地鐵牽引供電系統框架保護方案的優化設計

張興凱

地鐵牽引供電系統框架保護方案的優化設計

張興凱

簡要闡述典型的地鐵直流牽引供電系統框架泄漏保護的工作原理及設置方案，經過分析，指出該框架泄漏保護方案存在誤動、拒動、缺乏選擇性的缺陷，提出了“取消電壓元件跳閘，雙OVPD（鋼軌電位限制裝置）冗余配置”的優化設計方案。

地鐵供電；框架保護；OVPD；優化設計

框架泄漏保護（簡稱“框架保護”）是地鐵直流牽引供電系統非常重要的保護配置，它的主要作用是當直流帶電設備對柜體短路或閃絡放電時，能夠迅速動作，跳開所有來電方向的開關，從而切除故障，保證運行人員和設備的安全。本文從框架保護的工作原理、設置情況等方面進行闡述，對國內典型的框架保護設置方案存在的問題進行分析，并提出優化設計方案。

1 框架保護原理

框架保護裝置由電流檢測元件（簡稱“電流元件”）和電壓檢測元件（簡稱“電壓元件”）組成，其工作原理如圖1所示。

電流元件通過安裝于直流設備柜體接地支路上的分流器采集泄漏電流，當柜體對地泄漏電流大于整定值時，電流元件動作并切除故障。如果鋼軌對地絕緣水平較低，泄漏電流通過“正極—柜體—接地母排—接地網—鋼軌—負極”構成回路電阻較小的電流通路，可直接啟動電流元件。若鋼軌對地絕緣良好，鋼軌對地的過渡電阻過大，則泄漏電流較小，不足以啟動電流元件。此時由于鋼軌（負極）對地電壓升高，將導致鋼軌電位限制裝置（OVPD）合閘，直接將鋼軌與接地網導通。OVPD合閘后，泄漏電流近似于短路電流，可使電流元件迅速動作。

電壓元件檢測負極對地的電壓，當直流正極對框架短路或閃絡放電時，由于正極對地的絕緣電阻迅速降低，將導致負極對地電壓大幅提高，從而啟動電壓元件并切除故障。

2 典型框架保護設置方案

2.1 系統配置方案

對于電流型框架保護，工程中普遍采用2套電流元件的設置方案，即正極柜、整流器柜（含負極柜）各設置1套。對于電壓型框架保護，由于整流器柜和直流開關柜的負極連接在一起，中間并未設置可迅速切除故障的保護裝置和開關，因此，正極柜、負極柜和整流器柜可共用1套電壓元件。

圖1 框架保護接線示意圖

2.2 保護設置方案

電流元件的整定值一般設定為80 A、0 ms。正極柜的電流元件動作，跳開正極柜所有進線和饋線開關，聯跳2臺35 kV整流變饋線開關，并通過“雙邊聯跳功能”跳開相應牽引變電所的直流饋線開關。整流器柜（含負極柜）的電流元件動作，跳開2臺35 kV整流變饋線開關和2臺正極柜進線開關。

一般的工程設計，在牽引變電所中設置1臺OVPD。電壓元件應與OVPD的動作特性配合，避免正常運行狀態下的軌電位升高，導致電壓元件誤動作。具體的配合方法：通過調整OVPD和電壓元件的時間配合關系，使電壓元件動作時限大于OVPD。表1所列為某工程電壓元件和OVPD的整定值。

由于電壓元件無法區分故障發生的位置，因此，按照最大故障情況判定，動作后，跳閘方式與正極柜電流元件相同。

3 典型框架保護方案分析

3.1 電壓元件的分析

在實際應用中，電壓元件普遍投入跳閘功能。這是因為考慮到，在軌道絕緣良好的情況下，當正極對柜體短路或閃絡放電時，泄漏電流可能達不到電流元件的整定值，此時若OVPD故障拒動，電流元件將無法動作，因此，有必要投入電壓元件的跳閘功能，使電壓元件作為電流元件的后備保護。以往運營線路發生電壓型框架保護誤動作，主要原因是電壓元件整定值設置不合理，未與OVPD形成有效配合，若按照表1進行整定，完全可解決誤動問題。

