減少城市軌道交通牽引變電站電流型框架保護動作的技術措施

曹 莉

（上海地鐵維護保障有限公司供電分公司，200233，上海∥工程師）

減少城市軌道交通牽引變電站電流型框架保護動作的技術措施

曹 莉

（上海地鐵維護保障有限公司供電分公司，200233，上海∥工程師）

介紹牽引變電站電流型框架保護動作原理、特性，以及近4年來電流型框架保護在上海軌道交通牽引供電系統的動作情況；分別從保護動作次數、發生的線路情況、故障原因等3個方面進行統計分析。結合實際情況提出了減少牽引變電站電流型框架保護動作的技術措施。

城市軌道交通；牽引變電站；電流型框架保護；技術措施

Author'saddressThe Power Supply Branch，Shanghai Rail Transit Maintenance，Co.，Ltd.，200233，Shanghai，China

電力牽引供電系統是城市軌道交通系統的重要組成部分。牽引供電系統的各種保護設備對整個供電系統顯得尤為重要，其中，框架保護又是牽引供電系統中的一個重要保護手段。框架保護可以起到中斷牽引變電站直流供電輸出的作用。根據框架保護動作的原理，框架保護可分為電流型框架保護和電壓型框架保護。其中電流型框架保護發生后會使一個供電區段內接觸網停電，影響故障區段線路的正常運營，嚴重情況下可引起變電站內設備受損，造成線路部分停運。因此，減少框架保護動作次數是非常有必要的，特別是要減少電流型框架保護次數。這對變電站電力設備的可靠運行和列車的安全、正點運行具有重大意義。

1 框架泄漏保護原理及作用分析

1.1 框架泄漏保護原理及保護作用范圍

1）電壓型框架保護：電壓型框架保護檢測回路接在負母線與接地極之間。當直流供電系統任何一處發生正極對地絕緣降低或短路，保護裝置檢測到的電壓大于或等于定值時，保護裝置瞬時動作，切除全部有關的斷路器。電壓型框架保護動作范圍為跳開本站2臺整流變壓器開關及全部直流開關，同時聯跳鄰站相應的直流開關，但不發出持續閉鎖信號。電壓型框架保護將先于各個變電站鋼軌電位限制裝置一階段設定值進行工作，以防止設備絕緣擊穿，避免嚴重的事故。

2）電流型框架保護：直流設備的框架（外殼）采用了單點經電流繼電器或分流器接地的方式。直流開關及母線的外殼通過電纜與整流器柜外殼連成一體，在負極柜設置接地。采用這種方式接地的目的有2個：①監測電極（尤其是正極）是否對外殼放電；②通過對這個單一接地放電點的電流進行預設，可以在框架泄漏電流達到最大放電電流前發出動作信號，使任何能往該故障框架供電的交直流開關跳閘，以減輕設備絕緣損壞的程度。電流型框架保護動作范圍為跳本站2臺整流變壓器開關及全部直流開關，同時聯跳鄰站相應的直流開關，并且發出持續閉鎖信號。鄰站直流開關恢復送電需在本站故障信號復位后方可執行。目前，新建線路已取消電流型框架保護動作后對鄰站的閉鎖功能，如上海軌道交通6、8、9號線。

1.2 框架保護的動作原理及作用

在直流開關帶電設備對直流柜柜體發生泄漏或絕緣因損壞而降低時，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，故設置了直流框架保護。一旦直流開關帶電設備對直流柜柜體發生泄漏或絕緣損壞，則框架保護動作，使有關直流開關跳閘斷電，以有效切斷故障，從而保護了設備的安全。

1）電流型框架保護動作原理：如圖1所示，電流檢測元件接在絕緣的開關柜（在圖1的直流設備內）外殼和變電所接地網之間，有一個分流器作為泄漏電流采樣之用。直流系統正常運行情況下，電流檢測回路沒有電流通過。當任意一個直流設備內正極對外殼短路時，接地電流通過電流檢測元件流入地網，再通過鋼軌與地之間的絕緣泄漏電阻或排流柜回到鋼軌（負極）［1］。當接地電流達到整定值時，使電流檢測元件動作，啟動電流型框架保護。

圖1 框架泄漏保護及鋼軌電位限制裝置接線圖

2）電壓型框架保護動作原理：如圖1所示，電壓檢測元件的一端接于直流電源負極，另一端接設備外殼。電壓檢測元件有2種功能，第一階段是報警，第二階段是跳閘。當正極對外殼短路，且直流設備內負極電位對地出現偏差時，外殼電位升高，電壓檢測元件會在鋼軌和地之間檢測到一個電壓，當這個電壓大于電壓檢測元件整定值時，則啟動電壓型框架保護。

