地铁供电系统保护装置探讨

汤 海

(北京地铁供电公司，北京 100088)

北京地铁始建于1965-07-01，采用第三轨与走行轨共同构成直流牵引供电回路，其中第三轨连接直流牵引供电系统正极，走行轨连接直流牵引供电系统负极。因此，第三轨、走行轨以及直流牵引供电设备都采取对地(结构地)绝缘方式安装；同时走行轨还要具备承受和传递荷载以及导向的作用，因此走行轨还必须要牢固固定在路基上。

走行轨通常采用在走行轨与路基之间加装绝缘垫的方式安装。这种安装方法较容易实现，并且能够满足走行轨对结构地的绝缘要求和牢固强度。一般绝缘垫的厚度为1.5 cm，故走行轨与建筑结构地之间的绝缘距离非常小，这使得走行轨对结构地绝缘水平较易受各方面因素的影响。如地铁列车行进过程中产生的导电粉尘、闸瓦灰、地面的积水、堆积的杂物等，均能够降低走行轨与结构地的绝缘水平。一般地铁开通运行一段时间后，走行轨与结构地之间的绝缘水平将会逐渐下降，泄漏电流(又称迷流或杂散电流)随之产生。特别是在直流牵引供电系统中出现负荷过大、有直流接地故障或短路故障时，走行轨与结构地之间的过渡电阻的过电压现象和走行轨自身电阻的过电压现象将更为明显，并危及人员和设备的安全。

目前，地铁直流牵引系统中普遍采用钢轨电位限制装置与直流设备的框架保护共同完成对人员和设备的保护。为减少两种保护装置的误动，保证直流牵引供电系统稳定运行和人员与设备的安全，需对以上两种保护装置的参数进行合理整定，从而避免装置误动。

1 框架保护与钢轨电位限制装置的特性

1.1 钢轨电位限制装置的特性

钢轨电位限制装置在直流牵引供电系统中，位于走行轨和结构地之间(见图1)，其内主要短接装置是接触器支路和双方晶闸管支路共同组成的并联电路，是用来短接结构地和走行轨的。由于迷流散布于大地，在走行轨和结构地之间会出现危险的电位差(简称轨电位电压)。在地铁车站和停车场内，如果钢轨电位限制装置监测到该电压超过整定值时即动作，将结构地和走行轨短接，使得钢轨电位被钳制在安全范围内，此时直流牵引供电系统仍能维持运行；同时钢轨电位限制装置还监测流经自身的结构地和走行轨的短路电流值。当电流值低于整定值时，钢轨电位限制装置自动将短接装置在设定时间到达后分断，恢复至正常状态；当电流值达到或高于整定值时，钢轨电位限制装置自动将短接装置保持在短接状态。

图1 钢轨电位限制装置(VLD)结构示意

钢轨电位限制装置通常提供三段电压保护设置，由低到高分别是一段动作电压(U＞)，二段动作电压(U＞＞)，三段动作电压(U＞＞＞)。当钢轨电位限制装置监测到走行轨与结构地之间的电压差大于装置U＞时，接触器合闸，在设定时间内保持合闸状态，之后恢复成断开状态；当钢轨电位限制装置监测到走行轨与结构地之间的电压差大于U＞＞时，接触器永久合闸，不再恢复成断开状态；当钢轨电位限制装置监测到走行轨与结构地之间的电压差大于U＞＞＞时，因接触器的合闸时间不能够满足消除此电压的时限，由钢轨电位限制装置内部与接触器并联的含触发电路的双反晶闸管回路在1 ms内导通，使走行轨与结构地连接，同时接触器也启动合闸，将在100 ms内完成合闸。接触器合闸后，晶闸管回路立即断开，而接触器会自动闭锁在合闸状态。直至维护人员到现场查看设备，排除故障，将钢轨电位限制装置复位后，钢轨电位限制装置才返回正常运行状态。

