淺析地鐵直流牽引供電系統(tǒng)框架保護原理及保護設(shè)置方案

葉 蘢

（廣州地鐵集團有限公司運營事業(yè)總部，廣東廣州510380）

1 框架保護的工作原理

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的框架保護裝置設(shè)在牽引所的負極柜內(nèi)，用于在直流供電設(shè)備發(fā)生絕緣損壞或?qū)υO(shè)備框架發(fā)生閃絡(luò)、產(chǎn)生泄漏電流時，能夠及時切除故障，保護供電設(shè)備和人員人身的安全。框架保護有兩種類型，分別是電壓型框架保護和電流型框架保護，電壓型保護是電流型保護的后備保護。保護原理如圖1所示。

圖1 框架保護原理接線示意圖

直流牽引供電系統(tǒng)設(shè)備（包括DC 1 500 V開關(guān)柜、負極柜、整流器柜）的外殼采用對地絕緣安裝方式，其外殼不是直接接地，而是通過電纜連在一起，然后連接至負極柜，經(jīng)過一個1 000 A/150 mV的分流器（R101）再接到公共地網(wǎng)，泄漏電流從地網(wǎng)經(jīng)隧道壁、道床再流至鋼軌（負極）。當(dāng)直流設(shè)備絕緣損壞，帶電設(shè)備對框架產(chǎn)生泄漏電流時，會在分流器（R101）兩端產(chǎn)生一個電壓，再通過隔離放大器將兩端的電壓信號輸入至保護模塊PLC，以測量框架對地的泄漏電流。

當(dāng)檢測到泄漏電流達到整定值35 A時，電流型框架保護動作、出口，跳開相應(yīng)開關(guān)，保護動作無延時。

電壓型框架保護是后備保護，由于鋼軌是采用絕緣安裝的，鋼軌對地的絕緣電阻會隨著絕緣材料的性能改變而變化，所以框架泄漏電流的回路電阻是不確定的，當(dāng)回路電阻很大時，可能造成雖然設(shè)備對框架的絕緣損壞，但是泄漏電流檢測值達不到整定值要求，電流型框架保護不動作的情況，電壓型框架保護就是為了彌補這個缺陷而存在的。如圖1所示，它使用一個電壓變送器接在框架和負極之間，不斷將框架與負極（鋼軌）之間的電壓信號轉(zhuǎn)換成低電壓信號后輸入PLC，以檢測框架對鋼軌電壓（因框架經(jīng)分流器接地，亦即測量鋼軌對地電壓）。

當(dāng)PLC檢測到電壓達到或超過整定值時，啟動一段延時，如果在延時時間內(nèi)，電壓一直大于整定值，則電壓型框架保護動作，跳開相應(yīng)開關(guān)。

2 電流、電壓型框架保護與鋼軌電位限制裝置的匹配

在框架保護系統(tǒng)中有一個非常重要的部分——鋼軌電位限制裝置，它一端接鋼軌，另一端接地網(wǎng)，與電壓型框架保護類似，檢測的是鋼軌對地的電壓，當(dāng)鋼軌電位達到保護整定值時，鋼軌電位限制裝置會迅速動作，將鋼軌與接地網(wǎng)短接，降低鋼軌電位。

電壓型框架保護與鋼軌電位限制裝置兩者都是檢測鋼軌對地電壓的，不同的是電壓型框架保護的作用是保護直流設(shè)備安全，動作于跳閘，切除直流絕緣泄漏或短路故障；鋼軌電位限制裝置的作用是降低鋼軌對地電壓，保護線路上人員的人身安全，不影響直流牽引供電系統(tǒng)的正常運行。兩種保護的整定值必須相互匹配，以保證它們的選擇性和可靠性。

當(dāng)發(fā)生框架泄漏事故時，故障電流通過電流檢測元件，此時電流元件啟動，同時故障電流通過回路壓降在電壓元件上產(chǎn)生一個高電壓，電壓元件也同時啟動。當(dāng)故障電流達到電流元件的整定值時，電流型框架保護動作、出口，跳開相應(yīng)開關(guān)；當(dāng)故障電流沒有達到電流元件的整定值時，由于軌電位升高，達到軌電位限制裝置動作值時合上軌電位，將鋼軌直接接地，降低接地電阻，令電流型框架保護動作；當(dāng)軌電位限制裝置拒動時，則通過電壓型框架保護作為后備保護跳開相應(yīng)的開關(guān)，切除故障。

