時又避免了因牽引網斷電引發地鐵運營中斷的重大事件發生。

如果在列車負荷過大時，走行軌與結構地之間的電壓上升達到并超過鋼軌電位限制裝置的U＞，而此時鋼軌電位限制裝置的PLC死機，接觸器拒動，當走行軌與結構地之間的電壓繼續快速上升達到雙反晶閘管自行導通的電壓值時，雙反晶閘管支路導通，同樣將走行軌與結構地之間的電壓被降至0 V附近，框架保護電壓元件就監測不到超過定值的電壓值，不會發出跳閘信號，就不會中斷直流牽引供電。這樣既保證了人身的安全，同時又避免了因直流牽引網斷電引發中斷地鐵運營的重大事件發生。因此框架保護的電壓元件的作用完全可以不計。

3.2 第三軌對結構地或對走行軌發生短路故障

第三軌對結構地或對走行軌發生短路故障時，結構地與走行軌之間的電壓被迅速抬升，框架保護的電壓元件與鋼軌電位限制裝置同時都監測到鋼軌電位上升。無論直流斷路器的保護裝置是否動作，鋼軌電位限制裝置因監測到過電壓而動作，短接走行軌與結構地，不僅保證了軌道附近人員的安全，而且將短路效果進行了放大，形成了一個金屬性的近端短路，使短路電流得到加強，促使直流斷路器的保護裝置加速動作。

如果第三軌對結構地或對走行軌發生短路故障時，而此時鋼軌電位限制裝置的PLC死機，接觸器拒動，當走行軌與結構地之間的電壓繼續快速上升達到雙反晶閘管自行導通的電壓值時，雙反晶閘管支路導通，短接走行軌與結構地。不僅保證了軌道附近人員的安全，而且將短路效果進行了放大，形成了一個金屬性的近端短路，使短路電流得到加強，促使直流斷路器的保護裝置加速動作。框架保護的電壓元件的作用完全可以不計。

3.3 直流設備內部發生短路故障

直流設備內部發生短路故障時，接地電流通過框架保護的電流元件流入結構地，再通過走行軌與結構地之間的過渡電阻回到走行軌(負極)。當接地電流達到整定值時啟動時間計數器，在設定時限到達時動作，框架保護的電流元件動作將相應交、直流斷路器跳閘，切除故障；同時鋼軌電位限制裝置也監測到負極與設備外殼間的電壓值，鋼軌電位限制裝置動作，短接走行軌與結構地。不僅保證了附近人員的安全，而且將短路效果進行了放大，形成了一個金屬性的近端短路，使短路電流得到加強，促使直流斷路器的保護裝置加速動作。框架保護的電壓元件在當電壓大于整定值時啟動時間計數器，在設定時限到達時動作，此時故障已被框架保護的電流元件切除。因此框架保護的電壓元件的作用完全可以不計。

4 結束語

綜上所述，在地鐵直流牽引供電系統中，鋼軌電位限制裝置完全可以替代框架保護的電壓元件的功能。因此，設置有采用負邏輯控制、內含觸發電路雙反晶閘管的鋼軌電位限制裝置的地鐵牽引變電站內完全不必重復安裝框架保護的電壓元件。這樣，既可以降低投資，還可以簡化保護定值的設置，避免由于兩種保護定值配合不好或是框架保護電壓元件誤動作造成直流牽引系統供電中斷而引發地鐵停運的惡性事件，避免給地鐵運營方帶來巨大的社會負面影響。

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