直流牽引供電系統(tǒng)框架絕緣檢測(cè)方案研究

胡佳駿

摘 要：本文對(duì)直流牽引設(shè)備框架保護(hù)和設(shè)備框架絕緣的功能和關(guān)系進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，對(duì)絕緣檢測(cè)方案進(jìn)行了論述。通過(guò)主動(dòng)和自動(dòng)檢測(cè)方法，減少排查范圍，實(shí)時(shí)了解整流器柜、直流開(kāi)關(guān)柜（含負(fù)極柜）等設(shè)備對(duì)地的絕緣泄漏狀況，提早預(yù)防，避免運(yùn)行時(shí)因設(shè)備絕緣損壞而造成的框架電流保護(hù)工作異常。研究成果可為相關(guān)應(yīng)用與研究提供參考。

關(guān)鍵詞：牽引供電；框架絕緣；檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM922.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

城市軌道交通的牽引供電系統(tǒng)采用直流電源，為了減少雜散電流對(duì)鋼筋及預(yù)埋金屬件等的電腐蝕，直流供電系統(tǒng)均為不接地系統(tǒng)，整流器柜、直流開(kāi)關(guān)柜等直流供電戶(hù)內(nèi)設(shè)備的框架安裝方式均為絕緣安裝，框架通過(guò)低阻抗的電流元件單點(diǎn)接地。當(dāng)出現(xiàn)正極對(duì)框架絕緣泄漏時(shí)，框架保護(hù)元件能檢測(cè)到故障并迅速動(dòng)作，使供電范圍內(nèi)的多個(gè)斷路器快速跳閘，避免事故擴(kuò)大?？蚣鼙Ｗo(hù)是直流供電系統(tǒng)中特有的保護(hù)類(lèi)型，一旦動(dòng)作將會(huì)導(dǎo)致多個(gè)供電區(qū)域停電，因此減少框架保護(hù)誤動(dòng)作并保證其工作可靠性尤為重要，需提早預(yù)防，對(duì)直流框架絕緣的檢測(cè)必須合理可行。

本文簡(jiǎn)要分析框架絕緣的檢測(cè)方法，提出具有參考性的輔助判斷依據(jù)。

1 設(shè)備框架絕緣安裝

直流設(shè)備底部一般鋪設(shè)3mm～6mm的絕緣底板，通過(guò)金屬螺栓套件（1—螺栓，2—平墊，3—彈墊）將柜體與基礎(chǔ)槽鋼固定連接，同時(shí)金屬螺栓套件與設(shè)備框架的接觸面通過(guò)絕緣護(hù)套（4—絕緣套，5—絕緣墊塊）絕緣。理論上，金屬螺栓套件與地（槽鋼接地）為等電位，并且它們與柜體絕緣。絕緣安裝方式如圖1所示。

部分地區(qū)由于濕度極大，僅在設(shè)備與槽鋼之間設(shè)置一層絕緣板仍無(wú)法滿(mǎn)足絕緣安裝的要求，因此會(huì)在設(shè)備絕緣底板和槽鋼之間，再設(shè)置一層絕緣支架，增加爬電距離，絕緣效果較前者有所提高。

2 框架保護(hù)的回路構(gòu)成

以1套框架泄漏保護(hù)裝置為例，早期線(xiàn)路的框架保護(hù)是通過(guò)電流繼電器（DL）和電壓繼電器（KF）采集，由繼電器直接動(dòng)作觸發(fā)跳閘，其優(yōu)點(diǎn)為動(dòng)作狀態(tài)可見(jiàn)，接線(xiàn)簡(jiǎn)潔，缺點(diǎn)為動(dòng)作值可調(diào)范圍小，不能多段設(shè)置，且無(wú)法區(qū)分故障電流、電壓方向；隨著電子產(chǎn)品和自動(dòng)化設(shè)備的更新和普及，變送器采集方式已成為主流，越來(lái)越多的早期線(xiàn)路的框架保護(hù)方案被改為通過(guò)分流器及電流變送器（U1）和電壓變送器（U2）采集，送入監(jiān)控單元判斷后觸發(fā)跳閘，其不僅具有繼電器的優(yōu)點(diǎn)，還能滿(mǎn)足諸如定值無(wú)極可調(diào)，多段設(shè)置，且能區(qū)分故障電流、電壓方向的功能需求。框架保護(hù)的采集方式如圖2所示。

