對于北京地鐵牽引系統框架泄漏保護設置的改進意見

賈立斌

（北京地鐵供電分公司 北京 102218）

框架泄漏保護是直流供電系統特有的一種繼電保護類型，在北京地鐵不同電壓等級的直流牽引系統中都得以廣泛運用，是地鐵直流供電系統中為保障設備和人身安全的必要手段。但隨著北京地鐵的發展，地鐵運營在城市建設和公共交通中的作用日益增重，又因北京作為首都的特殊性，北京地鐵在各種節日和重大活動中需要起到為重大節假日保駕的作用。框架泄漏保護一旦動作，其恢復時間長且影響范圍廣的負面影響在當今嚴格的運營要求下顯得格格不入。本文以北京地鐵7 號線為例，通過分析框架泄漏保護的原理和作用，在其檢測方式和動作范圍上，針對北京地鐵的特殊需要，提出了改進意見和方案，以更好地滿足地鐵運營的要求。

1 1500V供電系統的構成和供電方式

7號線牽引供電網采用DC1500V下接觸軌授電和走行軌回流的方式。DC1500V牽引供電系統主要由整流機組、直流正負極開關設備、饋線、隧道柜、接觸三軌、走行鋼軌、回流電纜、均流電纜、排流柜和鋼軌電位限制裝置等組成。每座牽引變電所設兩套整流機組（變壓器—整流器），牽引變電所10kV側采用單母線分段接線，兩套AC10kV/DC15000V12脈波整流機組并連接在同一段10kV 母線上，構成等效24 脈波整流向牽引網供電，以減少注入牽引供電系統的高次諧波。牽引變電所DC1500V側母線為單母線接線方式，標準站每座牽引變電所設置4 個饋出開關，分別向上下行接觸軌的左右兩個供電區段供電，站站相連，最終形成每個供電區段都有兩個變電站從兩側同時供電的雙邊供電方式。牽引變電所出口設縱聯斷路器，特殊情況下，用于實現跨越變電站的大雙邊供電。

2 框架保護的原理

在直流牽引系統中，由于設備框架設置為對地絕緣安裝，框架泄漏保護裝置可用來降低直流牽引系統中各設備框架的對地電壓，限制高壓設備與框架間絕緣降低或發生搭接時引起的電壓提升，并實時監測設備框架與接地點之間的電流和設備框架與直流負母線之間的電壓。當達到動作定值時，框架泄漏保護動作切除故障點，從而保證人員和設備安全。其可分為電壓型和電流型兩種［1］。

2.1 電流型框架保護

檢測設備外殼和大地之間的電流值，即直流設備正極對外殼放電時對地的泄漏電流。當達到動作定值80A、延時超過2ms時，綜合保護裝置發出跳閘命令，使直流各分閘開關、總閘開關和整流機組的輸入開關跳閘，并聯跳和閉鎖鄰站與故障站對應的分閘開關，閉鎖信號在4s 后自動消失，以徹底切除故障點，保障設備和人身安全。

2.2 電壓型框架保護

檢測負極和設備外殼之間的電位差（由于設備外殼單點接地也可視為負極與地之間的電位差，即“軌電位”），并與軌電位限制裝置相配合，與后備保護類似，作為軌電位因故障和其他原因不能動作的后備措施。當達到動作定值時（見圖1），綜合保護裝置發出跳閘命令，使直流各分閘開關、總閘開關和整流機組的輸入開關跳閘，但不聯跳、不閉鎖鄰站分閘開關，起到限制走行軌與大地之間電壓的作用，以保證人身安全。

圖1 電壓型框架保護動作定值

3 框架保護的檢測方式

3.1 電流型框架檢測

當牽引變電站框架保護范圍內采用絕緣安裝的設備，正極對外殼發生短路時，短路電流流經框架外殼、接地電纜及分流器、排流網，最后經過列車走行軌（走行軌為了減少雜散電流安裝，有對地的絕緣層，但依然不可避免地存在絕緣泄露電阻）或排流柜，形成回路回到電源的負極，通過電流變送器配合分流器，將檢測到的電流值傳輸給綜合保護裝置，如圖2所示。

3.2 電壓型框架保護的檢測

當負極對地電壓升高，電壓模塊檢測到負極柜內負母排上的檢測點和設備外殼之間的電壓時，通過電壓變送器，配合電壓模塊，將檢測到的電壓值傳至綜合保護裝置，如圖2所示。

圖2 框架保護檢測原理示意圖

4 電壓型框架保護與軌電位的關系

電壓型框架檢測的是電源負極對設備外殼之間的電壓，設備外殼同時通過分流器接地；鋼軌電位限制裝置檢測的是鋼軌對地的電壓。框架保護裝置與軌電位裝置的檢測方式相同，只是檢測的接線略有不同。在保護定值的設置上，電壓型框架保護要滯后于鋼軌電位限制裝置，正常情況下，軌電位裝置優先動作。當其發生故障不能動作，檢測電壓升高到電壓型框架保護的定值時，電壓型框架保護再進行報警、動作跳閘，此時，電壓型框架保護可視為鋼軌電位限制裝置的后備保護［2］。