1.2 框架保护的特性

当直流开关设备内部正极对柜体发生短路故障时，为保护直流设备的安全，及时清除直流设备内的短路故障，框架保护装置动作使对应交、直流断路器跳闸，直流牵引供电被中断，故障被迅速切除，从而保护供电设备及人员安全。框架保护主要由电流、电压两部分元件构成(见图2)。电流元件监测设备外壳与结构地之间的唯一连接电缆中流过的故障电流。电压元件测量直流设备外壳与直流负极之间的电压，通过图2可以看到直流设备外壳是通过单点与结构地短接，而直流负极又与走行轨短接，因此电压元件的两端电缆分别是连接到结构地与走行轨，所以电压元件是监测走行轨与结构地之间的电压，与钢轨电位限制装置监测相同设备的电压，仅仅是测量点不同而已。因此，可以得出框架保护的电压元件与钢轨电位限制装置是监测同一对象的两种装置。

框架保护的动作过程：当任意一个直流设备内部发生正极与外壳短路时，接地电流通过电流元件流入地网。再以两种方式回到负极，一种方式是通过走行轨至负极；另一种方式是通过走行轨与结构地之间的过渡电阻及排流柜回到负极。此时电流元件监测到大于整定值的电流时启动时间计数器，在设定时限到达时动作，将相应交、直流断路器跳闸，框架保护电流元件可以保证切除故障。而与此同时电压元件也监测到结构地与走行轨之间的电压，当电压大于整定值时，启动时间计数器，在设定时限到达时动作，并对相应交、直流断路器发出跳闸命令，切除故障。

图2 框架保护装置示意

2 框架保护电压元件与钢轨电位限制装置的差异

2.1 动作后的结果不同

框架保护电压元件一般设置两段保护，当走行轨对结构地的电压值达到框架保护电压元件定值，并超过预设时间后，框架保护电压元件会报警并跳本站所有直流牵引网的直流开关，本站直流牵引系统退出运行，中断地铁运营，会造成很大影响。钢轨电位限制装置在监测到走行轨与结构地之间的电压达到保护定值后，只会采取短接走行轨与结构地，消除这个危险电压，但并不会跳开任何直流牵引网的直流开关，影响较小。

2.2 使用差异

钢轨电位限制装置动作后将走行轨与结构地短接，是通过接触器或双反晶闸管短接，这种短接是没有方向性的。因此，钢轨电位限制装置作为一种临时措施用来消除走行轨与结构地之间出现的这种危及人身安全的电压。如果钢轨电位限制装置动作频繁，会对地铁土建结构预防杂散电流起到一定的负面作用，造成的影响是不易引起地铁维护人员重视的。因此，发生钢轨电位限制装置频繁动作时，必须及时安排工作人员检查直流牵引系统的整个回路是否存在接触不良或是回流电缆损坏等情况。框架保护电压元件如果发生动作，会将本站直流牵引网的直流开关全部断开，必将影响到地铁正常运营，造成的影响是显而易见的。

3 两种保护装置的配合

钢轨电位限制装置与框架保护在直流牵引系统中的位置如图3所示。

图3 两种保护装置在直流牵引系统中的位置

正常运行状态下，钢轨电位限制装置内的接触器保持断开，双反晶闸管元件也处于不导通状态，框架保护电压和电流元件则处于监测状态。当第三轨供电区段内有地铁列车运行时，牵引电流通过走行轨回流到直流牵引供电负极。走行轨对结构地电位的大小主要取决于牵引电流、地铁机车的位置、测量点的位置、走行轨与结构地之间的过渡电阻等因素。

图4为单列列车运行时的钢轨电位分布图。

图4 列车运行时的钢轨电位分布

如：走行轨的电阻值约为30 mΩ/km，当合理设置均流电缆后，此数值将减小为20 mΩ/km，理想情况下，3 500 A的牵引电流引起的钢轨压降仅有70 V/km。

