地鐵供電系統(tǒng)直流設(shè)備絕緣安裝方式討論及工藝改進研究

崔道義

（中鐵電氣化局集團有限公司城鐵公司，北京 100166）

1 概述

1.1 供電系統(tǒng)設(shè)備安裝形式

設(shè)備安裝可分為絕緣安裝和非絕緣安裝兩種形式，非絕緣安裝形式比較常見，就是常見的設(shè)備安裝形式。地鐵直流牽引供電設(shè)備采用絕緣安裝方式，當直流設(shè)備正極對設(shè)備外殼發(fā)生泄漏時（嚴重時短路電流瞬間可達到幾萬安培）會對直流設(shè)備造成嚴重危害。采取絕緣安裝方式可以減少這種危害，但設(shè)備絕緣安裝會對運營維護人員的人身安全造成威脅，因為，直流系統(tǒng)如果發(fā)生正極對機柜外殼絕緣損害時，易造成觸電事故。框架保護就是專為直流設(shè)備配備的正極與外殼發(fā)生故障的一種保護措施，其保護原理是當正極對外殼發(fā)生絕緣損壞時，快速切除故障，保證系統(tǒng)的安全運行。

1.2 框架保護的配置

地鐵直流框架保護有電流型框架保護及電壓型框架保護兩種，其目的是為了防止直流供電設(shè)備出現(xiàn)故障使金屬框架帶電，此時，如果巡檢人員誤碰觸柜體則可能會發(fā)生觸電事故，出現(xiàn)嚴重后果，危機人身安全。直流供電系統(tǒng)設(shè)置框架保護裝置，使設(shè)備金屬框架帶電并在框架保護延時時間內(nèi)未返回，則會跳開相關(guān)直流供電系統(tǒng)開關(guān)，使設(shè)備失電。此時，必須人為的確認故障消除后，人工將保護復(fù)歸，設(shè)備才能再次正常運行。目前，地鐵直流系統(tǒng)通常采用設(shè)備絕緣安裝的方式解決框架保護問題，設(shè)置直流開關(guān)柜及整流器柜框架泄漏保護可以有效防止出現(xiàn)對地泄漏電流和防止超出許可范圍的接觸電壓。其保護原理如圖1 所示。

圖1 框架保護原理圖

（1）電流型框架保護。保護裝置設(shè)置二段式框架泄漏電流保護，框架泄漏電流保護可以切除絕緣安裝的直流開關(guān)柜或整流器柜內(nèi)發(fā)生正極與框架之間的短路故障。框架泄漏電流保護具有電流和時間保護特性。地和直流開關(guān)柜設(shè)備框架之間測量電流可作為框架泄漏保護測量變量使用（框架電流）。測量的電流值超出設(shè)置的動作值時，啟動框架泄漏保護，若在延時設(shè)定時間內(nèi)電流值小于動作值，則保護返回。若在延時設(shè)定時間內(nèi)始終滿足電流值大于動作值，超過延時時間后框架保護出口跳閘，跳閘后跳閘信號將保持激活狀態(tài)，必須排除故障確認后，才允許手動復(fù)歸。直流開關(guān)柜框架泄漏電流保護動作后將聯(lián)跳本站所有直流開關(guān)柜及相應(yīng)高壓交流開關(guān)柜，聯(lián)跳鄰站相關(guān)直流饋線柜，并且向外部發(fā)出動作信號。整流柜框架泄漏保護聯(lián)跳本站進線柜。

（2）電壓型框架保護。框架泄漏電壓保護的任務(wù)是測量和監(jiān)視絕緣安裝的直流開關(guān)柜設(shè)備框架上的電位，當電位差超出許可范圍時，發(fā)出跳閘信號。為了防止出現(xiàn)超出許可范圍的接觸電壓和危險電壓，框架泄漏電壓保護擁有電壓和時間的分段特性。保護裝置設(shè)置三段式框架泄漏電壓保護。測量直流開關(guān)柜內(nèi)負極與直流開關(guān)柜框架之間電壓，作為框架泄漏電壓保護的測量變量使用。