但是，即使解決了電壓元件與OVPD的配合問題，仍然可能出現不能投入跳閘功能的問題，主要原因如下。

(1) 電壓元件無法判斷故障發生的位置，一旦動作即按照正極柜框架泄漏的保護方式跳閘，該保護元件明顯缺乏選擇性，使2套框架保護配置方案的效果大打折扣。

(2) 當發生框架泄漏時，如果OVPD正常合閘，則鋼軌（負極）直接接地，電壓元件無法啟動，在電流元件失效后，故障仍然需要其他保護切除，電壓元件并不能實現后備保護功能。

(3) 發生框架泄漏時，若鋼軌對地的過渡電阻過小，鋼軌與地之間的電位差值則很小，當低于電壓元件的整定值時，電壓元件無法啟動。

(4) 地鐵線路運營一定時間后，運營單位基于雜散電流防護的考慮，將投入排流柜的排流支路和接地支路，屆時負極可視為直接接地，電壓元件將失去作用。

(5）當某一個牽引變電所發生框架泄漏故障，或者接觸網對架空地線發生短路時，整條線路的鋼軌對地電位都會升高。此時，各個牽引變電所框架保護電壓元件都會檢測到負極與地之間較高的電壓值，若其中1個（未發生框架泄漏的）牽引變電所的OVPD故障拒動，規定時限內該所的電壓元件將動作，擴大了事故停電范圍。

綜上所述，電壓元件缺乏選擇性，在實際使用過程中存在誤動和拒動的可能性，有時不但起不到保護作用，反而會造成事故范圍的擴大。框架保護電壓元件的跳閘功能，將會大大降低直流牽引供電系統的可靠性，不宜投入使用。

3.2 電流元件及OVPD的分析

電壓元件由于存在種種無法克服的缺點，因此，有必要取消其跳閘功能。但電流元件在缺少電壓元件作為后備保護后，一旦OVPD故障拒動，將無法切除故障。此時，OVPD的失效就成為重要的制約因素，單臺OVPD的配置無法滿足系統可靠性的要求。

4 框架保護方案的改進建議

經過以上分析，并結合以往工程的經驗，提出“取消電壓元件跳閘，雙OVPD冗余配置”的框架保護改進方案，該方案在典型框架保護方案的基礎上，做出如下改進。

(1) 取消電壓元件Ⅱ段的跳閘功能，僅保留其Ⅰ段的告警功能，動作電壓和時限整定值仍同表1所示。

(2) 在牽引變電所內設置2臺OVPD，1臺安裝于負極與地之間，另1臺安裝于鋼軌與地之間，安裝方式見圖2。2臺OVPD的保護測控程序和整定值相同，動作電壓和時限的整定值仍同表1所示。

表1 電壓元件與OVPD的整定值

圖2 雙OVPD的接線示意圖

(3) 采用“晶閘管-接觸器組合型”OVPD。該類型OVPD由晶閘管回路及接觸器回路2個主回路并聯構成。Ⅱ段動作時，由接觸器無延時地永久合閘，合閘時間小于100 ms。Ⅲ段動作時，OVPD晶閘管回路在0.2 ms內快速導通，同時啟動接觸器動作。OVPD的短路耐受能力可達到80 kA、20 ms或50 kA、250 ms，具備接通較高短路電流的能力。

5 改進方案分析

“雙OVPD冗余配置”的優化設計方案，解決了OVPD故障拒動情況下電流元件不能有效動作的問題。但是當電流元件失效時，系統需要其他保護形成后備保護，針對后備保護的工作特性，具體分析如下。

