框架保護與鋼軌電位限制裝置保護的研究

劉建華 李 艷 劉 旭

(中國礦業大學信息與電氣工程學院，221116，徐州//第一作者，副教授)

框架保護是地鐵牽引供電系統中最直接、影響范圍最大的一種保護，但在實際運行過程中，框架保護在鋼軌電位過高時會發生誤動作，從而導致大范圍的斷電事故，影響列車正常運行?？蚣鼙Ｗo誤動作的主要原因是鋼軌電位限制裝置(OVPD)與框架保護的整定配合不合理。因此，進一步研究框架保護的工作原理及動作原因，調整好直流框架保護與鋼軌電位限制裝置的動作配合關系，對地鐵安全可靠運行具有重要作用。本文通過比較目前框架保護的幾種配置方案，從縮小框架保護的故障范圍，提出一種性價比最優的控制方案。

1 設置框架保護及鋼軌電位限制裝置保護的必要性

1.1 設置直流框架保護的必要性

在直流牽引變電所內，當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，原有的直流保護將起不到應有的作用。此外，牽引變電所內的直流供電設備采用絕緣安裝，如果直流設備內的正極對設備外殼發生泄漏沒有得到及時處理，則會引起正極負極間的短路故障。因此，設置框架保護是必不可少的?？蚣鼙Ｗo可解決直流供電設備正極與柜體間發生的短路故障，當正極對柜體外殼發生絕緣損壞時，框架保護能及時切除故障，保證系統的安全運行。

1.2 設置鋼軌電位限制裝置的必要性

在地鐵直流牽引供電系統中，不論是接觸軌式系統還是架空接觸網式系統，均采用鋼軌作為回流軌，而鋼軌又存在漏泄電阻，因此，列車在供電區間內正常運行時，不可避免地造成鋼軌對地電位的升高。鋼軌電位過高將對乘客的人身安全造成威脅，為此必須設置鋼軌電位限制裝置。影響鋼軌電位的因素主要有線路上列車的數量、負荷電流、牽引所的間距、鋼軌-地間的過渡電阻等。

2 保護原理

2.1 框架保護的工作原理

直流框架保護裝置包括電流檢測元件和電壓檢測元件，如圖1所示。其中，電流檢測元件接于設備外殼與地之間，用于檢測外殼與地之間的故障電流;電壓檢測元件用于檢測設備外殼與直流設備負極之間的電壓。由于小電阻可忽略不計，可認為設備外殼直接接地;又由于鋼軌與直流設備負母排相連，所以鋼軌電位限制裝置檢測的電壓與框架保護檢測的電壓是同一個電壓。

圖1 框架保護裝置原理圖

當直流牽引供電系統正常工作、設備絕緣良好時，沒有電流通過框架保護的電流檢測回路，則該保護裝置不工作。當直流設備的絕緣性能降低時，如果設備發生短路或對柜體外殼放電，接地電流通過電流檢測元件流入地網，然后通過鋼軌與地之間的絕緣漏泄電阻(或排流柜)回到鋼軌負極。當接地電流大于整定值時，電流框架保護動作，將35 kV 斷路器及該牽引變電所的所有直流斷路器斷開，并把向相同供電區間供電的牽引變電所的直流斷路器也斷開。

電壓檢測元件的動作分為報警和跳閘2 部分。當柜體外殼與直流設備正極發生短路故障時，電壓檢測元件將在負極和外殼之間檢測到電壓，如果該電壓值大于電壓檢測元件的整定值，則電壓檢測元件根據整定時間進行動作，將35 kV 斷路器及該牽引變電所的所有直流斷路器斷開，并把向相同供電區間供電的牽引變電所的直流斷路器斷開。

故障排除后，需人工復位框架保護，斷路器才可以重新合閘。

2.2 鋼軌電位限制裝置工作原理

鋼軌電位限制裝置主要由直流接觸器、晶閘管、控制器等元件組成，其原理示意圖如圖2所示。鋼軌電位限制裝置一端連接變電所接地網，一端接到鋼軌上，測量鋼軌與地之間的電壓。

當某供電區間無車時，在直流牽引系統正常工作的情況下，鋼軌與地之間的電位為零。當供電區間內有車或發生短路故障時，由于鋼軌和地之間存在漏泄電阻，鋼軌電位迅速升高;當鋼軌電位超過設定的閾值時，鋼軌電位限制裝置啟動，短接鋼軌與接地網，使鋼軌電位下降，保護車站旅客的人身安全。

圖2 鋼軌電位保護裝置原理圖

3 保護的實現

3.1 鋼軌電位保護實現

鋼軌電位限制裝置采用三段式保護。設鋼軌與地之間的電壓為U，一段動作電壓為a，二段動作電壓為 b，三段動作電壓為 c，保護動作具體如下:

(1)當U≥a 時，鋼軌電位限制裝置延時一段時間后將鋼軌與大地有效短接，以降低鋼軌電位。在設定時間內其保持合閘狀態，之后恢復成斷開狀態。為防止快速瞬變的電壓值引起接觸器頻繁動作，設定若接觸器連續動作3 次后鋼軌電位仍高于整定值，則合閘后不再斷開。

(2)當U≥b 時，接觸器在 100 ms 之內(無延時)永久合閘，不再恢復成斷開狀態。

(3)當 U≥c 時，晶閘管在 0.1 ms 之內導通，鎖住鋼軌對地電位，并向直流接觸器發出合閘信號;接觸器合閘后，晶閘管回路立即斷開。維護人員排除故障，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。

