淺析地鐵直流牽引供電系統(tǒng)框架保護(hù)原理及保護(hù)設(shè)置方案

葉 蘢

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部，廣東廣州510380）

1 框架保護(hù)的工作原理

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的框架保護(hù)裝置設(shè)在牽引所的負(fù)極柜內(nèi)，用于在直流供電設(shè)備發(fā)生絕緣損壞或?qū)υO(shè)備框架發(fā)生閃絡(luò)、產(chǎn)生泄漏電流時(shí)，能夠及時(shí)切除故障，保護(hù)供電設(shè)備和人員人身的安全?？蚣鼙Ｗo(hù)有兩種類(lèi)型，分別是電壓型框架保護(hù)和電流型框架保護(hù)，電壓型保護(hù)是電流型保護(hù)的后備保護(hù)。保護(hù)原理如圖1所示。

圖1 框架保護(hù)原理接線示意圖

直流牽引供電系統(tǒng)設(shè)備（包括DC 1 500 V開(kāi)關(guān)柜、負(fù)極柜、整流器柜）的外殼采用對(duì)地絕緣安裝方式，其外殼不是直接接地，而是通過(guò)電纜連在一起，然后連接至負(fù)極柜，經(jīng)過(guò)一個(gè)1 000 A/150 mV的分流器（R101）再接到公共地網(wǎng)，泄漏電流從地網(wǎng)經(jīng)隧道壁、道床再流至鋼軌（負(fù)極）。當(dāng)直流設(shè)備絕緣損壞，帶電設(shè)備對(duì)框架產(chǎn)生泄漏電流時(shí)，會(huì)在分流器（R101）兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓，再通過(guò)隔離放大器將兩端的電壓信號(hào)輸入至保護(hù)模塊PLC，以測(cè)量框架對(duì)地的泄漏電流。

當(dāng)檢測(cè)到泄漏電流達(dá)到整定值35 A時(shí)，電流型框架保護(hù)動(dòng)作、出口，跳開(kāi)相應(yīng)開(kāi)關(guān)，保護(hù)動(dòng)作無(wú)延時(shí)。

電壓型框架保護(hù)是后備保護(hù)，由于鋼軌是采用絕緣安裝的，鋼軌對(duì)地的絕緣電阻會(huì)隨著絕緣材料的性能改變而變化，所以框架泄漏電流的回路電阻是不確定的，當(dāng)回路電阻很大時(shí)，可能造成雖然設(shè)備對(duì)框架的絕緣損壞，但是泄漏電流檢測(cè)值達(dá)不到整定值要求，電流型框架保護(hù)不動(dòng)作的情況，電壓型框架保護(hù)就是為了彌補(bǔ)這個(gè)缺陷而存在的。如圖1所示，它使用一個(gè)電壓變送器接在框架和負(fù)極之間，不斷將框架與負(fù)極（鋼軌）之間的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成低電壓信號(hào)后輸入PLC，以檢測(cè)框架對(duì)鋼軌電壓（因框架經(jīng)分流器接地，亦即測(cè)量鋼軌對(duì)地電壓）。

當(dāng)PLC檢測(cè)到電壓達(dá)到或超過(guò)整定值時(shí)，啟動(dòng)一段延時(shí)，如果在延時(shí)時(shí)間內(nèi)，電壓一直大于整定值，則電壓型框架保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)相應(yīng)開(kāi)關(guān)。

2 電流、電壓型框架保護(hù)與鋼軌電位限制裝置的匹配

在框架保護(hù)系統(tǒng)中有一個(gè)非常重要的部分——鋼軌電位限制裝置，它一端接鋼軌，另一端接地網(wǎng)，與電壓型框架保護(hù)類(lèi)似，檢測(cè)的是鋼軌對(duì)地的電壓，當(dāng)鋼軌電位達(dá)到保護(hù)整定值時(shí)，鋼軌電位限制裝置會(huì)迅速動(dòng)作，將鋼軌與接地網(wǎng)短接，降低鋼軌電位。