3 框架保護動作的原因分析

導(dǎo)致框架保護動作的原因很多，根據(jù)故障點的位置可以分為變電所內(nèi)部故障和變電所外部故障兩類。

3.1 變電所內(nèi)部故障

直流牽引供電設(shè)備內(nèi)的小動物、絕緣降低、柜頂異物掉落、開關(guān)分合閘電弧或帶電導(dǎo)體脫落等情況都有可能導(dǎo)致框架與帶電設(shè)備短路，此時電流型框架保護應(yīng)動作，如果電流未達到整定值，框架電壓升高而軌電位裝置又不能正常動作，則電壓型框架保護可能動作。

根據(jù)保護原理，框架保護的電流、電壓檢測回路如發(fā)生元器件故障或短路等問題，電流型或電壓型框架保護可能發(fā)生誤動。

3.2 變電所外部故障

變電所外部導(dǎo)致鋼軌對地電壓升高的原因有很多，列車啟動制動產(chǎn)生的大電流、負回流系統(tǒng)電阻過高、接觸網(wǎng)斷線對地短路、接觸網(wǎng)絕緣下降對地短路均會導(dǎo)致軌電位異常偏高，此時軌電位限制裝置應(yīng)首先動作，只有當(dāng)軌電位限制裝置不能正常動作時，電壓型框架保護會動作。

綜合以上情況，當(dāng)電流型框架保護動作時，可以初步判斷是所內(nèi)設(shè)備發(fā)生故障。電壓型框架保護除了因電壓檢測回路故障導(dǎo)致的誤動之外，多數(shù)情況是因為軌電位限制裝置未正常動作而作為后備保護啟動，且多為變電所外部原因所引起的。

電壓型框架保護作為軌電位后備啟動的同時也擴大了對行車造成的影響。如1999年6月，廣州地鐵1號線由于鋼軌電位升高，直流框架保護動作，導(dǎo)致公園前和長壽路區(qū)間接觸網(wǎng)大面積停電，影響行車42 min；2005年1月3號，深圳地鐵同樣由于軌電位升高，電壓型框架保護動作，導(dǎo)致4號線全線癱瘓，影響行車近4 h。兩次事件當(dāng)時均沒有發(fā)生短路故障，而是由于車輛運行和其他原因?qū)е落撥夒娢簧撸瑧?yīng)該由鋼軌電位限制裝置動作，避免電壓型框架保護動作。因此，設(shè)計時確保軌電位限制裝置與框架保護相互匹配，并在運行、維護中確保軌電位限制裝置可靠啟動、接觸器可靠動作是非常重要的。

4 框架保護聯(lián)跳、復(fù)歸、閉鎖設(shè)置方案

由于框架保護動作后會造成接觸網(wǎng)多個供電分區(qū)停電，影響區(qū)間內(nèi)列車停運，而如果區(qū)間內(nèi)列車不能盡快恢復(fù)運行，車站和列車內(nèi)乘客的情緒會受影響，甚至產(chǎn)生恐慌情緒，從而進一步影響客運服務(wù)的組織和恢復(fù)。因此，框架保護故障的處理通常采用先通后復(fù)的原則，而框架保護聯(lián)跳、復(fù)歸、閉鎖的設(shè)置方案對故障的準(zhǔn)確隔離和迅速恢復(fù)接觸網(wǎng)供電起著重要的作用。隨著地鐵公司運營經(jīng)驗的積累和地鐵線網(wǎng)的發(fā)展，地鐵公司各條線路的框架保護設(shè)置方案也有了不同的方向。

4.1 聯(lián)跳功能設(shè)置方案對比

框架保護啟動后，統(tǒng)一出口跳本所兩臺整流機組33 kV斷路器和所有DC 1 500 V直流開關(guān)，聯(lián)跳方式有聯(lián)跳鄰所開關(guān)和只跳本所不聯(lián)跳鄰所兩種方式，前者影響兩個區(qū)間的接觸網(wǎng)停電，后者鄰所開關(guān)正常運行，繼續(xù)以大雙邊方式對接觸網(wǎng)供電。