3 框架保護(hù)的原理

框架保護(hù)分為框架電壓和框架電流保護(hù)。

線(xiàn)路運(yùn)行初期，鋼軌對(duì)地的絕緣較好，發(fā)生框架泄漏故障時(shí)，流過(guò)框架電流元件的電流很小，電流元件不易動(dòng)作，此時(shí)的電位升高，電壓元件能夠較為靈敏地檢測(cè)到地和鋼軌間的電壓，當(dāng)大于設(shè)定值時(shí)，框架電壓保護(hù)動(dòng)作，將整流機(jī)組的交、直流側(cè)斷路器跳閘。當(dāng)某個(gè)牽引變電所發(fā)生框架泄漏故障，整條線(xiàn)路的地和鋼軌間的電位都會(huì)升高，各個(gè)牽引所內(nèi)框架電壓元件會(huì)同時(shí)檢測(cè)到較高的電壓值，可能同時(shí)觸發(fā)框架電壓保護(hù)，這樣就會(huì)使其他未發(fā)生框架泄漏故障的牽引所的框架保護(hù)產(chǎn)生誤動(dòng)作，擴(kuò)大事故停電范圍。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后，鋼軌對(duì)地絕緣逐漸下降，若發(fā)生框架故障，鋼軌與地之間的電位差值減小，框架電壓元件不易動(dòng)作，此時(shí)框架電流元件較為靈敏，能夠可靠動(dòng)作，并將相應(yīng)的斷路器跳閘。

地鐵線(xiàn)路通常會(huì)設(shè)置鋼軌電位限制裝置，其功能是用來(lái)防止車(chē)站建筑物地與運(yùn)行鋼軌及其上的車(chē)輛之間產(chǎn)生的危險(xiǎn)電壓，以保護(hù)人員和設(shè)施的安全。鋼軌電位限制裝置與框架保護(hù)的關(guān)系如圖3所示。

圖3中，鋼軌電位限制裝置檢測(cè)的是地和鋼軌（L-）之間的電位；框架電壓元件（U2）檢測(cè)的是設(shè)備框架對(duì)鋼軌（L-）的電位，而設(shè)備框架是通過(guò)低阻抗元件（分流器）單點(diǎn)接地的，阻抗可忽略不計(jì)，可以認(rèn)為框架電壓元件（U2）檢測(cè)的同樣是地和鋼軌（L-）之間的電位，與鋼軌電位限制裝置檢測(cè)位置相同。一旦框架電壓保護(hù)動(dòng)作，會(huì)導(dǎo)致斷路器跳閘而影響行車(chē)，因此項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將框架電壓保護(hù)作為鋼軌電位限制裝置的后備保護(hù)。當(dāng)?shù)睾弯撥墸ㄘ?fù)極）之間的電位升高，鋼軌電位限制裝置會(huì)優(yōu)先動(dòng)作，使地和鋼軌形成金屬通路，框架電壓元件就不會(huì)再動(dòng)作?？蚣茈妷涸趯?shí)際使用過(guò)程中存在誤動(dòng)的可能，會(huì)造成事故障范圍的擴(kuò)大，因此在很多運(yùn)行線(xiàn)路，將框架電壓保護(hù)功能選擇撤除或僅作為報(bào)警功能，不跳閘斷路器。

框架電流保護(hù)對(duì)直流系統(tǒng)的保護(hù)極為重要，其保護(hù)功能又會(huì)受到設(shè)備框架絕緣的影響。若設(shè)備框架絕緣性能降低，發(fā)生框架泄漏時(shí)，會(huì)產(chǎn)生框架對(duì)地的電流支路，這樣流過(guò)框架電流元件的電流會(huì)減小，達(dá)不到設(shè)定值，就無(wú)法迅速地切除故障，這種情況對(duì)設(shè)備和人身安全的危害極大，因此預(yù)防和排查設(shè)備絕緣性能就顯得尤為重要。