5.1 整流器柜框架泄漏

如圖3所示，若X L1所示位置發生框架泄露，進線柜將流過反向的泄漏電流，啟動進線柜逆流保護。一般情況下，逆流保護設置為100 A、40 ms，具有很高的靈敏性，可迅速跳開進線開關，切除進線柜方向的來電。中壓開關柜方向的來電，需要35 kV整流變饋線的過流保護切除。一般情況下，該保護為躲避整流變的過負荷和勵磁涌流曲線，動作值一般設為4Ie(Ie為整流變高壓側額定電流)、400 ms，作為整流變的后備保護，對直流側的短路缺乏靈敏性和速動性。因此，有必要在直流進線柜與35 kV整流變饋線柜之間設置聯跳功能，即進線柜逆流保護出口，不但跳開1 500 V進線開關，而且聯跳相應的35 kV整流變饋線開關，以保證迅速切斷所有方向的來電。

5.2 正極柜框架泄漏

正極對框架泄漏的位置可以分為3個區域：一是進線柜開關的進線側；二是饋線柜開關的饋線側；三是正極母排的其他區域（圖3）。

圖3 正常運行模式下框架泄漏位置示意圖

對于區域1的框架泄漏（如圖3中XL2所示），保護動作的模式與整流器框架泄漏相同，相應開關跳開后，即使正極對框架金屬性短路，也不影響正極母線和饋線繼續帶電運行。

對于區域2的框架泄漏（如圖3中XL3所示），對B所進線柜而言，相當于正極與負極母線近似金屬性短路，大電流脫扣保護可直接跳開進線開關。流經B所饋線開關的短路電流反向，相應繼電保護裝置不動作。對A所和C所的相應饋線而言，近似于遠端接觸網對架空地線的短路，di/dt保護動作，跳開A所和C所相應的饋線開關，并通過“雙邊聯跳功能”跳開B所全部饋線開關。

對于區域3的框架泄漏（如圖3中XL4所示），對A所和B所相應饋線柜而言，相當于在雙邊供電模式下，接觸網在B所附近金屬性短路，B所相應饋線的大電流脫扣、電流速斷、△I等保護可迅速動作，跳開相應饋線開關，并聯跳A所相應饋線開關，切除故障。A所的相應饋線的di/dt保護也會動作，跳開A所相應饋線開關。

經以上分析可知，由于OVPD晶閘管回路快速導通大電流，實際上把框架泄漏故障瞬時轉化為正負極短路故障，因此，直流開關柜的大電流脫扣、逆流、電流速斷、△I、di/dt等保護，輔以特定的聯跳功能，是可以作為電流元件的后備保護的，其定值按照一般規則整定，即可滿足直流牽引供電繼電保護系統在電流元件失效后對速動性、靈敏性、選擇性和可靠性的要求。

6 結束語

綜上所述，“取消電壓元件跳閘，雙OVPD冗余配置”的框架保護優化設計方案，既避免了電壓元件保護跳閘引起的各類問題，又通過雙OVPD的冗余配置，提高了電流元件動作的可靠性。同時，雙OVPD的配置，也降低了接觸網對架空地線短路或運營階段鋼軌電位異常升高時，由于OVPD故障拒動而導致不能迅速解除的風險。此方案的缺點是少量增加了OVPD的設備投資和在變電所的占用面積，但基本在可以接受的范圍內。

該方案已在深圳地鐵4號線二期工程直流牽引供電系統中應用多年，運行情況良好。

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責任編輯 冒一平

Optimization Design of Frame Protection Scheme for Metro Traction Power Supply System

Zhang Xingkai

The paper briefly describes the working principle and the setting scheme of the frame leakage protection of metro DC traction power supply system, and analyzes the defects of the system, including the error of the leakage protection scheme, and the lack of selectivity. It puts forward the optimization design solution of cancellation of voltage tripping, Dual OVPD (Rail Potential Limit Device) and redundancy configuration.

metro power supply, frame protection, OVPD, optimization design

U231.8

2015-06-24

張興凱：中鐵電氣化局集團三公司，高級工程師，河南鄭州 450052