地鐵直流框架泄漏保護的優(yōu)化設計

王小峰

地鐵直流框架泄漏保護的優(yōu)化設計

王小峰

通過對一套框架泄漏保護方案的分析，提出設置2套、3套框架泄漏保護的優(yōu)化方案，該方案縮小了框架泄漏保護故障影響的范圍，故障定位與查找更加迅速、準確，供電恢復快，提高了直流供電系統(tǒng)的可靠性和靈活性，減輕了運營風險和壓力。

地鐵；框架泄漏保護；優(yōu)化設計

0 引言

為了防止雜散電流對結構和設備的腐蝕，牽引變電所直流設備均采用絕緣安裝，直流設備設置專門的框架泄漏保護裝置，避免直流設備正極對設備外殼發(fā)生泄漏時由初期泄漏電流（小電流）發(fā)展為正極通過外殼對負極間的短路事故，從而起到保護直流設備和人身安全的作用。但是，一旦直流框架泄漏保護裝置動作，將引起多處直流斷路器跳閘，造成接觸網(wǎng)大范圍停電，影響列車的正常運行，不但增加了運營風險和壓力，而且給廣大市民的出行造成不便。本著迅速查找故障，快速恢復供電，減少停電范圍的目的，本文結合近年來地鐵的設計經(jīng)驗，針對目前工程中設置1套框架泄漏保護方案的分析，提出了設置2套或3套直流框架泄漏保護的優(yōu)化方案。

1 設置框架泄漏保護的必要性

牽引變電所直流設備均采用絕緣安裝，當直流設備正極對外殼發(fā)生泄漏時，一般初期電流都不大，但如不及時清除，容易將故障擴大為正極通過外殼對負極間的短路事故，短路電流可能由最初的幾十安培上升至幾萬安培，對直流設備將造成嚴重危害。因此，需要專門設置具有高靈敏度的框架泄漏保護來檢測并快速清除這種泄漏故障。直流牽引供電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 直流牽引供電系統(tǒng)示意圖

2 框架泄漏保護的一般設置方案

框架泄漏保護方案是將牽引變電所內的所有直流設備對地絕緣安裝，框架通過電纜連接后設置一套框架泄漏保護裝置（即：1個電流檢測元件+1個電壓檢測元件）。其接線如圖2所示。

圖2 1套框架泄漏保護設置方案示意圖

保護裝置中檢測元件的功能如下：

（1）電壓檢測元件。該元件接于直流負極和設備外殼之間，測量設備外殼與直流設備負極之間的電壓。電壓Ⅰ段用于報警（通常整定值設為U＞110 V，t = 1.5 s），Ⅱ段用于跳閘（通常整定值設為U＞170 V，t = 0.5 s）。當直流設備內正極對外殼短路時，電壓檢測元件檢測到的電壓值大于電壓元件整定值時，電壓檢測元件應在整定的時間內報警或動作（僅本牽引變電所內的整流機組中壓斷路器和所有直流斷路器跳閘）。電壓檢測元件作為電流檢測元件的后備，當鋼軌對地的絕緣性好，絕緣泄漏電阻大，不利于電流檢測元件檢測到電流時，電壓元件可以檢測到異常的電壓，從而報警或動作。

（2）電流檢測元件。絕緣安裝的直流開關柜外殼通過一個能承受100 kA短路電流，電阻為0.15 mΩ的分流器與變電所接地網(wǎng)單點相連，即作為電流檢測回路的分流器一端接設備外殼，另一端接地。當直流設備內正極對外殼短路時，流過電流檢測元件的接地電流達到整定值時（通常整定值設為I≥80 A），框架泄漏保護裝置的電流檢測元件動作。使本牽引變電所內的整流機組交流中壓斷路器及所有直流斷路器跳閘，聯(lián)跳相鄰牽引變電所向同一供電區(qū)段供電的直流饋線斷路器并閉鎖斷路器合閘。此時必須及時進行倒閘作業(yè)，通過接觸網(wǎng)越區(qū)隔離開關實現(xiàn)越區(qū)供電。故障排除后，須人工復歸框架泄漏保護裝置，斷路器才能重新投入。

以牽引變電所B為例：當本牽引變電所發(fā)生框架泄漏故障，故障電流I1達到整定值時，保護裝置發(fā)出跳閘命令，跳開本所所有直流斷路器（201、202、211、213、212、214），同時聯(lián)跳本所交流中壓斷路器（121、123）和牽引變電所A的直流饋線斷路器（213、214）及牽引變電所C的直流饋線斷路器（211、212），并閉鎖斷路器合閘。該方案造成牽引變電所B的左、右供電臂的接觸網(wǎng)停電，倒閘操作恢復送電時間長，對運營影響較大。

3 框架泄漏保護裝置的優(yōu)化

據(jù)統(tǒng)計，整流器是直流設備中故障率相對較高的設備。為了縮小整流器框架故障的跳閘范圍，盡量不影響列車運行，可以為整流器單獨設置1套框架泄漏保護裝置。為此，提出2種優(yōu)化設計方案，即設2套框架泄漏保護裝置或3套框架泄漏保護裝置。

