减少城市轨道交通牵引变电站电流型框架保护动作的技术措施

曹 莉

（上海地铁维护保障有限公司供电分公司，200233，上海∥工程师）

减少城市轨道交通牵引变电站电流型框架保护动作的技术措施

曹 莉

（上海地铁维护保障有限公司供电分公司，200233，上海∥工程师）

介绍牵引变电站电流型框架保护动作原理、特性，以及近4年来电流型框架保护在上海轨道交通牵引供电系统的动作情况；分别从保护动作次数、发生的线路情况、故障原因等3个方面进行统计分析。结合实际情况提出了减少牵引变电站电流型框架保护动作的技术措施。

城市轨道交通；牵引变电站；电流型框架保护；技术措施

Author'saddressThe Power Supply Branch，Shanghai Rail Transit Maintenance，Co.，Ltd.，200233，Shanghai，China

电力牵引供电系统是城市轨道交通系统的重要组成部分。牵引供电系统的各种保护设备对整个供电系统显得尤为重要，其中，框架保护又是牵引供电系统中的一个重要保护手段。框架保护可以起到中断牵引变电站直流供电输出的作用。根据框架保护动作的原理，框架保护可分为电流型框架保护和电压型框架保护。其中电流型框架保护发生后会使一个供电区段内接触网停电，影响故障区段线路的正常运营，严重情况下可引起变电站内设备受损，造成线路部分停运。因此，减少框架保护动作次数是非常有必要的，特别是要减少电流型框架保护次数。这对变电站电力设备的可靠运行和列车的安全、正点运行具有重大意义。

1 框架泄漏保护原理及作用分析

1.1 框架泄漏保护原理及保护作用范围

1）电压型框架保护：电压型框架保护检测回路接在负母线与接地极之间。当直流供电系统任何一处发生正极对地绝缘降低或短路，保护装置检测到的电压大于或等于定值时，保护装置瞬时动作，切除全部有关的断路器。电压型框架保护动作范围为跳开本站2台整流变压器开关及全部直流开关，同时联跳邻站相应的直流开关，但不发出持续闭锁信号。电压型框架保护将先于各个变电站钢轨电位限制装置一阶段设定值进行工作，以防止设备绝缘击穿，避免严重的事故。

2）电流型框架保护：直流设备的框架（外壳）采用了单点经电流继电器或分流器接地的方式。直流开关及母线的外壳通过电缆与整流器柜外壳连成一体，在负极柜设置接地。采用这种方式接地的目的有2个：①监测电极（尤其是正极）是否对外壳放电；②通过对这个单一接地放电点的电流进行预设，可以在框架泄漏电流达到最大放电电流前发出动作信号，使任何能往该故障框架供电的交直流开关跳闸，以减轻设备绝缘损坏的程度。电流型框架保护动作范围为跳本站2台整流变压器开关及全部直流开关，同时联跳邻站相应的直流开关，并且发出持续闭锁信号。邻站直流开关恢复送电需在本站故障信号复位后方可执行。目前，新建线路已取消电流型框架保护动作后对邻站的闭锁功能，如上海轨道交通6、8、9号线。

1.2 框架保护的动作原理及作用

在直流开关带电设备对直流柜柜体发生泄漏或绝缘因损坏而降低时，原有的直流保护起不到应有的作用，为保护直流设备的安全、及时切除直流设备内的各种短路故障，故设置了直流框架保护。一旦直流开关带电设备对直流柜柜体发生泄漏或绝缘损坏，则框架保护动作，使有关直流开关跳闸断电，以有效切断故障，从而保护了设备的安全。

1）电流型框架保护动作原理：如图1所示，电流检测元件接在绝缘的开关柜（在图1的直流设备内）外壳和变电所接地网之间，有一个分流器作为泄漏电流采样之用。直流系统正常运行情况下，电流检测回路没有电流通过。当任意一个直流设备内正极对外壳短路时，接地电流通过电流检测元件流入地网，再通过钢轨与地之间的绝缘泄漏电阻或排流柜回到钢轨（负极）［1］。当接地电流达到整定值时，使电流检测元件动作，启动电流型框架保护。

图1 框架泄漏保护及钢轨电位限制装置接线图

2）电压型框架保护动作原理：如图1所示，电压检测元件的一端接于直流电源负极，另一端接设备外壳。电压检测元件有2种功能，第一阶段是报警，第二阶段是跳闸。当正极对外壳短路，且直流设备内负极电位对地出现偏差时，外壳电位升高，电压检测元件会在钢轨和地之间检测到一个电压，当这个电压大于电压检测元件整定值时，则启动电压型框架保护。

