地鐵直流系統中框架保護原理及處理程序

摘要：分析城市軌道交通直流系統設置框架保護的原因及動作原理，闡述直流框架保護電流保護、電壓保護及鋼軌電位限制裝置動作配合關系，了解直流系統框架保護應急處理程序。

關鍵詞：直流框架保護 鋼軌電位限制 處理程序

1 概述

在地鐵直流牽引供電系統中，為了給機車提供直流1500V電源，每個牽引降壓變電所內有兩個整流機組，將電壓等級為35kV的交流電源轉換為直流1500V電源送到直流母排，直流母排通過饋線斷路器向接觸網供電；而接觸網采用雙邊供電方式，在每個區間內的接觸網由兩個變電所供電。當直流帶電設備對直流柜柜體發生泄漏或絕緣損壞閃絡時，基于直流設備安全供電的考量，將直流設備內發生的短路故障迅速切除，直流系統設置了直流框架保護，如果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，框架保護動作切斷直流開關，防止故障點以外的部位受牽連，確保設備安全。

2 框架保護原理

框架保護分為電流型框架保護和電壓型框架保護兩種。直流牽引供電設備內部絕緣材料一旦失去功效，便可能危及人身安全，為防止人身傷害事故發生，可將直流系統框架泄漏保護裝置安裝在牽引降壓變電所內，該保護主要包括反映直流泄漏電流的過電流保護以及反映接觸電壓的過電壓保護，而過電壓保護還作為鋼軌電位限制裝置的后備保護與車站的鋼軌電位限制裝置相配合。MB型直流開關柜·框架泄漏保護·電流元件：直流開關柜柜底安裝有絕緣墊，從而保證直流開關柜與大地絕緣。將低阻抗電流繼電器兩端分別與直流開關柜柜體和系統地相連接，當柜體對地故障泄漏電流大于整定值（80A）時，繼電器發出動作信號，從而保證人和設備的安全。MB 型直流開關柜·框架泄漏保護·電壓元件：在直流牽引系統中，由于運行和短路電流，回流軌和框架接地系統之間可能會產生泄露電壓。因此，在回流軌與框架接地系統之間安裝一個限壓裝置，可以防止過高泄露電壓的產生。90V報警；150V跳閘。電壓型框架保護判斷整流器負極與整流機組外殼之間的電壓，當測量的電壓值大于定值時判斷為外殼帶電，保護跳開所有整流機組的交流進線開關和直流進出線開關。框架保護一旦電壓型動作后，本所的直流牽引系統全部跳閘，并閉鎖本所斷路器；電流型動作后閉鎖本所斷路器，與本所相鄰的牽引所的直流饋線開關也會跳閘，并閉鎖鄰所開關的重合閘。

3 鋼軌電位限制裝置保護原理

在直流牽引系統中，由于操作電流和短路電流的存在，可能會引起回流回路和大地間產生超過安全許可的接觸電壓。在此情況下，就需要在回流回路與大地間裝設一套鋼軌電位限制裝置，檢測的是鋼軌和地之間的電壓。以限制運行軌電位，避免超出安全許可的接觸電壓的發生。當發生超出安全許可的接觸電壓時，此鋼軌電位限制裝置就將鋼軌與大地快速短接，從而保證人員和設施的安全。

3.1 鋼軌電位限制裝置動作特性 在供電分區無車輛通行，且牽引直流系統狀態穩定時，鋼軌對地電位是零；當供電分區接觸網短路或有車輛通行時，受鋼軌對地泄漏電阻的影響，鋼軌電位被迅速抬高，在鋼軌電位達到上限值后，鋼軌電位限制裝置隨即動作使鋼軌接地以降低鋼軌的電位，以免電位過高傷及鋼軌上的作業人員。西安地鐵主要采用接觸器、晶閘管等元件來制造鋼軌電位限制裝置。鋼軌電位>90V，裝置延時800ms后隨即動作，使接地網與鋼軌連接來降低電位，裝置連續動作3次，鋼軌電位仍大于限定值，電閘閉合后不再斷開；鋼軌電位>150V，鋼軌電位限制裝置無延時永久合閘；鋼軌電位>600V，100ms之內晶閘管導通，鉗制鋼軌對地電位，同時將合閘指令發送至接觸器。