鋼軌電位保護的具體實現流程如圖3所示。

3.2 框架保護實現

當排流柜正常工作時，電壓檢測元件可停止運行，否則，電壓檢測元件必須正常運行。以標志字Fb、Fy分別表示排流柜和電壓檢測元件的投切情況:Fb=0 表示排流柜退出運行，Fb=1 表示排流柜投入運行;Fy=0 表示電壓檢測元件退出運行，Fy=1 表示電壓檢測元件投入運行。若排流柜未投入運行，先由電流檢測元件判斷是否跳閘，若電流檢測元件未動作，則由電壓檢測元件決定是否跳閘。若排流柜投入運行，則只要電流檢測元件判斷是否跳閘?？蚣鼙Ｗo的具體實現流程如圖4所示。

圖3 OVPD 保護流程圖

圖4 框架保護流程圖

4 框架保護與OVPD動作配合整定及存在問題分析

4.1 動作整定

綜上所述，框架保護的電壓元件與OVPD 都是檢測鋼軌與地之間的電壓，兩者的差異在于:電壓型框架保護是保護直流設備安全，動作于跳閘，只有故障排除且框架保護動作信號恢復后，才能使供電恢復正常;而鋼軌電位限制裝置是降低鋼軌與地之間的電壓，保護人身安全，不動作于跳閘，不影響直流牽引供電系統，列車可以正常運行。

因此，電壓型框架保護和鋼軌電位限制裝置的動作必須有選擇性。當列車起動及運行導致鋼軌電位升高時，鋼軌電位限制裝置應先于電壓型框架保護動作，使鋼軌與地連通，保證線路上人身安全;當發生框架泄漏故障時，電壓型框架保護要比鋼軌電位限制裝置先動作。

4.2 框架保護存在問題分析

(1)當某一個牽引變電所出現框架泄漏故障時，整個線路的軌地電壓都會升高，此時每個牽引變電所框架保護的電壓元件都會在負極與地之間檢測到很高的電壓值，并使框架保護動作。如此，會造成其它未發生故障的框架保護裝置誤動作，擴大事故的影響范圍。

(2)新建地鐵線路運行一段時間后，軌地之間的絕緣性能下降，過渡電阻也減小，當發生框架泄漏故障時，框架保護電流元件能可靠動作，但此時鋼軌與地之間的電位差減小，如果增大整定值，框架保護的電壓元件將不發生動作。

(3)當直流設備發生框架泄漏故障時，流過本所的直流斷路器的電流很小，在短時間內直流快速開關不能將故障切除，即使直流斷路器能迅速跳閘，框架泄漏故障也不能被切除;只有交流側斷路器斷開以后，才能將框架泄漏故障切除。在切除故障之前，框架保護電壓元件檢測的電壓與OVPD 測量的電壓相同，若OVPD 不能在一定時間內投入工作，則可能造成人身傷亡事件。

通過以上分析可知，在實際應用中框架保護電壓元件會出現拒動和誤動，有時不僅起不到保護的作用，反而會擴大事故的影響范圍。因此，框架保護中電壓元件的使用值得考慮。

5 框架泄漏保護裝置設置方案比較

5.1 全所配置1套框架保護裝置

通過電纜或螺栓將地鐵牽引變電所內的所有整流器、直流開關柜、負極柜絕緣安裝等設備的框架連接在一起，設置1 套框架保護裝置。采用該方案，一旦發生框架泄漏故障，將使本所整流機組交流側和直流側的進線、饋線斷路器全部跳閘，并使相鄰變電所的直流饋線斷路器跳閘，從而造成大范圍的停電，擴大事故影響范圍。而且大雙邊供電控制操作相對復雜，需要一定的倒閘操作時間。因此，該方案會對運營造成較大的影響。

5.2 全所配置2套框架保護裝置

為了縮小整流器框架故障時的跳閘范圍，減小對列車運營的影響，為直流開關柜和整流器各設置1 套框架保護裝置。即直流開關柜使用1 套框架保護裝置，負極柜與整流器共同使用1 套框架保護裝置。該方案雖然增加了投資，但提高了效果，當整流器發生框架故障時，只使本所整流機組的交、直流側斷路器跳閘，退出工作，對相鄰的牽引變電所沒有影響;且通過故障所的直流母線可快速進行大雙邊供電，不影響列車正常運行。本方案特別適用于直流進線為斷路器的接線方式。

5.3 全所配置3套框架保護裝置

深圳地鐵1號線在續建工程中，變電所內配置了3 套框架保護裝置:每臺整流器各設1 套(變電所內有2 臺整流器)，直流開關柜與負極柜共用1 套。當單臺整流器發生框架故障時，不影響其它的整流機組。在實際使用過程中，根據需要可采用單臺整流機組工作，或使兩套整流機組都退出工作，并通過故障所的直流母線快速進行大雙邊供電。

5.4 對比分析

三種框架泄漏保護配置方案的對比如表 1所示。

表1 三種框架泄露保護配置方案的對比

由表1 可知，牽引變電所設1 套框架保護裝置方案，故障影響范圍最大，查找故障及恢復供電所需時間最長;設2 套和3 套框架保護裝置方案，在減少停電時間及縮小接觸網停電范圍方面基本相當，區別在于對故障的查找，設3 套的故障定位更精確。經過比較，設置2 套框架保護裝置方案不僅投資相對較少，而且提高了供電系統的可靠性。因此，采用2 套框架保護裝置的性價比最優。

6 結語

闡述了設置框架保護裝置和鋼軌電位限制裝置的必要性及其工作原理，并對它們的整定配合邏輯進行了設計。對三種框架保護配置方案進行了對比分析，推薦采用配置2 套框架保護裝置的方案。此外，為了在發生故障后能快速恢復供電，建議框架保護跳開相鄰變電所的直流饋線斷路器時不進行閉鎖合閘，這樣可減少工作人員，實現無人值班的工作模式。

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