4 框架絕緣的手動(dòng)檢測(cè)方案

一般新建線(xiàn)路對(duì)柜體框架絕緣的檢查周期為6～12個(gè)月，對(duì)運(yùn)行5年以上的線(xiàn)路，檢測(cè)周期會(huì)做適當(dāng)調(diào)整。檢測(cè)框架對(duì)地絕緣，通常使用1000V絕緣搖表，搖表的一端接設(shè)備框架，另一端接地，要求絕緣值不小于2MΩ。在確因環(huán)境惡劣條件影響，設(shè)備絕緣不能達(dá)到2MΩ要求，通常采用以絕緣電阻是否達(dá)到50kΩ（750V）或100kΩ（1500V），作為是否投入臨時(shí)運(yùn)行依據(jù)，此數(shù)值能保證安全運(yùn)行。

框架絕緣檢測(cè)一般是在晚上停電后進(jìn)行測(cè)試，此時(shí)一次系統(tǒng)已完成停電，測(cè)試前需拆除框架接地線(xiàn)，清除絕緣底板及安裝螺栓套件周?chē)漠愇?，此外還有幾點(diǎn)試前事項(xiàng)容易被忽略，造成測(cè)試值與實(shí)際值達(dá)不到預(yù)期效果，排查時(shí)易繞彎路，需特別注意。

4.1 關(guān)閉所有被測(cè)設(shè)備的二次電源

在框架絕緣測(cè)試時(shí)，測(cè)試設(shè)備一端接設(shè)備外殼（對(duì)地絕緣），另一端接地。在二次元件中，有一些元件屬于敏感元件，如壓敏電阻、浪涌抑制器、浪涌保護(hù)器等，它們?cè)谶M(jìn)行絕緣測(cè)試時(shí)，可能會(huì)單個(gè)或多個(gè)元件被導(dǎo)通，使測(cè)試電壓過(guò)渡到二次回路中。而直流開(kāi)關(guān)柜的二次回路對(duì)外還有其他不絕緣安裝設(shè)備的二次接口（如交直流屏、交流中壓柜等），若未關(guān)閉二次電源回路，過(guò)渡電壓就可能通過(guò)電源或控制回路，使其他設(shè)備的敏感元件產(chǎn)生多處的對(duì)地泄漏點(diǎn)，導(dǎo)致絕緣測(cè)試值降低。因此，在進(jìn)行絕緣測(cè)試時(shí)，必須要關(guān)閉所有的二次電源。

4.2 拆除框架電壓變送器的一次采樣線(xiàn)

框架電壓變送器是檢測(cè)柜體與負(fù)極（鋼軌）之間的電位，鋼軌對(duì)地使用絕緣墊安裝，一般要求鋼軌對(duì)地的絕緣電阻不小于一定值（按閉塞區(qū)間分段進(jìn)行測(cè)量并換算為1km長(zhǎng)度的過(guò)渡電阻值，對(duì)于新建線(xiàn)路不小于15Ω/km，對(duì)于運(yùn)行線(xiàn)路不小于3Ω/km）。因此在絕緣測(cè)試時(shí)，若不拆除框架變送器的一次采樣線(xiàn)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)柜體框架→電壓變送器→負(fù)極（鋼軌）→地的回路（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“支路”）。

做柜體框架對(duì)地的絕緣電阻測(cè)試時(shí)，若不將框架電壓變送器的一次采樣接線(xiàn)摘除，則會(huì)將并聯(lián)在框架至地兩端的“支路”電阻計(jì)算在內(nèi)，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)得的絕緣電阻降低。等效圖（不考慮線(xiàn)路損耗）如圖4所示。

圖4中，R是柜體框架對(duì)地的電阻；r1是框架電壓變送器內(nèi)阻；r2是鋼軌對(duì)地的泄漏電阻。通過(guò)電阻公式，可計(jì)算出搖表測(cè)得的電阻值Rc，如式（1）

（1）

其中，R取預(yù)期電阻值2MΩ；r1的內(nèi)阻為900kΩ～1MΩ（不同型號(hào)的變送器會(huì)有差異），取900kΩ；r2與線(xiàn)路長(zhǎng)度有關(guān)，電阻值不小于15Ω/km，其與r1為串聯(lián)關(guān)系，r2值與r1的900kΩ不在同個(gè)量級(jí)，為了方便計(jì)算，在此忽略不計(jì)，取0Ω。因此，通過(guò)式（2）可得