電流型框架保護作為主保護，如果動作，所內(nèi)設(shè)備通常存在明確的故障點，因此在實際應(yīng)用中普遍采用動作后聯(lián)跳鄰所開關(guān)的方式，這樣可以確保第一時間切除所內(nèi)設(shè)備的故障點，如果只跳本所開關(guān)，則本所饋線開關(guān)出線端以下設(shè)備的故障點不能被有效切除，可能造成故障進一步擴大。

電壓型框架保護作為后備保護，在實際應(yīng)用中兩種聯(lián)跳方式都有，聯(lián)跳鄰所開關(guān)能可靠地斷開故障點，保證設(shè)備及人身安全；只跳本所開關(guān)則縮小了故障影響范圍，接觸網(wǎng)不失壓，不影響列車正常運行，但如果故障點在變電所外部，則故障點不能第一時間被切除，如軌電位電壓異常而軌電位限制裝置未能可靠動作，可能導(dǎo)致故障影響進一步擴大，此種方式建議謹慎使用。具體采用哪種方式需要綜合考慮線路客流量、鋼軌電位運行情況、線路框架保護與軌電位的匹配情況等。

4.2 復(fù)歸功能設(shè)置方案對比

框架保護的復(fù)歸方案目前也有本地復(fù)歸和遠程復(fù)歸兩種，框架保護動作后如聯(lián)跳鄰所，相應(yīng)供電區(qū)段接觸網(wǎng)失電，區(qū)間列車停運，且保護動作閉鎖開關(guān)合閘，此時要恢復(fù)大雙邊供電需要先對保護模塊進行復(fù)歸。

舊線路框架保護一般采用本地復(fù)歸方式，框架保護動作后搶險人員要先趕到故障所對設(shè)備進行復(fù)歸后，電調(diào)才能通過合鄰所開關(guān)對接觸網(wǎng)送電，這種方式在恢復(fù)供電的及時性方面存在缺陷。

新線路逐漸開始設(shè)置遠方復(fù)位功能，電調(diào)可以遠控對保護模塊進行復(fù)歸，然后通過拉開本所饋線的上網(wǎng)隔離開關(guān)對所內(nèi)故障進行隔離，接著就可以遠動操作合閘鄰所開關(guān)，對接觸網(wǎng)恢復(fù)供電，所有步驟均由電調(diào)遠方操作，縮短了恢復(fù)時間，節(jié)省了人力成本，這種方式在運營實踐中帶來了很好的效果。

4.3 合閘閉鎖功能設(shè)置方案對比

框架保護的合閘閉鎖方案目前有本所、鄰所開關(guān)全部閉鎖合閘和只閉鎖本所合閘兩種，舊線路框架保護采用本所、鄰所開關(guān)全部閉鎖合閘的方案，而后期新線路設(shè)計開始逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴婚]鎖鄰所開關(guān)的方案。后者對鄰所開關(guān)只聯(lián)跳和閉鎖自動重合閘，不閉鎖開關(guān)再次合閘，電調(diào)可以不用對保護進行復(fù)歸，直接操作鄰所開關(guān)合閘，第一時間恢復(fù)受影響區(qū)段的接觸網(wǎng)供電，即使接觸網(wǎng)不具備恢復(fù)送電條件，也可以通過試合開關(guān)，啟動檢測回路，確定故障點范圍。不閉鎖鄰所開關(guān)的方案進一步提升了故障處理效率。

5 結(jié)語

由于框架保護在直流牽引供電系統(tǒng)中的重要性和特殊性，保證框架保護系統(tǒng)各級保護的可靠性、選擇性，提升故障分析能力及故障處理效率顯得尤為重要。本文通過對框架保護系統(tǒng)中各種保護的工作原理和相互匹配關(guān)系進行梳理，分析總結(jié)了框架保護的故障原因，提出了預(yù)防保護誤動和故障點初步判斷的方法，結(jié)合實際運行經(jīng)驗，對比了幾種保護設(shè)置方案的優(yōu)劣，歸納了在不擴大故障影響范圍的前提下縮短接觸網(wǎng)恢復(fù)供電時間的保護設(shè)置方案，對框架保護的故障預(yù)防、處理和邏輯功能設(shè)置或許有一定的參考作用。