3.2 鋼軌電位限制裝置與電壓型框架保護動作分析 雖然電壓型框架保護和鋼軌電位限制裝置都能用于鋼軌電位對地電壓的檢測，但二者在適用范圍、功能等方面也存在明顯的區別。比如電壓型框架保護是以動作跳閘的形式應用于直流設備的保護，跳閘后將設備短路故障以及直流絕緣泄漏故障切除，引起本所6個直流開關柜和進線兩個35kV整流變柜跳閘，在單邊供電區間會短暫影響運行；而鋼軌電位限制裝置不動作跳閘就能降低鋼軌對地電壓，且不會妨礙牽引直流系統正常工作，既能避免鋼軌電位過高危害鋼軌上的作業人員，又可確保正常通車。

一般情況下，電壓型框架保護裝置比鋼軌電位限制裝置的整定時間長，一旦鋼軌電位急劇升高，通常整定時間較短的鋼軌電位限制裝置率先動作，使鋼軌連接接地網，從而避免鋼軌作業人員的生命安全受到威脅；一旦鋼軌電位限制裝置拒動，電壓型框架保護裝置隨即動作于跳閘，其動作參數包括：①鋼軌電位>90V，電壓型框架保護裝置延時1500ms后預警。②鋼軌電位>150V，電壓型框架保護裝置延時900ms發出動作信號。

4 故障舉例

注意：電壓型框架保護動作后，只跳開本所的直流牽引系統的所有開關；而電流型框架保護一旦動作后，除了本所的直流牽引系統全部跳閘，與該所相鄰的牽引所的部分直流饋線開關也會跳閘。以下以永寧門站為例：

如圖：若永寧門站的負極對框架的電壓升高到150V時，已經達到框架保護的啟動電壓，永寧門站的框架電壓型保護動作，永寧門站的106、107、201、202、211、212、213、214開關跳閘；當永寧門站當框架對地故障泄漏電流大于整定值80A時，電流型框架保護動作，永寧門站的106、107、201、202、211、212、213、214開關跳閘；同時永寧門站會同時向安遠門站、小寨站發聯跳信號，安遠門站的213、214開關、小寨站的211、212開關也跳閘。這樣一來，從安遠門到小寨區段的接觸網都會停電，從而使有故障的設備與有電區域徹底隔離，保證了人身及設備的安全。

5 應急處理程序

①電調通過PC機確認故障類型及開關動作情況。②如果是電壓型框架保護動作，通知值班主任、行調、發生電壓型框架保護，故障所退出運行，故障所相對應供電分區目前為單邊供電。要求維調立即派人到故障牽混所檢查處理故障。③如果電流型框架保護動作，通知值班主任、行調：正線接觸網事故停電，停電區段；要求維調立即派人到故障牽混所檢查處理故障。④電流型框架保護動作，要求值班員打開負極柜后門，按下柜內電流繼電器，繼電器上的紅色按鈕復位繼電器復位，然后在直流開關柜側面板處，按下“復歸按鈕”進行復位。⑤如果能復歸：分該所饋線上網隔離開關進行越區供電。⑥如果不能復歸：要求值班員解除發至鄰所的聯跳信號，相鄰牽混所直流饋線開關將自動重合閘，電調確認開關動作正常；如果沒有自動合閘，電調則立即操作合閘，確認開關合閘成功。⑦故障檢查完畢，可以恢復運行時，待非運營時間恢復至正常運行方式。

6 結論與建議

①框架保護的必要性。經過上述對框架保護原理與故障的分析，我們可以得出以下結論：框架保護主要是保護直流牽引系統設備，是重要而不可缺少的。②框架動作的影響面大，恢復時間長。為了避免其誤動應重點考慮與軌電位的保護匹配，主要考慮兩者之間的延時配合以提高系統保護的可靠性。③框架保護動作分為電流型和電壓型兩種。如果是電流型框架保護動作，故障很可能在變電所內；電流型框架保護直接影響接觸網供電，應第一時間判斷清楚故障性質，同時在送電前一定要確認故障區段的列車均已降弓；信息，記錄重要信息；而電壓型框架保護動作，故障很可能在變電所外。電壓型框架保護動作對行車基本上不造成影響，在處理時應以優先保行車，后處理故障為原則；發生在車輛段或末端所時應第一時間考慮越區供電；這兩種保護動作處理的方法是不同的，為了減少處理時間，電調必須在遠方能判斷框架保護動作的類型，至正常運行方式。

參考文獻：

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作者簡介：趙欣健（1975-），女，陜西寶雞人，助理工程師，研究方向：地鐵供電。