（2）

從上述計(jì)算可知，即使框架絕緣電阻滿(mǎn)足預(yù)期要求2MΩ，但若未拆除框架電壓變送器的一次采樣線(xiàn)，搖表測(cè)得的數(shù)據(jù)就不能反映設(shè)備框架的真實(shí)絕緣值。因此為了測(cè)試值的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行絕緣測(cè)試時(shí)，須拆除框架電壓變送器的一次采樣線(xiàn)，對(duì)于有多套框架電壓變送器的配置，該理念仍然適用。

4.3 直流開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的尾纖盒絕緣安裝

設(shè)備內(nèi)的尾纖盒一般為金屬外殼，光纜接入尾纖盒后，一般施工人員會(huì)使用光纜里面的鋼絲進(jìn)行加固，防止由于拉扯導(dǎo)致光纖斷裂，同樣的加固工藝也應(yīng)用在PSCADA控制屏中。直流開(kāi)關(guān)柜為絕緣安裝，PSCADA控制屏為不絕緣安裝，通過(guò)光纜內(nèi)的鋼絲使直流開(kāi)關(guān)柜與PSCADA控制屏的尾纖盒等電位連接，若尾纖盒對(duì)直流柜框架未絕緣安裝，這會(huì)導(dǎo)致形成一個(gè)直流柜框架→直流柜內(nèi)尾纖盒→光纜鋼絲→PSCADA控制屏內(nèi)尾纖盒→PSCADA控制屏框架→地的通路，直流柜框架對(duì)地也就不絕緣了。因此，在檢測(cè)前，應(yīng)預(yù)先排查直流開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的尾纖盒安裝方式。

4.4 整流器柜的通信接口與其他設(shè)備隔離

整流器柜一般通過(guò)RS485電口直接傳輸至PSCADA控制屏的交換機(jī)中，通過(guò)交換機(jī)端口與其他設(shè)備隔離。整流器柜內(nèi)的通信線(xiàn)采用屏蔽雙絞線(xiàn)，其屏蔽層與整流器柜框架等電位。在施工接線(xiàn)時(shí)，整流器柜至PSCADA控制屏的接線(xiàn)同樣使用屏蔽雙絞線(xiàn)，因此在絕緣測(cè)試前，應(yīng)預(yù)先排查該屏蔽層與PSCADA控制屏（或其他不絕緣安裝的設(shè)備）框架隔離，防止通過(guò)屏蔽層形成整流器柜對(duì)地的通路。

4.5 利用分段檢測(cè)法排查絕緣故障

所有的前置條件檢查無(wú)誤后，再對(duì)設(shè)備進(jìn)行絕緣測(cè)試，通過(guò)搖表測(cè)得絕緣電阻值。設(shè)備運(yùn)行初期，設(shè)備房間的環(huán)境較為潮濕，絕緣電阻值往往達(dá)不到2MΩ的要求，需加強(qiáng)除濕、通風(fēng)手段，如抽濕、吹熱風(fēng)等，隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，絕緣電阻會(huì)逐漸增加至預(yù)期要求。若環(huán)境干燥，絕緣電阻仍不達(dá)標(biāo)，則需檢查絕緣底板和絕緣固定螺栓處，首先看是否有破損，再逐步檢查螺栓周?chē)欠裼薪饘傥㈩w?；蚱渌愇?，可采用分段檢測(cè)法，將負(fù)極柜和整流器柜的排列作為一個(gè)整體、直流開(kāi)關(guān)柜排列作為一個(gè)整體，其他絕緣安裝設(shè)備（如隔離柜、再生逆變?cè)O(shè)備等）也分別作為一個(gè)整體，拆除各自的框架連接電纜后，逐個(gè)對(duì)設(shè)備排列進(jìn)行絕緣檢測(cè)，找出薄弱點(diǎn)后進(jìn)行絕緣排查。

5 框架絕緣的自動(dòng)檢測(cè)方案

自動(dòng)檢測(cè)框架絕緣方案適用于變送器采集方式，其主要原理是通過(guò)分流器及電流變送器采集到的框架反向電流值，再由監(jiān)控單元來(lái)判斷框架對(duì)地的絕緣是否正常。主要結(jié)構(gòu)方案如圖5所示。