3.1 列车负荷过大

区段内同时有多列列车运行，列车负荷过大时，第三轨中的牵引电流瞬间增大且维持在高位，框架保护的电压元件与钢轨电位限制装置同时都监测到钢轨电位上升。由于此时直流牵引供电系统仍属正常运行情况，不允许中断地铁机车直流牵引电源，因此不允许框架保护电压元件动作。但是为了周围人员的安全，必须要将钢轨电位控制在允许范围内。根据EN50122-1《铁路应用-固定设备有关电气安全和接地装置的保护规定》（Protective Provisions Relating to Electrical Safety and Earthing)标准中规定的人体耐受电压-时间特性曲线的要求，钢轨电位限制装置的U＞可以设定为90 V。此时为了防止框架保护的电压元件误动作，通常调整框架保护电压元件的整定值与钢轨电位限制装置的U＞＞＞一致或略高，并且框架保护电压元件动作时间的整定应长于钢轨电位限制装置的动作时间。这样就可以保证钢轨电位限制装置在框架保护的电压元件之前动作。在钢轨电位限制装置动作后，即将走行轨与结构地短接，走行轨与结构地之间的电压被降至0 V附近，框架保护电压元件就监测不到超过定值的电压值，不会发出跳闸信号，就不会中断直流牵引供电。这样的配置关系既保证了人身的安全，同时又避免了因牵引网断电引发地铁运营中断的重大事件发生。

如果在列车负荷过大时，走行轨与结构地之间的电压上升达到并超过钢轨电位限制装置的U＞，而此时钢轨电位限制装置的PLC死机，接触器拒动，当走行轨与结构地之间的电压继续快速上升达到双反晶闸管自行导通的电压值时，双反晶闸管支路导通，同样将走行轨与结构地之间的电压被降至0 V附近，框架保护电压元件就监测不到超过定值的电压值，不会发出跳闸信号，就不会中断直流牵引供电。这样既保证了人身的安全，同时又避免了因直流牵引网断电引发中断地铁运营的重大事件发生。因此框架保护的电压元件的作用完全可以不计。

3.2 第三轨对结构地或对走行轨发生短路故障

第三轨对结构地或对走行轨发生短路故障时，结构地与走行轨之间的电压被迅速抬升，框架保护的电压元件与钢轨电位限制装置同时都监测到钢轨电位上升。无论直流断路器的保护装置是否动作，钢轨电位限制装置因监测到过电压而动作，短接走行轨与结构地，不仅保证了轨道附近人员的安全，而且将短路效果进行了放大，形成了一个金属性的近端短路，使短路电流得到加强，促使直流断路器的保护装置加速动作。

如果第三轨对结构地或对走行轨发生短路故障时，而此时钢轨电位限制装置的PLC死机，接触器拒动，当走行轨与结构地之间的电压继续快速上升达到双反晶闸管自行导通的电压值时，双反晶闸管支路导通，短接走行轨与结构地。不仅保证了轨道附近人员的安全，而且将短路效果进行了放大，形成了一个金属性的近端短路，使短路电流得到加强，促使直流断路器的保护装置加速动作。框架保护的电压元件的作用完全可以不计。

3.3 直流设备内部发生短路故障

直流设备内部发生短路故障时，接地电流通过框架保护的电流元件流入结构地，再通过走行轨与结构地之间的过渡电阻回到走行轨(负极)。当接地电流达到整定值时启动时间计数器，在设定时限到达时动作，框架保护的电流元件动作将相应交、直流断路器跳闸，切除故障；同时钢轨电位限制装置也监测到负极与设备外壳间的电压值，钢轨电位限制装置动作，短接走行轨与结构地。不仅保证了附近人员的安全，而且将短路效果进行了放大，形成了一个金属性的近端短路，使短路电流得到加强，促使直流断路器的保护装置加速动作。框架保护的电压元件在当电压大于整定值时启动时间计数器，在设定时限到达时动作，此时故障已被框架保护的电流元件切除。因此框架保护的电压元件的作用完全可以不计。

4 结束语

综上所述，在地铁直流牵引供电系统中，钢轨电位限制装置完全可以替代框架保护的电压元件的功能。因此，设置有采用负逻辑控制、内含触发电路双反晶闸管的钢轨电位限制装置的地铁牵引变电站内完全不必重复安装框架保护的电压元件。这样，既可以降低投资，还可以简化保护定值的设置，避免由于两种保护定值配合不好或是框架保护电压元件误动作造成直流牵引系统供电中断而引发地铁停运的恶性事件，避免给地铁运营方带来巨大的社会负面影响。

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