3.1 設2套框架泄漏保護裝置

該方案兩面整流器和負極柜合設1套框架泄漏保護裝置，直流進線柜和饋線柜單獨設1套框架泄漏保護裝置。其接線如圖3所示。

圖3 2套框架泄漏保護設置方案示意圖

當整流器發(fā)生框架泄漏故障時，本牽引變電所內僅整流機組交流中壓斷路器和直流進線斷路器跳閘，直流饋線斷路器不跳閘?？梢酝ㄟ^本牽引變電所的直流母線實現(xiàn)大雙邊供電，接觸網(wǎng)不停電，不影響列車正常運行。當直流開關柜發(fā)生框架泄漏故障時，除本牽引變電所交流中壓斷路器及所有直流斷路器跳閘外，同時聯(lián)跳相鄰牽引變電所對應的直流饋線斷路器并閉鎖合閘。此時故障牽引變電所解列，須通過越區(qū)隔離開關實現(xiàn)大雙邊供電，故障排除以后，須人工復歸框架泄漏保護裝置，斷路器才能重新投入。

以牽引變電所B為例：當本牽引變電所整流器（Rt1或Rt2）發(fā)生框架泄漏故障，故障電流I1達到整定值時，保護裝置發(fā)出跳閘命令，跳開本所直流進線斷路器（201、202），僅同時聯(lián)跳本所交流中壓斷路器（121、123）。當直流開關柜發(fā)生框架泄漏時，故障電流I2達到整定值時，保護裝置發(fā)出跳閘命令，跳開本所所有直流斷路器（201、202、211、213、212、214），同時聯(lián)跳本所交流中壓斷路器（121、123）和牽引變電所A的直流饋線斷路器（213、214）及牽引變電所C的直流饋線斷路器（211、212），并閉鎖斷路器合閘。該方案可以區(qū)分整流器框架故障，從而縮小故障停電范圍。

3.2 設3套框架泄漏保護裝置

該方案為每面整流器分別設置1套框架泄漏保護裝置，直流開關柜與負極柜共用1套框架泄漏保護裝置。其接線如圖4所示。

圖4 3套框架泄漏保護設置方案示意圖

當單臺整流器發(fā)生框架泄漏故障時，相應的整流機組交流中壓斷路器和直流進線斷路器跳閘，根據(jù)運營需求，可采用1套整流機組運行，也可使2套整流機組均退出運行，通過故障牽引變電所的直流母線實現(xiàn)大雙邊供電，不影響列車正常運行。當直流開關柜發(fā)生框架泄漏故障時，其故障和操作模式與設置2套框架泄漏保護裝置的方案相同。

實際設計中，為了解決整流器和負極柜分開布置導致設備房的長度增加的問題，可以在設備之間固定聚碳酸酯板，以達到框架相互隔離的效果。其接線和設備布置方案如圖5所示。

圖5 3套框架泄漏保護設置優(yōu)化方案示意圖

以牽引變電所B為例：當本牽引變電所整流器Rt1（Rt2）發(fā)生框架泄漏故障，故障電流I2（I3）達到整定值時，保護裝置發(fā)出跳閘命令，可僅聯(lián)跳本套整流器Rt1（Rt2）的直流進線斷路器201（202）和交流中壓斷路器121（123），允許另1臺整流機組正常運行。當直流開關柜發(fā)生框架泄漏故障時，故障電流I1達到整定值時，保護裝置發(fā)出跳閘命令，跳開本所所有直流斷路器（201、202、211、213、212、214），同時聯(lián)跳本所交流中壓斷路器（121、123）和牽引變電所A的直流饋線斷路器（213、214）及牽引變電所C的直流饋線斷路器（211、212），并閉鎖斷路器合閘。該方案可以區(qū)分每套整流器的框架故障，縮小了故障停電范圍，故障定位和查找范圍也更加準確。

3.3 3種保護方案的對比分析

上述3種保護方案分析對比見表1。

表1 3種保護方案的對比分析表

4 結論

綜上可見：1套框架泄漏保護方案的故障影響范圍最大，故障查找及恢復供電所需的時間最長，對列車運行造成的影響也最大；設置2套和設置3套框架泄漏保護方案在縮小接觸網(wǎng)停電范圍及恢復供電方面的效果相差無幾，只是設置3套框架泄漏保護方案在故障定位與查找方面更迅速、準確，從而確保直流系統(tǒng)持續(xù)供電，使系統(tǒng)運行更加可靠、靈活，同時減輕了運營風險和壓力。

On basis of analyzing a scheme for a set of frame leakage protection, it proposes an optimum design scheme for leakage protection of 2 sets and 3 sets of frames, which narrows scope of influence caused by frame leakage protection failures, enables prompt and accurate fault location and trouble shooting, fast power supply recovery, heightens reliability and flexibility of DC power supply system, lessens operation risks and pressure.

Subway; frame leakage protection; optimum design

U231.8

B

1007-936X(2015)02-0031-04

王小峰.上海市隧道工程軌道交通設計研究院，工程師，電話：18602193695。