框架電流泄漏保護(hù)的主要保護(hù)形式是：當(dāng)設(shè)備發(fā)生正極L+對(duì)框架泄漏，通過(guò)低阻抗元件（分流器）對(duì)地網(wǎng)放電，此時(shí)的網(wǎng)電位升高，部分電壓通過(guò)過(guò)渡電阻流向軌道（L-），同時(shí)鋼軌電位限制裝置達(dá)到定值后動(dòng)作，迅速將地網(wǎng)與軌道（L-）短接，形成閉合回路，期間電流變送器實(shí)時(shí)采集電流信號(hào)，并送入監(jiān)控單元進(jìn)行判斷，若框架電流值超過(guò)80A且持續(xù)5ms，則發(fā)出跳閘命令。

圖5中，設(shè)備框架對(duì)所內(nèi)地為絕緣安裝，因此正常情況下，框架電流的泄漏方向只能從設(shè)備框架流向地網(wǎng)，反向電流極?。ㄔO(shè)備框架對(duì)所內(nèi)地的絕緣電阻較大），趨近于0。只有在設(shè)備框架對(duì)地的絕緣電阻較小時(shí)，地網(wǎng)與距離較遠(yuǎn)的所內(nèi)地形成電勢(shì)差而構(gòu)成閉合回路，才有可能被電流變送器檢測(cè)到反向電流（因迷流和/或鋼軌電位限制裝置閉合時(shí)跑車(chē)產(chǎn)生電流引起）。通過(guò)這一特性，可將框架反向電流的檢測(cè)作為判斷框架對(duì)地絕緣是否正常的重要依據(jù)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，在監(jiān)控單元中區(qū)分框架泄漏電流的方向和參數(shù)：框架正向電流I+達(dá)到且延時(shí)tI+后發(fā)出跳閘命令；框架反向電流I-達(dá)到且延時(shí)tI-后發(fā)出報(bào)警信息（即框架對(duì)地絕緣故障）。

新建線(xiàn)路中，大多已設(shè)置兩套框架電流保護(hù)元件，將整流器柜和負(fù)極柜設(shè)為一個(gè)保護(hù)單元，將直流開(kāi)關(guān)柜和其他絕緣安裝設(shè)備（如隔離柜、再生逆變?cè)O(shè)備等）設(shè)為另一個(gè)保護(hù)單元。部分線(xiàn)路更設(shè)置了3套、4套框架保護(hù)元件（將兩臺(tái)整流器柜和再生設(shè)備也分別區(qū)分出來(lái)），這樣就可以通過(guò)多套框架電流元件檢測(cè)反向電流值，更精準(zhǔn)地判斷哪個(gè)保護(hù)單元的設(shè)備絕緣出現(xiàn)了故障，有利于絕緣故障的排查。目前行業(yè)中對(duì)框架泄漏電流的設(shè)定，一般將框架泄漏電流（跳閘）設(shè)置為80A（延時(shí)5ms），對(duì)框架反向電流（報(bào)警）未提出明確要求，或未設(shè)置，或設(shè)置較大值，這樣就可能會(huì)造成無(wú)法及時(shí)判斷出設(shè)備對(duì)地的絕緣故障?？紤]到設(shè)備零漂和精度的疊加影響，筆者提出框架反向電流的設(shè)定建議值10A（延時(shí)5ms）。

綜上所述，結(jié)合運(yùn)營(yíng)的實(shí)際工況，可測(cè)出框架反向電流的真實(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)其有效設(shè)置，幫助運(yùn)營(yíng)維保人員提早預(yù)防，避免運(yùn)行時(shí)因設(shè)備絕緣損壞而造成的框架電流保護(hù)工作異常。

結(jié)語(yǔ)

隨著城市軌道交通建設(shè)步伐的加快，完善直流供電系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方案，提升運(yùn)營(yíng)維保的故障預(yù)判能力，變得越來(lái)越重要。

本文對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)框架絕緣檢測(cè)方案進(jìn)行了作詳細(xì)的論述，從定期的運(yùn)營(yíng)檢測(cè)和自動(dòng)檢測(cè)兩個(gè)方面進(jìn)行了闡述。隨著城市軌道交通的發(fā)展，技術(shù)人員的專(zhuān)業(yè)知識(shí)深入，會(huì)有更多合理可靠的方案被提出，提高運(yùn)營(yíng)維保的排查能力，增加設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]高須賢.城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)框架保護(hù)及絕緣安裝分析[J].科技資訊，2014，12（23）：49.

[2]王曉保.鋼軌電位限制裝置與框架保護(hù)關(guān)系的分析[J].城市軌道交通研究，2004，7（6）：56-58.