城市軌道交通專用軌回流系統(tǒng)直流接地保護(hù)方案*

黃 輝

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，430063，武漢∥工程師)

在城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)常采用走行鋼軌回流方式。由于鋼軌不能完全絕緣于道床，因此牽引回流電流會通過鋼軌向道床及其他結(jié)構(gòu)泄漏，并產(chǎn)生雜散電流[1]。雜散電流會腐蝕車站及區(qū)間主體結(jié)構(gòu)的鋼筋、城市軌道交通內(nèi)部的金屬管線，以及線路沿線的市政金屬管線。對此，專用軌回流系統(tǒng)提供了更徹底的隔離解決方案。專用軌回流采用絕緣支架安裝在軌道中間或側(cè)面，其將列車牽引回流引至變電所負(fù)極母線，從而實(shí)現(xiàn)電氣與土建結(jié)構(gòu)的有效隔離。

由于專用軌回流對地絕緣良好，接觸網(wǎng)和專用軌回流的對地泄漏電阻極高，故當(dāng)發(fā)生接觸網(wǎng)對鋼軌(或地)短路故障時，故障電流太小，且不在變電所直流接地框架泄漏保護(hù)范圍內(nèi)[2]。因此，有必要對專用軌回流系統(tǒng)的直流接地保護(hù)方案進(jìn)行研究。

1 專用軌回流系統(tǒng)簡介

1.1 專用軌回流與走行軌回流對比

在專用軌回流系統(tǒng)中，絕緣支架的電阻率理論上可達(dá)到108Ωkm，這可從根本上解決雜散電流的問題。專用軌回流系統(tǒng)能徹底解決雜散電流對車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)鋼筋，以及沿線市政金屬管線的腐蝕問題，可有效降低相關(guān)專業(yè)對雜散電流的防護(hù)要求及實(shí)施難度，減少后續(xù)運(yùn)營的維護(hù)工作量。

使用走行軌回流時，雜散電流對鋼軌、道床和土建建筑結(jié)構(gòu)鋼筋的影響較大；供電系統(tǒng)需設(shè)置雜散電流防護(hù)工程和安全防護(hù)項；鋼軌需絕緣安裝，并設(shè)置排流網(wǎng)及雜散電流測防端子及連接端子；站臺門絕緣安裝并設(shè)置等電位裝置與鋼軌連接。圖1為走行軌回流系統(tǒng)示意圖。

圖1 走行軌回流系統(tǒng)示意圖

專用軌回流系統(tǒng)不再設(shè)置雜散電流防護(hù)工程，需設(shè)置專用軌回流工程；車輛需增設(shè)專用回流器、負(fù)極母線；走行軌無需絕緣，直接和接地網(wǎng)連接；站臺門無需絕緣安裝。圖2為專用軌回流系統(tǒng)示意圖。

圖2 專用軌回流系統(tǒng)示意圖

1.2 專用軌回流系統(tǒng)分類

目前，我國的專用軌回流系統(tǒng)主要有接觸網(wǎng)+回流軌牽引供電制式和供電軌+回流軌牽引供電制式兩種。

1.2.1 接觸網(wǎng)+回流軌牽引供電制式

接觸網(wǎng)+回流軌牽引供電制式采用架空接觸網(wǎng)授電、專用軌回流回流的牽引供電制式。架空接觸網(wǎng)采用常規(guī)接觸網(wǎng)供電方案，其地下段采用剛性懸掛，地面及高架段采用柔性懸掛。專用軌回流為鋼鋁復(fù)合軌，采用常規(guī)接觸軌供電方案。我國已開通運(yùn)營的寧波軌道交通4號線及在建的鄭州市軌道交通港區(qū)至許昌市域鐵路工程均采用該類專用軌回流系統(tǒng)。接觸網(wǎng)+回流軌牽引供電系統(tǒng)在圓形盾構(gòu)區(qū)間的斷面示意圖如圖3所示。

圖3 接觸網(wǎng)+回流軌牽引供電系統(tǒng)在圓形盾構(gòu)區(qū)間的斷面示意圖

1.2.2 接觸軌+回流軌牽引供電系統(tǒng)

