城市軌道交通直流牽引系統接地保護問題探討

中鐵電氣化局集團有限公司 張 斌 王衛東

城市軌道交通直流牽引系統接地保護問題探討

中鐵電氣化局集團有限公司 張 斌 王衛東

隨著城市軌道交通的快速發展，我國建成運營的城市軌道交通線路越來越多。除了重慶跨座式單軌采用了負極回流軌（即四軌）的跨座式單軌交通直流牽引系統外，我國絕大多數城市的軌道交通均采用的是正極接觸網或接觸軌供電、負極鋼軌回流的牽引方式。

一、鋼軌回流方式直流牽引系統的接地保護

1.直流框架保護。所謂框架即直流設備外殼，直流框架保護實際上就是直流接地保護。直流框架保護的主要作用有：一是為了防止牽引變電所內直流開關柜內部設備的絕緣降低而對人身造成傷害；二是當開關柜內正極直接碰殼發生短路時，可以快速切除故障，起到保護作用。直流框架保護由1個電流元件和1個電壓元件組成，其保護原理接線如圖1所示。

圖1 直流框架保護原理接線

由圖1可知，由于電流元件是一個能承受100 kA短路電流、阻值為0.15 mΩ的分流器，其一端接設備外殼，另一端與變電所地網相連，因而設備外殼與地是完全連通的。直流設備絕緣安裝的目的是讓泄漏的電流流經電流元件，從而起到收集泄漏電流的作用。電壓元件一端接鋼軌（負極），另一端接框架（即地），它和鋼軌電位限制裝置的接法是一樣的。

（1）電流元件。電流元件是框架保護的主保護。一旦直流開關柜內發生正極碰殼故障，電流元件即會啟動，保護動作（跳閘）后，將該所斷路器閉鎖合閘。

（2）電壓元件。電壓元件作為后備保護被而整定為報警和跳閘二段，并被設置就地的投入/切除功能。當鋼軌對地絕緣良好或絕緣泄漏電阻大，不利于電流元件的檢測和動作時，電壓元件即會檢測到故障發生時的地–鋼軌（負極）電壓，并動作跳閘。

當變電所內直流設備的正極對外殼短路、接觸網對架空地線或鋼軌短路時，地電位或鋼軌電位就會升高，電壓元件即會在鋼軌和地之間檢測到電壓。當該電壓大于電壓元件的整定值時，電壓元件就會報警或動作，相關的斷路器就會跳閘。

框架電壓保護動作后，該牽引所的直流饋線斷路器和整流器進線中壓開關就會全部跳閘。這屬于嚴重故障。因此，框架電壓保護只能作為鋼軌電位限制裝置的后備保護。在確保安全電壓和可靠運行的前提下，要合理設定兩者的電壓動作值和延時值，保證鋼軌電位限制裝置接觸器先動作。通常鋼軌電位限制裝置的U＞設定在90 V以內，延時設定在0.6 s內，瞬時動作閉鎖U＞＞值設定為DC（直流）150 V；而框架電壓的報警值設定在DC（直流）95 V，計數延時為0.8 s，跳閘值為DC（直流）150 V，計數延時在0.5 s以上。在實際運營中，由于鋼軌電位經常莫名升高，且長期達到電壓元件動作值，因而為了不影響運營，很少投入框架電壓保護。

2.直流饋線保護。牽引變電所的每臺直流饋線開關柜里都裝有一臺直流饋線保護單元：除斷路器本身具有大電流脫扣保護外，還配置有電流速斷保護（Imax）、電流上升率（d i/d t）及電流增量（ΔI）保護、接觸網過負荷保護、雙邊聯跳保護、線路測試和自動重合閘裝置。這些保護裝置可根據故障類型選擇性啟動。

鋼軌采用絕緣安裝，按照《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》（CJJ49–92）第4.2.1條規定：兼用作回流的地鐵走行軌與隧洞主體結構（或大地）之間的過渡電阻值（按閉塞區間分段進行測量并換算為1 km長度的電阻值），對于新建線路不應小于15 Ω?km，對于運行線路不應小于3 Ω?km。理論上，短路回路阻值較大，應該是小電流。但在實際測量中，鋼軌與大地的過渡電阻通常只有1 Ω左右，低的甚至會降到0.5 Ω以下，即鋼軌和大地基本是連通的，所以正極對地短路實際上也會產生很大電流。因此，直流饋線保護對于軌道交通的安全運營有著舉足輕重的作用。

二、跨座式單軌交通直流牽引系統的接地漏電保護

重慶輕軌為跨座式單軌交通系統，采用的是日本技術，車輛通過橡膠輪胎在軌道橋梁上運行。該系統接觸網的額定電壓為DC1 500 V；剛性接觸軌垂直布置在軌道梁兩側，一側為正極，另一側為負極；鋁合金匯流排通過絕緣安裝的支持絕緣子“T”形托架固定，并通過調節孔垂直調整拉出值。

1.接地漏電保護裝置的工作原理。為了能快速切除接觸網正極對地的短路故障，避免電壓波動，保證直流設備的正常運行和乘客安全，在牽引變電所的負極與地之間設置接地漏電保護裝置（以下稱64D）是十分必要的。接地漏電保護裝置原理如圖2所示。