電壓型框架保護(hù)與鋼軌電位限制裝置兩者都是檢測(cè)鋼軌對(duì)地電壓的，不同的是電壓型框架保護(hù)的作用是保護(hù)直流設(shè)備安全，動(dòng)作于跳閘，切除直流絕緣泄漏或短路故障；鋼軌電位限制裝置的作用是降低鋼軌對(duì)地電壓，保護(hù)線路上人員的人身安全，不影響直流牽引供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。兩種保護(hù)的整定值必須相互匹配，以保證它們的選擇性和可靠性。

當(dāng)發(fā)生框架泄漏事故時(shí)，故障電流通過(guò)電流檢測(cè)元件，此時(shí)電流元件啟動(dòng)，同時(shí)故障電流通過(guò)回路壓降在電壓元件上產(chǎn)生一個(gè)高電壓，電壓元件也同時(shí)啟動(dòng)。當(dāng)故障電流達(dá)到電流元件的整定值時(shí)，電流型框架保護(hù)動(dòng)作、出口，跳開(kāi)相應(yīng)開(kāi)關(guān)；當(dāng)故障電流沒(méi)有達(dá)到電流元件的整定值時(shí)，由于軌電位升高，達(dá)到軌電位限制裝置動(dòng)作值時(shí)合上軌電位，將鋼軌直接接地，降低接地電阻，令電流型框架保護(hù)動(dòng)作；當(dāng)軌電位限制裝置拒動(dòng)時(shí)，則通過(guò)電壓型框架保護(hù)作為后備保護(hù)跳開(kāi)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)，切除故障。

3 框架保護(hù)動(dòng)作的原因分析

導(dǎo)致框架保護(hù)動(dòng)作的原因很多，根據(jù)故障點(diǎn)的位置可以分為變電所內(nèi)部故障和變電所外部故障兩類(lèi)。

3.1 變電所內(nèi)部故障

直流牽引供電設(shè)備內(nèi)的小動(dòng)物、絕緣降低、柜頂異物掉落、開(kāi)關(guān)分合閘電弧或帶電導(dǎo)體脫落等情況都有可能導(dǎo)致框架與帶電設(shè)備短路，此時(shí)電流型框架保護(hù)應(yīng)動(dòng)作，如果電流未達(dá)到整定值，框架電壓升高而軌電位裝置又不能正常動(dòng)作，則電壓型框架保護(hù)可能動(dòng)作。

根據(jù)保護(hù)原理，框架保護(hù)的電流、電壓檢測(cè)回路如發(fā)生元器件故障或短路等問(wèn)題，電流型或電壓型框架保護(hù)可能發(fā)生誤動(dòng)。

3.2 變電所外部故障

變電所外部導(dǎo)致鋼軌對(duì)地電壓升高的原因有很多，列車(chē)啟動(dòng)制動(dòng)產(chǎn)生的大電流、負(fù)回流系統(tǒng)電阻過(guò)高、接觸網(wǎng)斷線對(duì)地短路、接觸網(wǎng)絕緣下降對(duì)地短路均會(huì)導(dǎo)致軌電位異常偏高，此時(shí)軌電位限制裝置應(yīng)首先動(dòng)作，只有當(dāng)軌電位限制裝置不能正常動(dòng)作時(shí)，電壓型框架保護(hù)會(huì)動(dòng)作。

綜合以上情況，當(dāng)電流型框架保護(hù)動(dòng)作時(shí)，可以初步判斷是所內(nèi)設(shè)備發(fā)生故障。電壓型框架保護(hù)除了因電壓檢測(cè)回路故障導(dǎo)致的誤動(dòng)之外，多數(shù)情況是因?yàn)檐夒娢幌拗蒲b置未正常動(dòng)作而作為后備保護(hù)啟動(dòng)，且多為變電所外部原因所引起的。