接觸軌+回流軌牽引供電制式采用接觸軌供電、專用軌回流回流的牽引供電制式，其供電軌和回流軌均采用常規(guī)接觸軌供電方案，即鋼鋁復(fù)合軌。國內(nèi)已開通運(yùn)營的重慶軌道交通跨坐式單軌、長沙磁浮快線工程及在建的清遠(yuǎn)市磁浮旅游專線工程、鳳凰磁浮文化旅游項目等工程均采用該方案。供電軌+回流軌牽引供電系統(tǒng)在高架區(qū)間的斷面布置示意圖如圖4所示。

圖4 供電軌+回流軌牽引供電系統(tǒng)在高架區(qū)間的斷面示意圖

2 接地保護(hù)方案

2.1 走行軌回流系統(tǒng)的接地保護(hù)方案

為研究專用軌回流系統(tǒng)接地保護(hù)方案，本文以傳統(tǒng)走行軌回流系統(tǒng)接地保護(hù)方案作為對比方案，對專用軌回流系統(tǒng)的接地保護(hù)方案進(jìn)行研究分析。

對于采用走行軌回流的城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)，其接地保護(hù)一般通過框架泄漏保護(hù)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)直流開關(guān)柜、整流器、負(fù)極柜或隔離開關(guān)柜等直流設(shè)備柜內(nèi)正極對外殼發(fā)生絕緣損害時，框架保護(hù)快速動作，保證牽引供電系統(tǒng)的安全。框架泄漏保護(hù)裝置由電流測量元件和電壓測量元件組成。電流測量元件一端接設(shè)備外殼，另一端接地，用于檢測外殼與地之間流過的故障電流；電壓測量元件一端接于負(fù)極，另一端接設(shè)備外殼，用于測量設(shè)備外殼與直流設(shè)備負(fù)極之間的電壓[3]。

2.2 專用軌回流系統(tǒng)的接地保護(hù)方案

在專用軌回流系統(tǒng)中，走行鋼軌不再是直流供電系統(tǒng)中的回流通路。為保證區(qū)間檢修和疏散的安全，全線走行軌應(yīng)直接接地。當(dāng)專用軌回流系統(tǒng)中牽引網(wǎng)對走行軌(大地)短路時，由于專用軌回流系統(tǒng)的牽引網(wǎng)和回流軌對地絕緣好，對地泄漏電阻大，此時直流故障短路電流小，直流斷路器無法動作切除故障，將對軌道交通運(yùn)營產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

在走行軌直接接地的前提下，通過在直流負(fù)極母線與走行軌(大地)之間設(shè)置接地漏電保護(hù)裝置作為牽引網(wǎng)對走行軌(大地)短路時的電流通路，減小短路時的系統(tǒng)阻抗，增大直流故障短路電流，利用直流饋線斷路器動作跳閘切除故障。

接地漏電保護(hù)裝置由單向?qū)ǘO管與泄漏電流檢測元件共同組成，其中二極管在電流由大地流向負(fù)極母線時導(dǎo)通，在反向時截止。

對于接觸網(wǎng)+回流軌牽引供電系統(tǒng)和供電軌+回流軌牽引供電系統(tǒng)，二者的接地保護(hù)方案略有不同。

2.3 接觸網(wǎng)+回流軌牽引供電制式的接地保護(hù)方案

2.3.1 故障類型

常見的接觸網(wǎng)+回流軌牽引供電制式直流短路故障類型主要有：Ⅰ類，接觸網(wǎng)對走行鋼軌或架空地線短路故障；Ⅱ類，變電所直流設(shè)備內(nèi)部正極對設(shè)備外殼短路故障；Ⅲ類，接觸網(wǎng)對地或列車外殼短路故障，Ⅳ類，車輛內(nèi)部的正極對殼體短路故障；Ⅴ類，車輛內(nèi)部的正、負(fù)極對車輛外殼絕緣不良故障。

