框架泄漏保護在城軌交通直流牽引供電系統中的應用

袁博

摘要：本文從典型直流牽引供電系統出發，分析了框架泄漏保護的原理，對比了目前框架泄漏保護裝置在直流牽引變電所中的不同設置，對于直流繼電保護學習人員和現場運行維護人員，迅速、準確分析、查找故障，提高運行維護水平具有一定的借鑒意義。

Abstract： Starting from the typical DC traction power supply system， this paper analyzes the principle of frame leakage protection and compares the different settings of current frame leakage protection device in DC traction substation. It has certain reference significance for DC relay protection learners and field operation and maintenance personnel to quickly and accurately analyze and find faults and improve operation and maintenance level.

關鍵詞：框架泄漏;直流保護;牽引供電

Key words： frame leakage;DC protection;traction power supply

中圖分類號：U23 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）24-0201-02

1 ?直流牽引系統供電構成

地鐵直流供電系統主要由牽引降壓變電所將來自110/35kV主變電站的交流35kV電壓經降壓、整流變為直流1500V后，通過直流開關柜向架空接觸網供電。其中，交流進線采用110/35kV兩級電壓、集中供電方式，每座牽引變電所設置兩套整流機組，掛接于同一段35kV母線上，直流進線和饋線均采用直流快速斷路器。

2 ?框架泄漏保護的設置

2.1 框架泄漏保護作用

直流牽引供電系統由牽引變電所（或牽引降壓混合變電所）和接觸網系統組成。直流牽引變電所內的直流設備包括：直流進線柜、整流柜、饋線柜、負極柜等，這些柜體對地采用絕緣安裝。如果直流設備發生正極對設備外殼泄漏（或正極與柜體之間絕緣下降），如故障切除不及時，可能將故障擴大為1500V正極通過設備外殼對負極間的短路事故，這時的直流短路電流非常大，可達到幾十千安，對直流設備將造成嚴重損壞，甚至可造成工作人員觸電事故。

框架泄漏保護就是實時監測直流供電設備正極與單點接地的柜體之間的絕緣狀況，在其絕緣嚴重下降甚至短路時作用與之相關的斷路器使之全部跳閘的一種保護裝置。

2.2 框架泄漏保護原理

如圖1所示，正常情況下，設備絕緣情況良好，幾乎沒有泄漏電流通過電流元件Ki。當直流開關柜發生泄漏（正極對機柜外殼短路）時，泄漏電流的路徑為：正極→機柜外殼→電流元件Ki→地→R→回流線→負極，泄漏電流如若超過了電流元件的整定值則迅速動作切除故障。由于鋼軌通過絕緣墊與地絕緣，故正常情況下鋼軌對地之間存在著阻值很大的泄漏電阻R，泄漏電阻是隨著地鐵的運行時間以及絕緣材料性能變化的，所以泄漏電流回路的阻值不是確定的，當電阻很大時，泄漏電流就很小，達不到電流元件的整定值，此時則由框架保護的電壓元件檢測機柜外殼和負極之間的電位差，直流開關柜發生泄漏時電位差變的很大，框架保護電壓元件可以迅速動作。

通常，在地和負極之間還安裝一個排流柜，當排流柜投入運行時，泄漏電流的路徑為：正極→機柜外殼→電流元件Ki→地→PL柜→負極，由于排流柜的等效電阻值遠小于R，泄漏電流大大增加，即使鋼軌（負極）與地的絕緣非常良好（泄漏電阻R非常大），由于排流柜的投入為泄漏電流提供了通道，為此框架泄漏保護的靈敏度大大提高。

在框架泄漏保護中，電流元件通常設定值為80A，可以檢測到微小的泄漏電流，因此框架泄漏保護的靈敏度非常高。電壓元件一般設兩段，I段報警（通常設定值為95V），II段跳閘（通常設定為150V）。

