中低速磁浮牽引供電系統接地保護方案探析

孫才勤

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中低速磁浮牽引供電系統接地保護方案探析

孫才勤

對中低速磁浮牽引供電系統正極發生接地故障時多個（大于2個）牽引變電所64D保護同時跳閘現象進行分析，并提出了解決方案。

中低速磁浮；接地故障；保護方案

0 引言

中低速磁浮軌道交通是指運行速度不超過120 km/h的磁浮軌道交通，在我國長沙和北京已經建成投運。我國目前正在研究的中速磁浮軌道交通其最高行車速度可以達到160 km/h，是在中低速磁浮技術基礎上的升級和提高，兩者的牽引和供電原理相同。

1 中低速磁浮牽引供電系統

中低速磁浮軌道交通采用直流1 500 V牽引供電制式。牽引網系統由正極接觸軌和負極接觸軌組成，正、負極接觸軌分布在軌道兩側，與地絕緣，通過正極接觸軌向車輛供電，負極接觸軌回流。牽引變電所直流饋線柜采用斷路器柜，并設置了大電流短路斷路器直接跳閘保護、過電流保護、電流變化率及其增量保護、雙邊聯跳保護、直流設備框架泄漏保護等，對直流牽引饋線的短路故障及異常運行進行判斷和保護。

2 中低速磁浮接地保護方案及存在問題

中低速磁浮軌道交通正極接觸軌和負極接觸軌通過絕緣子安裝固定在軌道梁兩側，絕緣子安裝底座金屬構件未與專用接地線連接；列車懸浮運行，金屬車輛本體與地絕緣。

由于中低速磁浮軌道交通直流牽引供電系統的結構特點，正極直接對負極發生短路故障的可能性較小，而正極對地發生接地故障的可能性會因絕緣子的質量和老化等原因而增加。

接地故障的主要形式有牽引變電所內直流設備正極母線接地、列車正極回路與列車框架（地）短路、正極接觸軌對橋梁短路等。當牽引變電所內直流設備正極母線接地時，由于直流設備設置了框架泄漏保護，框架保護的電流元件檢測到短路電流時發出跳閘信號，啟動交流斷路器和直流饋線斷路器跳閘；當列車線路斷路器以下的正極回路與車輛框架（地）發生短路時，列車泄漏電流保護裝置檢測到短路電流，啟動線路斷路器跳閘，切斷故障回路；當列車線路斷路器以上的正極回路與車輛框架（地）發生短路時，短路電流最終通過列車框架接地刷流入大地，但大地與負極是絕緣的，沒有回流通路，因此，采取了在負極與地之間設置電壓繼電器接地保護裝置（簡稱64D）的措施。系統接線如圖1所示。

圖1 64D保護下的系統一次接線圖

每個牽引變電所均設置64D保護裝置。64D保護裝置由逆流二極管、接地電阻（5W）、電壓傳感器、電流傳感器、電源及微機控制系統組成，其保護啟動電壓可在90～300 V內設定，一般設定為200 V。當發生正極回路與車輛框架（地）接地故障時，列車到站后每個牽引變電所均產生短路電流，短路電流流經各牽引變電所的64D保護裝置。

中低速磁浮軌道交通直流牽引供電系統接觸軌安裝在橋梁兩側，接觸軌通過絕緣子與結構底座絕緣，結構底座之間未設置貫通地線。當接觸軌絕緣子損壞，接觸軌電壓直接加載于結構底座上，造成電流泄漏，在該故障情況下，64D保護裝置可能檢測不到電壓，無法實現保護，形成安全隱患。而當結構鋼筋連接成一個很好的通路時，多個牽引變電所64D保護裝置檢測到故障而啟動饋線斷路器跳閘，出現大范圍停電。

3 問題分析

當發生列車線路斷路器以上的正極回路與車輛框架（地）短路或正極軌絕緣損壞后的正極接地時，短路電流通路如圖2所示。

圖2 正極對地短路示意圖

當發生正極對地金屬性短路時（如圖2中的短路方式①），短路回路上的電阻包括正極軌電阻、列車框架回路電阻、接地網電阻、64D保護回路電阻，其中工型正極軌單位電阻為0.008 5W/km、接地網電阻1W/處，64D保護回路電阻5W。按10 km外的牽引變電所考慮，粗略計算64D保護電阻上的電壓約為900 V。因此，相鄰多個牽引所的64D保護裝置均可檢測到大于設定值的電壓，造成兩側各10 km范圍甚至更遠的牽引變電所跳閘。

當接觸軌絕緣子損壞，接觸軌電壓直接加載至結構底座上，形成電流泄漏。泄漏電流沒有金屬通路，64D保護裝置檢測不到泄漏電流，不會啟動報警，更不會啟動跳閘。當金屬底座與結構鋼筋最終連接在一起時，形成正極軌金屬性短路，如圖2中的短路方式②。短路回路上的電阻包括電氣結構鋼筋電阻、接地網電阻、64D保護回路電阻。結構鋼筋較短，焊接數量多，電阻也較小，分析過程同短路方式①，也會造成兩側各10 km范圍甚至更遠的牽引變電所跳閘。

4 解決方案

為了為絕緣子泄漏電流提供一個通路，將沿線所有絕緣子金屬底座用接地扁銅進行連接，接地扁銅全線連通，并在橋墩和車站變電所接地。當正極接觸軌發生對地短路，短路電流由正極流出，通過正極接觸軌-短路點-貫通地線-地網-變電所單向導通接地保護裝置回到變電所負極。當列車線路斷路器以上的正極對車輛框架短路時，短路電流從牽引變電所流出，通過正極接觸軌-車輛正極母線-短路點-車輛框架-接地軌-地網-變電所單向導通接地保護裝置回到變電所負極。牽引變電所饋線斷路器KB（相鄰牽引所及遠端牽引所）可采集到相應的短路電流，短路電流大小及暫態過程由回路的短路阻抗決定，特別是變電所接地保護裝置回路電阻。

當接地保護裝置回路設置5W電阻時，短路時最大電流只有約600 A，保護裝置不能判斷是短路電流還是正常運行負荷電流，將無法啟動保護跳閘。

通過模擬計算，當取消接地保護裝置回路電阻時，雙邊供電時遠端（3 km）和近端短路電流達到12 000和57 000 A左右，相鄰牽引變電所均能判別短路電流，啟動保護跳閘。而更遠端（遠端鄰所）的牽引變電所測得的短路電流在6 000 A以下，通過大電流保護設置，可以不啟動保護跳閘。通過該設置，實現了跳閘的選擇性，縮小了事故范圍，也為事故的定位和處理提供了方便。此時，64D已變成了一個單向導通接地保護裝置，流過較大的短路電流，因此該裝置的耐電流能力需要大大增強。其系統接線如圖3所示。

圖3 新型保護下的系統一次接線圖

5 結語

本文對中低速磁浮牽引供電系統64D保護方案下的故障及保護進行了分析， 指出了64D保護存在的問題，并提出了新的保護方案。該方案可以在既有運營線路中改造使用，也可在新建中低速磁浮或中速磁浮工程中采用。

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The paper analyzes the simultaneous tripping of 64D protection in several (more than two) traction substations when there are earthing failures occurred at the positive polar of traction power supply system for medium and low speed magnetic levitation, and puts forward the scheme for the solution.

Medium and low speed magnetic levitation; earthing fault; protection scheme

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.020

U237

B

1007-936X(2018)06-0081-02

2018-06-25

孫才勤.中鐵第六勘察設計院集團有限公司電氣化設計院分公司，教授級高級工程師。