2.3.2 接地漏電保護(hù)裝置的設(shè)置

采用專用軌回流系統(tǒng)方案后，走行鋼軌在車站內(nèi)均已可靠接地，牽引網(wǎng)與地、車輛外體均良好絕緣。為增加直流系統(tǒng)保護(hù)選擇性，減小發(fā)生故障后的停電范圍，專用軌回流系統(tǒng)直流牽引供電繼電保護(hù)設(shè)置方案與走行軌回流系統(tǒng)基本保持一致，通過設(shè)置框架保護(hù)元件對一般的接地故障進(jìn)行保護(hù)，并在鋼軌(地)和直流系統(tǒng)負(fù)極母線之間設(shè)置接地漏電保護(hù)裝置(單相導(dǎo)通裝置+泄漏電流監(jiān)測元件)，為牽引網(wǎng)正極對地短路電流提供電流通路，如圖5所示。

注：M為電客車牽引電極；KB為直流斷路器。

當(dāng)城市軌道交通線路中發(fā)生Ⅰ類—Ⅳ類接地故障時，專用軌回流系統(tǒng)直流相關(guān)的繼電保護(hù)方案與常規(guī)方案保持一致。

當(dāng)發(fā)生Ⅴ類故障時，正極或負(fù)極出現(xiàn)絕緣降低或損壞，設(shè)置在車輛內(nèi)部正負(fù)極與車輛殼體間的絕緣檢測裝置會檢測到絕緣降低或損壞，對應(yīng)的繼電保護(hù)方案為：

1)車輛內(nèi)部正極出現(xiàn)接地短路故障時，短路電流流向為正極→地→接地漏電保護(hù)裝置→負(fù)極，相當(dāng)于正負(fù)極之間短路。此時電客車正極接地保護(hù)方案與傳統(tǒng)走行軌保護(hù)方案一致。電客車殼體通過鋼輪、鋼軌和車站內(nèi)接地網(wǎng)相連，車內(nèi)乘客和電客車殼體等電位，即可完全保證車上乘客人身安全。同樣，車輛內(nèi)部負(fù)極出現(xiàn)接地短路故障時，電客車內(nèi)乘客人身安全也可以得到保障。

2)車輛內(nèi)部正極或負(fù)極出現(xiàn)絕緣降低或損壞時，絕緣檢測裝置能及時檢測到泄漏電流，同時發(fā)出報警信息并存儲故障信息，以便列車回場段后檢修排查故障。

3)當(dāng)直流正極接觸網(wǎng)或直流負(fù)極專用軌回流發(fā)生非金屬性接地短路時，設(shè)置在變電所內(nèi)的接地漏電保護(hù)裝置均能檢測到泄漏電流。裝置內(nèi)部的泄漏電流檢測元件會報警并上傳信號至變電所電力監(jiān)控后臺，以方便運(yùn)營維護(hù)人員尋找泄漏點(diǎn)并解決故障。

根據(jù)前文分析，接觸網(wǎng)+回流軌系統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)置方案與走行軌回流系統(tǒng)保持一致。通過在變電所直流負(fù)極與地之間設(shè)置接地漏電保護(hù)裝置，接觸網(wǎng)+回流軌牽引供電制式的直流保護(hù)方案在發(fā)生正極對負(fù)極、正極對架空地線、正極對鋼軌、正極對車輛殼體等各種短路故障時，均能起到選擇性保護(hù)的作用。

2.4 接觸軌+回流軌牽引供電制式的接地保護(hù)方案

目前，在我國已開通運(yùn)營的、采用接觸軌+回流軌制式的跨座式單軌線路及中低速磁浮快線中，大部分采用64D接地漏電保護(hù)裝置(以下簡稱“64D裝置”)。該裝置原理圖如圖6所示。64D裝置對直流系統(tǒng)正極對地短路故障的判斷依據(jù)為：測量負(fù)極母線對地電壓達(dá)到整定值后即跳閘。全線牽引變電所的正極母線及負(fù)極母線均通過接觸網(wǎng)和回流軌貫通，其實(shí)際為并聯(lián)運(yùn)行方式。在正常運(yùn)行期間，若某區(qū)間發(fā)生牽引網(wǎng)正極對地短路故障，則通過大地及64D裝置接地電阻后流回負(fù)極的電流增大，導(dǎo)致負(fù)極對地電壓升高到整定值，全線牽引變電所內(nèi)64D裝置動作，進(jìn)而使全線直流饋線斷路器跳閘，從而導(dǎo)致牽引網(wǎng)大面積停電，嚴(yán)重影響線路正常運(yùn)營。為了避免這一問題，需對原有的64D裝置進(jìn)行第一次改進(jìn)。