當測量采集到的框架泄漏電壓超出設(shè)定電壓值，裝置啟動跳閘邏輯，在延時設(shè)定時間內(nèi)始終滿足，延時到后則出口跳閘；否則保護返回。

2 典型案例

2018 年7 月份，由于北方地區(qū)雨季雨水含量較大，引起北京地鐵某車站變電所設(shè)備房間濕度很大，日平均濕度已超過95%，設(shè)備機柜內(nèi)部有大量凝露產(chǎn)生，受雜散電流影響導(dǎo)致框架電流保護誤動作，進而使變電所直流開關(guān)柜跳閘，之后變電所供電系統(tǒng)啟動大雙邊供電方式，由臨所支援供電，所幸未造成列車停運后經(jīng)過故障分析，原因是由于車站變電所內(nèi)濕度很大（超過設(shè)計允許環(huán)境），牽引直流供電設(shè)備框架絕緣值降低，經(jīng)測量框架絕緣值已降低為0.3～0.4MΩ（合格標準值不低于2MΩ）。地鐵運營公司相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)對此事高度重視，立即組織設(shè)計單位、施工單位、廠家等相關(guān)技術(shù)人員進行事故處理并在之后召開多次討論會，商討處理措施及改進工藝方法。后來采取了相應(yīng)措施，使得故障得以處理，保證了設(shè)備的正常運行。在目前地鐵變電所直流設(shè)備絕緣安裝中，時常有框架絕緣值在運營過程中不斷下降的隱患，因此，各城市的設(shè)計、施工人員也都想盡辦法避免絕緣值的下降，考慮各種絕緣安裝方式。

3 案例分析

地鐵直流設(shè)備框絕緣值低的原因有很多而且比較復(fù)雜，比較典型的有如下幾個方面：（1）直流設(shè)備柜底絕緣板是由多塊拼接組成，絕緣板對接處縫隙容易進入灰塵及受潮濕影響易造成絕緣不合格或者拼縫位置正好位于兩面柜體拼接部位，使得絕緣板拼接處難以清理維護。（2）開關(guān)柜與基礎(chǔ)槽鋼固定的螺栓孔處因現(xiàn)場開孔可能殘留鐵屑，導(dǎo)致絕緣值受影響。（3）絕緣板厚度較薄，容易受到地面灰塵雜質(zhì)污染，導(dǎo)致地面灰塵粘在絕緣板上，框架絕緣受影響而降低。（4）環(huán)境異常潮濕，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生較大凝露，導(dǎo)致絕緣降低。見圖2。

圖2 絕緣板拼縫及潮濕的影響

4 絕緣安裝工藝工法討論

4.1 絕緣板采用錯位搭接工法

針對絕緣板拼縫處易進入灰塵或者其他雜質(zhì)的情況，可以采用將分塊的絕緣板錯位搭接的處理措施來解決此問題，具體方法見圖3、圖4 所示，圖中的絕緣板拼縫處可用絕緣膠進行涂抹，之后將兩個絕緣板粘結(jié)在一起，形成一個整體。圖中的縫隙寬度僅為示意，實際施工完成后基本可達到嚴絲合縫，避免灰塵或者水氣等在縫隙中游走，也降低長期運營過程中的絕緣下降隱患。

圖3 45°錯位斜搭接示意圖 圖

圖4 直角型錯位搭接示意

4.2 地角絕緣螺栓改進工藝

絕緣安裝的地腳螺栓一般采用鍍鋅螺栓，因需將設(shè)備基礎(chǔ)槽鋼與設(shè)備金屬框架絕緣，故在鋼制地腳螺栓外面加裝絕緣護套才能起到絕緣的效果。圖5 為絕緣螺栓制作樣式圖，目前市面上有類似完全絕緣的絕緣螺絲，均因其強度不能達到使用要求而不能使用，因此才使用鋼制螺栓加外絕緣護套代替，圖6 為不同的絕緣護套安裝方式，僅供參考使用。