1.3 電流型與電壓型框架保護的比較

在城市軌道交通牽引直流供電系統中，框架保護通常同時設有電壓型框架保護和電流型框架保護2種類型。因牽引變電站發生電流型框架保護動作時，本站直流開關4臺全部動作，同時聯跳鄰站相應的直流開關，且對鄰站直流開關發出持續閉鎖信號，這會造成一個區段的接觸網失電而直接中斷該區段列車運行。電壓型框架保護動作時，較新建造的線路（如上海軌道交通6、7、8號線）只跳開本站牽引整流變開關及直流開關，鄰站相應的直流開關不動作；老線（如上海軌道交通1、2號線）的電壓型框架保護動作時，鄰站相應的直流開關動作，但不閉鎖，故障信號復位后，方可對鄰站的直流開關恢復送電，不會造成一個區段5 min以上的接觸網失電，也不會引起列車運行的中斷。所以，就2種類型的框架保護帶來的后果嚴重性，本文將重點分析電流型框架保護情況，分析減少及避免電流型框架保護動作的技術措施。

2 電流型框架保護動作情況分析及預防措施

2.1 電流型框架保護動作次數統計分析

現對上海軌道交通2010年—2013年共4年的全網絡運行線路牽引變電站的繼電保護情況進行統計匯總。其中，專項統計牽引變電站發生的電流型框架保護情況如表1所示。4年內全網絡電流型框架保護共計發生15次，電流型框架保護動作基本可控，牽引設備運行狀態良好。

表1 上海城市軌道交通牽引變電站發生的電流型框架保護統計

根據表1數據可知，2011年、2012年的電流型框架保護動作比2010年明顯降低。這與部分線路牽引變電站整流柜內部加裝絕緣擋板的技術改造措施有密切聯系。2013年電流型框架保護動作明顯增加，較2012年同比增長68%。因此，研究減少電流型框架保護的技術措施，顯得尤為重要。

2.2 各線路電流型框架保護動作情況統計

現對上海軌道交通各線路2010—2013年，牽引變電站發生電流型框架保護情況進行統計匯總，如圖2所示。

圖2 2010—2014年各線路電流型框架保護動作分布情況

由圖2可見，2010—2013年電流型框架保護，并無規律可尋，運營10年以上的線路和剛開通運營1年的線路都有發生。從這點分析，電流型框架保護動作與設備的新舊程度沒有直接聯系。根據發生的次數統計，主要集中在11號線、2號線、9號線、8號線，其中發生次數各為4次、4次、2次、2次。

現重點對上述4條線路牽引變電站的牽引直流設備、設備房的溫濕度、設備用房土建情況、電纜層封堵等各方面進行分析，以查找多次發生電流型框架保護的故障原因。

2.3 電流型框架保護動作發生的故障原因

根據2010—2013年上海城市軌道交通全網絡發生的15次電流型框架保護動作情況，對其發生的故障原因進行了逐一分析，總結歸納后發現主要集中在以下方面。

1）因設備房孔洞封堵存在隱患，小動物（如老鼠）通過孔洞進入整流器柜內部，造成短路而引起柜內快速熔斷器熔斷。

2）設備房因前期土建施工未到位，存在滲漏水情況。長期濕度過高（超過75%以上），整流器柜上方存在滲漏水點。因整流器柜上方是開放式的，滲漏水積聚較多時滴入整流器柜內部，造成短路。前期設計施工考慮不周，部分牽引變電站整流器柜正上方有送排風系統的風口通過。夏季白天開啟車站冷水機組，夜間列車停運期間關閉冷水機組，加之設備房的通風系統與車站為一體，導致設備房形成晝夜溫差，易產生冷凝水（凝露）。若整流器柜上方有風口開設，產生的冷凝水積聚到一定程度，將滴入整流器柜內部，造成短路。

3）內部元器故障，例如：因直流開關小車本體故障、測試接觸器絕緣擊穿、測試回路電纜線絕緣擊穿熔斷等，導致NC23、NC24開關損壞，使直流開關對地連接點絕緣下降，造成正極母排對外殼放電，引起保護動作。

4）不同型號的直流開關內部機械操作機構不同，人為操作不當也會造成電流型框架保護動作的發生。

5）設備絕緣下降或其他原因也會造成電流型框架保護動作的發生。例如：由于直流開關小車觸頭與母排接觸不夠緊密，導致接觸電阻較高，在運行過程中，該接觸部位持續發熱，最終融化金屬部件；高溫同時造成柜體內氣體分子活躍度大幅提高，致使空氣絕緣被擊穿，導致電流型框架保護動作。