1.3 电流型与电压型框架保护的比较

在城市轨道交通牵引直流供电系统中，框架保护通常同时设有电压型框架保护和电流型框架保护2种类型。因牵引变电站发生电流型框架保护动作时，本站直流开关4台全部动作，同时联跳邻站相应的直流开关，且对邻站直流开关发出持续闭锁信号，这会造成一个区段的接触网失电而直接中断该区段列车运行。电压型框架保护动作时，较新建造的线路（如上海轨道交通6、7、8号线）只跳开本站牵引整流变开关及直流开关，邻站相应的直流开关不动作；老线（如上海轨道交通1、2号线）的电压型框架保护动作时，邻站相应的直流开关动作，但不闭锁，故障信号复位后，方可对邻站的直流开关恢复送电，不会造成一个区段5 min以上的接触网失电，也不会引起列车运行的中断。所以，就2种类型的框架保护带来的后果严重性，本文将重点分析电流型框架保护情况，分析减少及避免电流型框架保护动作的技术措施。

2 电流型框架保护动作情况分析及预防措施

2.1 电流型框架保护动作次数统计分析

现对上海轨道交通2010年—2013年共4年的全网络运行线路牵引变电站的继电保护情况进行统计汇总。其中，专项统计牵引变电站发生的电流型框架保护情况如表1所示。4年内全网络电流型框架保护共计发生15次，电流型框架保护动作基本可控，牵引设备运行状态良好。

表1 上海城市轨道交通牵引变电站发生的电流型框架保护统计

根据表1数据可知，2011年、2012年的电流型框架保护动作比2010年明显降低。这与部分线路牵引变电站整流柜内部加装绝缘挡板的技术改造措施有密切联系。2013年电流型框架保护动作明显增加，较2012年同比增长68%。因此，研究减少电流型框架保护的技术措施，显得尤为重要。

2.2 各线路电流型框架保护动作情况统计

现对上海轨道交通各线路2010—2013年，牵引变电站发生电流型框架保护情况进行统计汇总，如图2所示。

图2 2010—2014年各线路电流型框架保护动作分布情况

由图2可见，2010—2013年电流型框架保护，并无规律可寻，运营10年以上的线路和刚开通运营1年的线路都有发生。从这点分析，电流型框架保护动作与设备的新旧程度没有直接联系。根据发生的次数统计，主要集中在11号线、2号线、9号线、8号线，其中发生次数各为4次、4次、2次、2次。

现重点对上述4条线路牵引变电站的牵引直流设备、设备房的温湿度、设备用房土建情况、电缆层封堵等各方面进行分析，以查找多次发生电流型框架保护的故障原因。

2.3 电流型框架保护动作发生的故障原因

根据2010—2013年上海城市轨道交通全网络发生的15次电流型框架保护动作情况，对其发生的故障原因进行了逐一分析，总结归纳后发现主要集中在以下方面。

1）因设备房孔洞封堵存在隐患，小动物（如老鼠）通过孔洞进入整流器柜内部，造成短路而引起柜内快速熔断器熔断。

2）设备房因前期土建施工未到位，存在渗漏水情况。长期湿度过高（超过75%以上），整流器柜上方存在渗漏水点。因整流器柜上方是开放式的，渗漏水积聚较多时滴入整流器柜内部，造成短路。前期设计施工考虑不周，部分牵引变电站整流器柜正上方有送排风系统的风口通过。夏季白天开启车站冷水机组，夜间列车停运期间关闭冷水机组，加之设备房的通风系统与车站为一体，导致设备房形成昼夜温差，易产生冷凝水（凝露）。若整流器柜上方有风口开设，产生的冷凝水积聚到一定程度，将滴入整流器柜内部，造成短路。

3）内部元器故障，例如：因直流开关小车本体故障、测试接触器绝缘击穿、测试回路电缆线绝缘击穿熔断等，导致NC23、NC24开关损坏，使直流开关对地连接点绝缘下降，造成正极母排对外壳放电，引起保护动作。

4）不同型号的直流开关内部机械操作机构不同，人为操作不当也会造成电流型框架保护动作的发生。

5）设备绝缘下降或其他原因也会造成电流型框架保护动作的发生。例如：由于直流开关小车触头与母排接触不够紧密，导致接触电阻较高，在运行过程中，该接触部位持续发热，最终融化金属部件；高温同时造成柜体内气体分子活跃度大幅提高，致使空气绝缘被击穿，导致电流型框架保护动作。