注：VD為電壓測量裝置。

第一次改進(jìn)后的64D裝置將檢測牽引網(wǎng)負(fù)極對地電壓值調(diào)整為檢測負(fù)極對地電流值。一旦檢測到的電流值達(dá)到整定出口值，64D裝置就會給直流饋線斷路器發(fā)出跳閘命令，切斷故障回路。此時，第一次改進(jìn)后的64D裝置仍不能檢測出故障具體發(fā)生位置。

為進(jìn)一步提高直流系統(tǒng)保護(hù)動作的選擇性，在牽引變電所每個上網(wǎng)隔離開關(guān)柜內(nèi)增加設(shè)置電流傳感器，對每一路直流饋線電流進(jìn)行測量。對64D裝置進(jìn)行了第二次改進(jìn)，第二次改進(jìn)后的64D接線如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后的64D裝置接線圖

由基爾霍夫電流定律可知：理論上，供電系統(tǒng)正常運(yùn)行時直流正極饋出電流(Is+)與直流負(fù)極回流電流(Is-)相等；當(dāng)牽引網(wǎng)正極對地短路時，Is+測量值大于Is-測量值，當(dāng)二者差值大于報警閾值或者跳閘整定值時，則64D會對對應(yīng)的直流饋線斷路器發(fā)出報警或跳閘命令，從而切斷故障回路。

改進(jìn)后，各牽引變電所64D裝置內(nèi)的控制單元通過光纖進(jìn)行實(shí)時通信，對全線各牽引變電所直流饋線電流Is+和Is-的最大差值進(jìn)行比較，確定差值最大的直流饋線回路。根據(jù)反時限跳閘曲線，差值電流與跳閘時間成反比：差值電流值越小，對應(yīng)的跳閘時間越長；差值電流值越大，對應(yīng)的跳閘時間越短。此外，第二次改進(jìn)還在每個保護(hù)中加入了一定的延時：離故障點(diǎn)最近的直流饋線斷路器檢測到的差值電流最大，最先動作；離故障點(diǎn)越遠(yuǎn)的直流饋線檢測到的電流差值也越小，對應(yīng)的保護(hù)裝置出口跳閘時限更長。利用這種時間級差的配合，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的選擇性，避免故障擴(kuò)大化。

改進(jìn)后的64D裝置通過檢測大地至負(fù)極的漏電流及直流饋線正負(fù)極電流差值，能準(zhǔn)確地定位故障發(fā)生區(qū)段，并通過邏輯判斷快速切除故障回路，不會影響其他區(qū)間正常供電，徹底解決了保護(hù)選擇性的問題。改進(jìn)后的64D裝置在清遠(yuǎn)市磁浮旅游專線工程、武漢光谷生態(tài)旅游專線等項目均有應(yīng)用。

3 結(jié)論

1)采用接觸網(wǎng)+回流軌牽引供電制式的專用軌回流系統(tǒng)的直流接地保護(hù)方案與走行軌回流制式的接地保護(hù)方案基本一致，僅在發(fā)生正極對地短路時略有不同。通過在變電所直流負(fù)極與地之間設(shè)置接地漏電保護(hù)裝置，牽引變電所直流保護(hù)方案可在直流系統(tǒng)發(fā)生正極對負(fù)極、正極對架空地線、正極對鋼軌、正極對車輛殼體等各種短路故障時均起到選擇性保護(hù)的作用。

2)接觸軌+回流軌牽引供電制式與接觸網(wǎng)+回流軌制式的專用軌回流系統(tǒng)直流接地保護(hù)方案保護(hù)原理基本相同，均通過接地漏電保護(hù)裝置對短路電流形成通路引起斷路器動作。由于缺少走行鋼軌，需對接地漏電保護(hù)裝置進(jìn)行改進(jìn)。通過檢測大地至負(fù)極的泄漏電流，并對直流饋線正負(fù)極電流差值進(jìn)行綜合判斷，可精準(zhǔn)切斷故障回路，實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)。