現將2010—2013年共計15次電流型框架保護動作的故障原因進行統計，如圖3所示。

圖3 2010—2014年電流型框架保護動作原因統計

由圖3可以看出，在2010—2013年電流型框架保護動作的故障原因中，小動物進入整流器柜內、內部元器件故障、設備房濕度過高引起滴露滴進設備內造成短路、人為操作不當、整流設備絕緣下降等這5個原因引起的電流型框架保護動作頻次較多。現就如何避免這5方面故障發生的技術措施進行探討。

3 減少電流型框架保護動作發生的技術措施

為減少電流型框架保護動作發生的主要技術措施如下。

1）由小動物進入整流器柜內部造成短路，從而引起的電流型框架保護動作對設備的損壞是嚴重的。針對防止小動物進入整流器內部，可采取的技術措施有：①既有線路應加強對變電站封堵情況的排摸檢查。每月進行電纜層巡視檢查時，重點關注整流設備的孔洞封堵狀況，發現孔洞應及時封堵。②要求設備房房門緊閉，防止小動物從車站公共部位竄入設備房內，以免造成設備故障。③關注整流設備上方通風系統管道封堵狀況。④在接管新線過程中，就應重點關注牽引設備房間的封堵，應采用擋鼠板等輔助手段做好預防工作。

2）要嚴格控制牽引設備房的濕度，當濕度超過75%時，必須開啟設備內的加熱器，以免濕度過高引起電流型框架保護動作。同時，應關注整流器柜上方是否有風管或者消防報警系統設備。因車站白天、晚上制冷系統開啟、關閉時，易產生冷凝水，而整流器柜上方為開放性設備，若冷凝水滴入，則易造成電流型框架保護動作。若整流器柜上方有其他設備，一般均采取相應的防護措施，如加裝復合材料型隔離板等。按照上海申通地鐵集團的工程建設標準，明確牽引變電站整流器柜（以及其他電力設備）上方禁止有管線穿越，如確需穿越，則需保留一定的安全間距。

3）為防止整流設備內部故障和絕緣下降，運行和檢修人員應該嚴格按照運行規程、設備檢修規程定期對整流器進行維護保養和測試，以確保設備運行的安全穩定。同時，整流器制造廠家應加強對整流器的關鍵元器件進行工廠測試，針對壓敏電阻和阻容吸收回路的時間參數進行測試，以進一步優化整流器的系統參數。為減少整流器內過電壓放電的故障，建議廠家在安裝條件合適的情況下，將整流器的內部空間適當放大，從而加大帶電部分與框架的空間距離，以增加設備的安全運行間距。

4）為減少人為因素造成的保護動作，必須從設備停送電的組織措施和技術措施著手，嚴格按照電氣設備操作的安全規定進行工作。強化現場工作負責人和監護人的作用，重要施工及多步操作必須由2人執行，1人操作、1人監護，互相把控。同時，施工前必須做好相應的安全交底，操作人員明確本次施工的安全風險點如何控制。

5）在整流器柜內部側面加裝絕緣擋板，通過安裝絕緣擋板來增加整流柜母排對外殼的絕緣程度，減少電流型框架保護動作的次數。目前，上海軌道交通2號線龍陽路停車場牽引站已做了相應改造，安裝了絕緣擋板并在整流器柜的安裝支架上加裝了絕緣護套，很好地提升了絕緣效果。自改造后該站未發生過電流型框架保護動作。

4 結語

本文通過介紹電流型框架保護的工作原理以及近4年上海城市軌道交通牽引變電站的電流型框架保護動作的情況統計分析，提出了減少電流型框架保護動作的相應技術措施，以供同行們參考。

［1］ 丘玉蓉，田勝利.地鐵直流1 500 V開關柜框架泄漏保護探討［J］.電力系統自動化，2001（25）：14.

［2］ 廣州地鐵公司.廣州地鐵1號線牽引供電（框架保護）安裝試驗報告［R］.廣州：廣州地鐵公司，1998.

On Technical Measures to Reduce Current Type Frame Protective Action in Urban Rail Transit

Cao Li

The principle and characteristics of the current type frame protection in traction substation，the situation of the current frame protective action in traction power supply system of Shanghai metro in the past 4 years are introduced.Three main aspects：action time，occurred lines and failure causes are statistically analyzed.Moreover，combined with the actual situation，some technical measures to reduce the current type frame protective action in traction substation are proposed.

urban rail transit；traction substation；current type frame protection；technical measures

U 224.4

2014-04-22）