電壓型框架保護(hù)作為軌電位后備啟動(dòng)的同時(shí)也擴(kuò)大了對(duì)行車(chē)造成的影響。如1999年6月，廣州地鐵1號(hào)線由于鋼軌電位升高，直流框架保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致公園前和長(zhǎng)壽路區(qū)間接觸網(wǎng)大面積停電，影響行車(chē)42 min；2005年1月3號(hào)，深圳地鐵同樣由于軌電位升高，電壓型框架保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致4號(hào)線全線癱瘓，影響行車(chē)近4 h。兩次事件當(dāng)時(shí)均沒(méi)有發(fā)生短路故障，而是由于車(chē)輛運(yùn)行和其他原因?qū)е落撥夒娢簧?，?yīng)該由鋼軌電位限制裝置動(dòng)作，避免電壓型框架保護(hù)動(dòng)作。因此，設(shè)計(jì)時(shí)確保軌電位限制裝置與框架保護(hù)相互匹配，并在運(yùn)行、維護(hù)中確保軌電位限制裝置可靠啟動(dòng)、接觸器可靠動(dòng)作是非常重要的。

4 框架保護(hù)聯(lián)跳、復(fù)歸、閉鎖設(shè)置方案

由于框架保護(hù)動(dòng)作后會(huì)造成接觸網(wǎng)多個(gè)供電分區(qū)停電，影響區(qū)間內(nèi)列車(chē)停運(yùn)，而如果區(qū)間內(nèi)列車(chē)不能盡快恢復(fù)運(yùn)行，車(chē)站和列車(chē)內(nèi)乘客的情緒會(huì)受影響，甚至產(chǎn)生恐慌情緒，從而進(jìn)一步影響客運(yùn)服務(wù)的組織和恢復(fù)。因此，框架保護(hù)故障的處理通常采用先通后復(fù)的原則，而框架保護(hù)聯(lián)跳、復(fù)歸、閉鎖的設(shè)置方案對(duì)故障的準(zhǔn)確隔離和迅速恢復(fù)接觸網(wǎng)供電起著重要的作用。隨著地鐵公司運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)的積累和地鐵線網(wǎng)的發(fā)展，地鐵公司各條線路的框架保護(hù)設(shè)置方案也有了不同的方向。

4.1 聯(lián)跳功能設(shè)置方案對(duì)比

框架保護(hù)啟動(dòng)后，統(tǒng)一出口跳本所兩臺(tái)整流機(jī)組33 kV斷路器和所有DC 1 500 V直流開(kāi)關(guān)，聯(lián)跳方式有聯(lián)跳鄰所開(kāi)關(guān)和只跳本所不聯(lián)跳鄰所兩種方式，前者影響兩個(gè)區(qū)間的接觸網(wǎng)停電，后者鄰所開(kāi)關(guān)正常運(yùn)行，繼續(xù)以大雙邊方式對(duì)接觸網(wǎng)供電。

電流型框架保護(hù)作為主保護(hù)，如果動(dòng)作，所內(nèi)設(shè)備通常存在明確的故障點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中普遍采用動(dòng)作后聯(lián)跳鄰所開(kāi)關(guān)的方式，這樣可以確保第一時(shí)間切除所內(nèi)設(shè)備的故障點(diǎn)，如果只跳本所開(kāi)關(guān)，則本所饋線開(kāi)關(guān)出線端以下設(shè)備的故障點(diǎn)不能被有效切除，可能造成故障進(jìn)一步擴(kuò)大。

電壓型框架保護(hù)作為后備保護(hù)，在實(shí)際應(yīng)用中兩種聯(lián)跳方式都有，聯(lián)跳鄰所開(kāi)關(guān)能可靠地?cái)嚅_(kāi)故障點(diǎn)，保證設(shè)備及人身安全；只跳本所開(kāi)關(guān)則縮小了故障影響范圍，接觸網(wǎng)不失壓，不影響列車(chē)正常運(yùn)行，但如果故障點(diǎn)在變電所外部，則故障點(diǎn)不能第一時(shí)間被切除，如軌電位電壓異常而軌電位限制裝置未能可靠動(dòng)作，可能導(dǎo)致故障影響進(jìn)一步擴(kuò)大，此種方式建議謹(jǐn)慎使用。具體采用哪種方式需要綜合考慮線路客流量、鋼軌電位運(yùn)行情況、線路框架保護(hù)與軌電位的匹配情況等。