5 框架泄漏保護在實際運行中的缺點

當電流型框架保護動作后，故障所在的變電站的兩臺整流機組交流進線開關、兩臺直流進線開關、四臺直流饋線開關全部跳閘，且分別聯跳相鄰變電站與之相對應的4 個直流饋線開關并閉鎖。一旦出現此故障，會立即致使故障變電站所涉及的兩個牽引供電區段中止供電，雖然能有效地切除故障點，但其停電范圍之廣、影響范圍之大、恢復時間之長，對于運營壓力日益增加的北京地鐵無疑會產生嚴重的負面影響。

6 解決方案

目前，框架泄漏保護的電壓和電流值的檢測是全部匯集到負極柜一處進行的，再通過電壓和電流變送器傳導至保護裝置，即將兩臺整流柜和直流開關、柜負極柜、端子柜用電纜相連形成一個整體框架進行檢測。為了減少框架保護動作造成的影響，同時又能更好地達到有選擇性地切除故障點的繼電保護作用，可以將原整體框架分開形成3 個獨立的框架，并增加兩套電流互感器和電流變送器，對框架分別進行檢測［3-4］，如圖3所示。

圖3 框架保護檢測回路示意圖

6.1 改變框架結構

將原來由兩臺整流柜和直流進線及饋線開關柜、負極柜及端子柜（以下簡稱直流開關柜）通過電纜連接做成的整體框架分割為1#整流柜、2#整流柜、直流開關柜3部分。

6.2 增加檢測點和檢測設備

給兩臺整流柜分別加裝分流器和電流變送器，形成兩套獨立的電流型框架保護用的檢測單元，但在實際的安裝中，需將兩套檢測單元設置在負極柜內而非整流柜，主要出于以下3個原因。

6.2.1 安裝成本

原設備有兩條電纜，將兩臺整流柜分別與直流開關柜的框架相連并最終接地。若將新增檢測單元設置在整流柜內，需要拆除電纜，增加兩處接地點，增加二次接線至負極柜的保護裝置；若設置在負極柜內，僅需拆下負極柜內電纜，增加檢測單元，最終接至負極柜內原接地點接地，相對于前者，極大地減少了施工量和降低了施工難度，并減少成本。

6.2.2 對原設備影響及施工風險

將新增檢測單元設置在負極柜內，原整流柜處設備無須新增或減少，無須大范圍拆除、新增電纜，也無須增加接地點，極大地減少了對原設備的影響和施工過程中產生的安全和運營風險。

6.2.3 減少可能出現的故障

鑒于運行中的整流柜內發熱量大、變送器設計精密對環境溫度要求較高，設置在整流柜內，會影響檢測設備的安全、有效運行。

6.3 調整電流型框架泄漏保護的動作范圍

6.3.1 一臺整流柜故障

當某一臺整流柜出現電流型框架保護達到定值時，保護裝置發出命令，斷開此整流柜的AC10KV三相交流進線開關和DC1500V 直流進線總開關，此時，變電所暫時單機組運行，由另一臺整流機組帶本站全部直流負荷，待檢修人員到達現場，根據現場情況調整運行方式。

6.3.2 兩臺整流柜故障

當兩臺整流柜在某一時間段內先后或同時發生電流型框架動作時，兩臺交流進線開關和兩臺直流進線總開關全部斷開，但直流饋線斷路器不跳閘，此時，故障站通過直流正母線形成越區供電的運行方式，達到接觸網不間斷供電，不影響列車運行的目的［5］。

6.3.3 直流開關柜故障

當直流開關柜發生電流型框架動作時，保護裝置發出命令，斷開兩臺整流柜的10kV三相交流進線開關和兩臺1500V 直流饋線總開關及各直流饋線開關，同時聯跳兩邊臨站對應的直流饋線開關并閉鎖，4s后，通往臨站的閉鎖信號自動返回，此時，可以退出故障站各上網隔離開關柜，投入越區開關柜和臨站各饋線開關，實現大雙邊供電，恢復區間牽引網供電，待電流框架故障修復后，方可重新投入恢復雙邊供電［6］。

當整流柜處出現電流型框架動作時，相對于原檢測方式，通過對框架保護設置的改進，減少了停電范圍，能更好地滿足地鐵的運營要求，如表1所示。

表1 跳閘范圍對比表

7 結語

本文通過分析框架泄漏保護的設置原理、檢測方式、和跳閘范圍，并加以調整和改進，最終形成了可以有效減少框架保護動作對牽引網產生影響的改進方案。

改進方案對原設備框架進行分割并隨之增加檢測點，當故障產生時，用以縮小故障范圍，并相對應地將電流型框架保護的動作范圍進行了調整。相對于原電流型框架保護一經動作即會導致故障站左、右兩個直流牽引區段同時失電，造成接觸網大面積停電列車無法運行，本方案大大減少了整流柜處出現電流型框架保護動作時對區間供電的負面影響，保障了牽引網的不間斷供電，能夠達到減少框架泄漏保護動作對地鐵列車運行影響的目的。

由于等效24 脈波機組是由兩套12 脈波整流變壓器機組并聯形成，當其中一套整流機組退出運行形成單機組供電時，會對供電系統的安全穩定運行產生影響。考慮到此影響，可以將兩臺整流柜合并成一個框架，采用兩臺整流柜同時故障動作的運行方式。但短時間的單機組運行和兩臺機組同時退出通過直流正母線越區供電，這兩種運行方式在同時滿足設備安全穩定運行和保障牽引網供電能力上應如何選擇，還需未來繼續分析研究。