2.3 框架泄漏保護裝置安裝

框架泄漏保護裝置由電流檢測元件和電壓檢測元件組成。電流元件接于直流設備外殼與接地網之間，用以檢測直流設備框架泄漏電流;電壓元件接于直流設備外殼和負極之間，用以檢測設備框架與負極之間電壓。由于直流牽引供電采用回流線至負極，所以電壓元件檢測的電壓與鋼軌與地之間的電壓等價。在運行過程中，通過判斷元件檢測到的泄漏電流和故障電壓，實現保護跳閘切除故障的目的。牽引變電所的直流開關柜成排布置，負極柜與整流器柜組合另行成排布置，分別采用對地絕緣安裝。

2.4 框架泄漏保護的設置

2.4.1 設置一套框架保護

全所內的整流柜、直流開關柜以及負極柜柜體均采用對地絕緣安裝，柜體以保護接地扁鋼實現互聯，通過接地電纜和框架泄漏保護電流元件接地，所內設置一套框架保護裝置，電流檢測元件與電壓檢測元件均裝在負極柜內，其安裝位置如圖2所示。

當所內任意直流開關柜內正極對外殼發生泄漏時，框架保護裝置無論是電流元件還是電壓元件動作，將迅速斷開本所整流機組交流側進線、直流側進線和饋線斷路器，并聯跳臨所向本區段供電的直流斷路器且閉鎖重合閘。可見，設置一套框架保護，一旦發生框架泄漏故障將造成大面積接觸網停電，影響范圍較大。這時越區形成大雙邊供電，需要先閉合故障所的越區隔離開關，再閉合臨所的直流饋線斷路器，需要一定的倒閘時間才能恢復供電。

2.4.2 設置兩套框架保護

運營實踐統計，整流器是所內較容易出現故障的設備，且其故障會引起框架保護動作。所以為了縮小整流器框架故障時的停電范圍和恢復供電時間，可采用全所內整流柜和直流開關柜各設置一套框架泄漏保護裝置，即兩面整流柜與負極柜共用一套框架電流元件裝置，直流開關柜用一套框架電流元件。如圖3所示。

當整流柜發生框架泄漏故障時，框架電流保護動作，整流機組交流進線側和直流進線斷路器快速跳閘并閉鎖重合閘，但直流饋線斷路器不跳閘，這樣就可以利用故障的牽引變電所的直流母線瞬時構成大雙邊供電，列車正常運行，減小了因整流器故障泄漏引起框架保護動作的較大停電范圍的影響。當直流開關柜發生框架泄漏故障時，電流元件動作，如若整流機組交流進線側和直流進線斷路器快速跳閘并閉鎖重合閘，直流饋線斷路器不跳閘，這時鄰所仍然向該一供電臂供電，故障并未隔離。因此其動作結果應與所內設置一套框架保護動作結果相同，快速將故障切除。

2.4.3 設置三套框架保護

全所內設置三套框架泄漏保護，即每面整流柜各設一套（所內有兩面整流柜），直流開關柜和負極柜共用一套。當單套整流器發生框架泄漏故障時，迅速斷開相應的整流機組交流側和直流進線斷路器。在實際運行使用中，可根據需要采用單套整流機組運行工作或兩套整流機組均退出運行，通過故障所的直流母線進行大雙邊供電，減少停電時間。

3 ?結語

由此可見，牽引變電所設置一套框架保護裝置，發生框架泄漏故障停電范圍最大，查找故障及恢復供電所需時間最長，但是投資較后兩者少;設置兩套和三套框架保護裝置，在停電范圍影響以及恢復供電時間相當，目前，在已建的地鐵項目中，采用設置一套或者兩套框架泄漏保護裝置的居多。

參考文獻：

[1]方彥.城市軌道交通繼電保護[M].成都：西南交通大學出版社，2017.

[2]王麗偉.地鐵直流框架泄漏保護設置方案分析[J].鐵道工程學報，2012（12）：108.

[3]趙武隴.城市既有變電所框架保護聯跳方案探討[J].電氣化鐵道，2009，01.

[4]唐學林.地鐵直流牽引供電系統框架泄漏保護的介紹和運用[J].科技風，2010，04.

[5]丘玉蓉.地鐵直流1500V開關柜框架泄漏保護探討[J].電力系統自動化，2001.