圖2 接地漏電保護裝置原理

（1）車輛在區間運行時的保護動作情況。由圖2可知，當車輛內部發生正極對車體外殼絕緣降低的情況時，GR動作，車輛內部的線路斷路器LB跳開。當發生車輛內部正極對外殼短路（實際上是正負極短路）或正極接觸軌對地短路故障時，由于GR或64D動作時間較慢，因而直流饋線保護裝置會快速啟動，斷開故障線路，并聯跳鄰所對應開關。

（2）車輛在站臺停靠時的保護動作情況。當車輛運行到車站時，車體外殼就會與地連接，如果此時車輛內部正極絕緣不良發生對地泄漏，就要考慮車輛上GR與變電所64D的配合問題。一般車輛上的接地漏電保護裝置GR整定值為100 V，動作后車輛的線路斷路器LB跳開。變電所接地漏電保護裝置64D的動作電壓一般整定為200 V左右，動作后變電所所有直流饋線斷路器跳開，并啟動重合閘。

2.接地漏電保護與框架電流保護的配合。為保證直流設備的安全可靠運行，直流系統仍需保留框架保護的電流元件。接地漏電保護與框架電流泄漏保護配合原理如圖3所示。

圖3 接地漏電保護與框架電流泄漏保護配合原理圖

由圖3可知，框架電流保護主要用于變電所內的直流設備正極碰殼保護，64D主要用于直流饋線正極絕緣不良和正極接地短路保護。當直流開關柜內部發生正極對框架絕緣不良或正極對地短路時，因為框架電流保護時間為瞬時，64D啟動跳閘時間一般為延時0.3 s，所以框架電流保護會先于64D啟動。當直流饋線正極絕緣不良和正極接地短路時，直流饋線保護裝置和64D均會啟動，框架電流保護則不會啟動。

三、關于鋼軌電位限制裝置的接地問題

在采用鋼軌回流的直流牽引供電系統中，由于鋼軌采用絕緣安裝，因而需要在鋼軌與地之間設置鋼軌電位限制裝置，以防鋼軌電壓過高對人體造成傷害。

1.鋼軌電位限制裝置動作原理。鋼軌電位限制裝置一般由接觸器、晶閘管、保護單元、顯示設備、測量和操作回路、信號回路等部分組成，動作原理如圖4所示。

圖4 鋼軌電位限制裝置動作原理

鋼軌電位限制裝置的動作特性為三級檢壓：

當U＞為90 V時，延時0.6 s直流接觸器動作，鋼軌與大地短接，經10 s斷開。閉鎖狀態下，當短路裝置在2次動作時間間隔小于60 s且連續動作3次后，短路裝置不再斷開；2次動作時間間隔大于60 s時，則重新計數。

當U＞＞為150 V時，直流接觸器動作，無延時永久合閘，不再斷開。

當U＞＞＞為600 V時，晶閘管裝置瞬時短接鋼軌與大地，然后啟動接觸器合閘，接觸器合閘時間不大于100 ms。接觸器合閘后晶閘管立即恢復高阻狀態，接觸器閉鎖保持在合閘狀態。

2.鋼軌電位限制裝置與直流系統接地保護。國內最初引進此項技術時，每個牽引變電所都設有2臺鋼軌電位限制裝置，即上、下行分開，這樣就便于查找鋼軌電位升高的原因。現在的普遍做法是將上、下行鋼軌通過均流電纜連接在一起，每個變電所只設置一臺鋼軌電位限制裝置。這樣做的結果是當鋼軌電位升高時，無法很快區分出到底是哪條鋼軌絕緣不良，也使鋼軌電位限制裝置動作時雜散電流泄漏的概率增加了一倍。

從目前國內地鐵鋼軌回流方式直流牽引系統的實際運營情況來看，鋼軌電位升高、鋼軌電位限制裝置動作頻繁的現象較為常見，個別運營線路的鋼軌電位甚至長期處于150 V左右的高位，鋼軌電位限制裝置完全發揮不了其應有的作用。

鋼軌回流方式不像跨座式單軌那樣有64D作為專用的短路回路，因而發生直流系統正極對地短路（包括直流饋線保護和框架電流保護）時，直流饋線保護的靈敏性和可靠性會下降，整定值不合適就有可能不會快速跳閘，給地鐵的安全運行和乘客的人身安全帶來巨大隱患。

四、結論

從目前國內地鐵實際運營情況來看，鋼軌電位限制裝置不僅沒有起到其應有的作用，反而還因其長期投入帶來了雜散電流的泛濫，危及地鐵系統的運行安全，但不投入又會給乘客的人身安全帶來隱患。因此，筆者建議取消牽引變電所鋼軌電位限制裝置，同時參照跨座式單軌交通直流牽引系統加裝接地漏電保護裝置。這樣做有三個好處：一是把鋼軌對地電壓限制在一個安全水平，可以有效保證乘客的人身安全；二是解決了鋼軌電位限制裝置帶來的雜散電流對地鐵之外大地的擴散問題；三是提供了直流系統正極對地短路的回路，提高了直流接地保護裝置的靈敏性和可靠性。