4.2 復(fù)歸功能設(shè)置方案對(duì)比

框架保護(hù)的復(fù)歸方案目前也有本地復(fù)歸和遠(yuǎn)程復(fù)歸兩種，框架保護(hù)動(dòng)作后如聯(lián)跳鄰所，相應(yīng)供電區(qū)段接觸網(wǎng)失電，區(qū)間列車(chē)停運(yùn)，且保護(hù)動(dòng)作閉鎖開(kāi)關(guān)合閘，此時(shí)要恢復(fù)大雙邊供電需要先對(duì)保護(hù)模塊進(jìn)行復(fù)歸。

舊線路框架保護(hù)一般采用本地復(fù)歸方式，框架保護(hù)動(dòng)作后搶險(xiǎn)人員要先趕到故障所對(duì)設(shè)備進(jìn)行復(fù)歸后，電調(diào)才能通過(guò)合鄰所開(kāi)關(guān)對(duì)接觸網(wǎng)送電，這種方式在恢復(fù)供電的及時(shí)性方面存在缺陷。

新線路逐漸開(kāi)始設(shè)置遠(yuǎn)方復(fù)位功能，電調(diào)可以遠(yuǎn)控對(duì)保護(hù)模塊進(jìn)行復(fù)歸，然后通過(guò)拉開(kāi)本所饋線的上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)對(duì)所內(nèi)故障進(jìn)行隔離，接著就可以遠(yuǎn)動(dòng)操作合閘鄰所開(kāi)關(guān)，對(duì)接觸網(wǎng)恢復(fù)供電，所有步驟均由電調(diào)遠(yuǎn)方操作，縮短了恢復(fù)時(shí)間，節(jié)省了人力成本，這種方式在運(yùn)營(yíng)實(shí)踐中帶來(lái)了很好的效果。

4.3 合閘閉鎖功能設(shè)置方案對(duì)比

框架保護(hù)的合閘閉鎖方案目前有本所、鄰所開(kāi)關(guān)全部閉鎖合閘和只閉鎖本所合閘兩種，舊線路框架保護(hù)采用本所、鄰所開(kāi)關(guān)全部閉鎖合閘的方案，而后期新線路設(shè)計(jì)開(kāi)始逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴婚]鎖鄰所開(kāi)關(guān)的方案。后者對(duì)鄰所開(kāi)關(guān)只聯(lián)跳和閉鎖自動(dòng)重合閘，不閉鎖開(kāi)關(guān)再次合閘，電調(diào)可以不用對(duì)保護(hù)進(jìn)行復(fù)歸，直接操作鄰所開(kāi)關(guān)合閘，第一時(shí)間恢復(fù)受影響區(qū)段的接觸網(wǎng)供電，即使接觸網(wǎng)不具備恢復(fù)送電條件，也可以通過(guò)試合開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)檢測(cè)回路，確定故障點(diǎn)范圍。不閉鎖鄰所開(kāi)關(guān)的方案進(jìn)一步提升了故障處理效率。

5 結(jié)語(yǔ)

由于框架保護(hù)在直流牽引供電系統(tǒng)中的重要性和特殊性，保證框架保護(hù)系統(tǒng)各級(jí)保護(hù)的可靠性、選擇性，提升故障分析能力及故障處理效率顯得尤為重要。本文通過(guò)對(duì)框架保護(hù)系統(tǒng)中各種保護(hù)的工作原理和相互匹配關(guān)系進(jìn)行梳理，分析總結(jié)了框架保護(hù)的故障原因，提出了預(yù)防保護(hù)誤動(dòng)和故障點(diǎn)初步判斷的方法，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比了幾種保護(hù)設(shè)置方案的優(yōu)劣，歸納了在不擴(kuò)大故障影響范圍的前提下縮短接觸網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)間的保護(hù)設(shè)置方案，對(duì)框架保護(hù)的故障預(yù)防、處理和邏輯功能設(shè)置或許有一定的參考作用。