圖5 絕緣螺栓制作樣式圖

圖6 絕緣螺栓安裝工藝示意圖

4.3 加轉(zhuǎn)絕緣塊的施工工法

還可以在機柜金屬框架與基礎(chǔ)槽鋼之間使用一定厚度的絕緣塊在每個地腳螺栓處進行絕緣隔離，詳見圖7 所示，其中絕緣塊的高度可根據(jù)實際情況自行考慮，本方法的關(guān)鍵點是采用一定長度的鋼制鍍鋅或不銹鋼螺栓將機柜金屬框架與基礎(chǔ)槽鋼分別固定在絕緣塊上面，彼此不連通，基礎(chǔ)槽鋼與絕緣塊之間和機柜外殼與絕緣塊之間完全隔離，這是利用絕緣塊的最大的優(yōu)點，能實現(xiàn)機柜金屬框架與基礎(chǔ)槽鋼之間最大限度的電氣隔離。采用此種方法時，對絕緣塊的材質(zhì)有較高要求，即要求絕緣塊的材質(zhì)應(yīng)能承受一定的動載荷和鋼制地角螺栓的水平剪切力，因為變電所設(shè)備一般安裝在地鐵車站站臺層，列車正常運行時，變電所直流設(shè)備易受到列車運行時的振動影響。此種方法的缺點也是很明顯的，主要就是絕緣塊因要與地腳螺栓固定而需要有一定的高度才能可靠的進行連接固定。而地鐵牽引直流設(shè)備內(nèi)的斷路器小車在檢修或者停電后需要從機柜內(nèi)來出來，這種安裝方式下設(shè)備安裝標高較高，機柜與地面之間有一定高低差，斷路器小車不易從機柜內(nèi)拉出至地面。這種情況下，就需配備專用裝置，在機柜底部與地面之間搭建一個斜坡，斷路器小車才能順利從柜內(nèi)拉出。此方法在成都地鐵十一號線變電所直流設(shè)備安裝中得以應(yīng)用，絕緣效果比較理想。

4.4 基礎(chǔ)槽鋼表面鍍絕緣材料施工工法

圖7 采用絕緣塊進行絕緣安裝

絕緣安裝的目的是將設(shè)備的金屬框架與基礎(chǔ)槽鋼等鐵構(gòu)件之間電氣絕緣，因此可以考慮將基礎(chǔ)槽鋼表面鍍一層絕緣介質(zhì)，使基礎(chǔ)槽鋼與設(shè)備金屬框架之間完全隔離開來，尤其是基礎(chǔ)槽鋼地角螺栓孔的位置。基礎(chǔ)槽鋼預(yù)埋件外采用熱鍍鋅+浸漬聚乙烯覆膜方法進行處理，即可達到基礎(chǔ)槽鋼與金屬框架之間電氣隔離又可達到防腐的效果，其中，熱鍍鋅及聚乙烯覆膜總厚應(yīng)不小于300μm。

熱鍍鋅+浸漬聚乙烯覆膜方法效果可參詳下圖8 所示的效果，圖中是電纜支架曾經(jīng)采用此方法制作而成，經(jīng)過測試后，絕緣效果良好，此方法也完全可以在基礎(chǔ)槽鋼上使用。然而，浸漬聚乙烯覆膜方法也有一定的缺點，就是基礎(chǔ)槽鋼現(xiàn)場或者工廠焊接時，覆膜必然受熱，聚乙烯受熱后覆膜會脫離，而且又大量煙塵產(chǎn)生，所以，基礎(chǔ)槽鋼在制作時候應(yīng)先進行焊接工作，將需焊接的工作全部焊接完成后再進行工廠浸漬聚乙烯覆膜工藝，現(xiàn)場基本不進行焊接工作，這樣可有效避免這種缺點。

圖8 熱鍍鋅+浸漬聚乙烯覆膜處理效果圖

5 結(jié)語

綜上所述，直流設(shè)備絕緣安裝目前并不完善，效果也不理想，且隨著運營時間推移，框架絕緣值會隨環(huán)境的變化而變化，抗環(huán)境風險能力不強。目前，徹底解決框架絕緣不穩(wěn)定的現(xiàn)象尚需詳細研究。因此，在安裝方式的設(shè)計過程中，設(shè)計人員應(yīng)全面考慮并合理設(shè)計。

根據(jù)以上的研究與討論，我們可以將絕緣板錯位搭接、地腳螺栓、加裝絕緣塊及基礎(chǔ)槽鋼表面浸漬聚乙烯覆膜等工藝措施結(jié)合起來使用，也可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況與各參建方共同探討，找出一個比較理想的安裝方案，不斷優(yōu)化設(shè)計方案，徹底解決絕緣安裝框架絕緣問題。