现将2010—2013年共计15次电流型框架保护动作的故障原因进行统计，如图3所示。

图3 2010—2014年电流型框架保护动作原因统计

由图3可以看出，在2010—2013年电流型框架保护动作的故障原因中，小动物进入整流器柜内、内部元器件故障、设备房湿度过高引起滴露滴进设备内造成短路、人为操作不当、整流设备绝缘下降等这5个原因引起的电流型框架保护动作频次较多。现就如何避免这5方面故障发生的技术措施进行探讨。

3 减少电流型框架保护动作发生的技术措施

为减少电流型框架保护动作发生的主要技术措施如下。

1）由小动物进入整流器柜内部造成短路，从而引起的电流型框架保护动作对设备的损坏是严重的。针对防止小动物进入整流器内部，可采取的技术措施有：①既有线路应加强对变电站封堵情况的排摸检查。每月进行电缆层巡视检查时，重点关注整流设备的孔洞封堵状况，发现孔洞应及时封堵。②要求设备房房门紧闭，防止小动物从车站公共部位窜入设备房内，以免造成设备故障。③关注整流设备上方通风系统管道封堵状况。④在接管新线过程中，就应重点关注牵引设备房间的封堵，应采用挡鼠板等辅助手段做好预防工作。

2）要严格控制牵引设备房的湿度，当湿度超过75%时，必须开启设备内的加热器，以免湿度过高引起电流型框架保护动作。同时，应关注整流器柜上方是否有风管或者消防报警系统设备。因车站白天、晚上制冷系统开启、关闭时，易产生冷凝水，而整流器柜上方为开放性设备，若冷凝水滴入，则易造成电流型框架保护动作。若整流器柜上方有其他设备，一般均采取相应的防护措施，如加装复合材料型隔离板等。按照上海申通地铁集团的工程建设标准，明确牵引变电站整流器柜（以及其他电力设备）上方禁止有管线穿越，如确需穿越，则需保留一定的安全间距。

3）为防止整流设备内部故障和绝缘下降，运行和检修人员应该严格按照运行规程、设备检修规程定期对整流器进行维护保养和测试，以确保设备运行的安全稳定。同时，整流器制造厂家应加强对整流器的关键元器件进行工厂测试，针对压敏电阻和阻容吸收回路的时间参数进行测试，以进一步优化整流器的系统参数。为减少整流器内过电压放电的故障，建议厂家在安装条件合适的情况下，将整流器的内部空间适当放大，从而加大带电部分与框架的空间距离，以增加设备的安全运行间距。

4）为减少人为因素造成的保护动作，必须从设备停送电的组织措施和技术措施着手，严格按照电气设备操作的安全规定进行工作。强化现场工作负责人和监护人的作用，重要施工及多步操作必须由2人执行，1人操作、1人监护，互相把控。同时，施工前必须做好相应的安全交底，操作人员明确本次施工的安全风险点如何控制。

5）在整流器柜内部侧面加装绝缘挡板，通过安装绝缘挡板来增加整流柜母排对外壳的绝缘程度，减少电流型框架保护动作的次数。目前，上海轨道交通2号线龙阳路停车场牵引站已做了相应改造，安装了绝缘挡板并在整流器柜的安装支架上加装了绝缘护套，很好地提升了绝缘效果。自改造后该站未发生过电流型框架保护动作。

4 结语

本文通过介绍电流型框架保护的工作原理以及近4年上海城市轨道交通牵引变电站的电流型框架保护动作的情况统计分析，提出了减少电流型框架保护动作的相应技术措施，以供同行们参考。

［1］ 丘玉蓉，田胜利.地铁直流1 500 V开关柜框架泄漏保护探讨［J］.电力系统自动化，2001（25）：14.

［2］ 广州地铁公司.广州地铁1号线牵引供电（框架保护）安装试验报告［R］.广州：广州地铁公司，1998.

On Technical Measures to Reduce Current Type Frame Protective Action in Urban Rail Transit

Cao Li

The principle and characteristics of the current type frame protection in traction substation，the situation of the current frame protective action in traction power supply system of Shanghai metro in the past 4 years are introduced.Three main aspects：action time，occurred lines and failure causes are statistically analyzed.Moreover，combined with the actual situation，some technical measures to reduce the current type frame protective action in traction substation are proposed.

urban rail transit；traction substation；current type frame protection；technical measures

U 224.4

2014-04-22）