框架保护与钢轨电位限制装置保护的研究

刘建华 李 艳 刘 旭

(中国矿业大学信息与电气工程学院，221116，徐州//第一作者，副教授)

框架保护是地铁牵引供电系统中最直接、影响范围最大的一种保护，但在实际运行过程中，框架保护在钢轨电位过高时会发生误动作，从而导致大范围的断电事故，影响列车正常运行。框架保护误动作的主要原因是钢轨电位限制装置(OVPD)与框架保护的整定配合不合理。因此，进一步研究框架保护的工作原理及动作原因，调整好直流框架保护与钢轨电位限制装置的动作配合关系，对地铁安全可靠运行具有重要作用。本文通过比较目前框架保护的几种配置方案，从缩小框架保护的故障范围，提出一种性价比最优的控制方案。

1 设置框架保护及钢轨电位限制装置保护的必要性

1.1 设置直流框架保护的必要性

在直流牵引变电所内，当直流开关带电设备对直流柜柜体发生泄漏，或绝缘损坏闪络时，原有的直流保护将起不到应有的作用。此外，牵引变电所内的直流供电设备采用绝缘安装，如果直流设备内的正极对设备外壳发生泄漏没有得到及时处理，则会引起正极负极间的短路故障。因此，设置框架保护是必不可少的。框架保护可解决直流供电设备正极与柜体间发生的短路故障，当正极对柜体外壳发生绝缘损坏时，框架保护能及时切除故障，保证系统的安全运行。

1.2 设置钢轨电位限制装置的必要性

在地铁直流牵引供电系统中，不论是接触轨式系统还是架空接触网式系统，均采用钢轨作为回流轨，而钢轨又存在漏泄电阻，因此，列车在供电区间内正常运行时，不可避免地造成钢轨对地电位的升高。钢轨电位过高将对乘客的人身安全造成威胁，为此必须设置钢轨电位限制装置。影响钢轨电位的因素主要有线路上列车的数量、负荷电流、牵引所的间距、钢轨-地间的过渡电阻等。

2 保护原理

2.1 框架保护的工作原理

直流框架保护装置包括电流检测元件和电压检测元件，如图1所示。其中，电流检测元件接于设备外壳与地之间，用于检测外壳与地之间的故障电流;电压检测元件用于检测设备外壳与直流设备负极之间的电压。由于小电阻可忽略不计，可认为设备外壳直接接地;又由于钢轨与直流设备负母排相连，所以钢轨电位限制装置检测的电压与框架保护检测的电压是同一个电压。

图1 框架保护装置原理图

当直流牵引供电系统正常工作、设备绝缘良好时，没有电流通过框架保护的电流检测回路，则该保护装置不工作。当直流设备的绝缘性能降低时，如果设备发生短路或对柜体外壳放电，接地电流通过电流检测元件流入地网，然后通过钢轨与地之间的绝缘漏泄电阻(或排流柜)回到钢轨负极。当接地电流大于整定值时，电流框架保护动作，将35 kV 断路器及该牵引变电所的所有直流断路器断开，并把向相同供电区间供电的牵引变电所的直流断路器也断开。

电压检测元件的动作分为报警和跳闸2 部分。当柜体外壳与直流设备正极发生短路故障时，电压检测元件将在负极和外壳之间检测到电压，如果该电压值大于电压检测元件的整定值，则电压检测元件根据整定时间进行动作，将35 kV 断路器及该牵引变电所的所有直流断路器断开，并把向相同供电区间供电的牵引变电所的直流断路器断开。

故障排除后，需人工复位框架保护，断路器才可以重新合闸。

2.2 钢轨电位限制装置工作原理

钢轨电位限制装置主要由直流接触器、晶闸管、控制器等元件组成，其原理示意图如图2所示。钢轨电位限制装置一端连接变电所接地网，一端接到钢轨上，测量钢轨与地之间的电压。

当某供电区间无车时，在直流牵引系统正常工作的情况下，钢轨与地之间的电位为零。当供电区间内有车或发生短路故障时，由于钢轨和地之间存在漏泄电阻，钢轨电位迅速升高;当钢轨电位超过设定的阈值时，钢轨电位限制装置启动，短接钢轨与接地网，使钢轨电位下降，保护车站旅客的人身安全。

图2 钢轨电位保护装置原理图

3 保护的实现

3.1 钢轨电位保护实现

钢轨电位限制装置采用三段式保护。设钢轨与地之间的电压为U，一段动作电压为a，二段动作电压为 b，三段动作电压为 c，保护动作具体如下:

(1)当U≥a 时，钢轨电位限制装置延时一段时间后将钢轨与大地有效短接，以降低钢轨电位。在设定时间内其保持合闸状态，之后恢复成断开状态。为防止快速瞬变的电压值引起接触器频繁动作，设定若接触器连续动作3 次后钢轨电位仍高于整定值，则合闸后不再断开。

(2)当U≥b 时，接触器在 100 ms 之内(无延时)永久合闸，不再恢复成断开状态。

(3)当 U≥c 时，晶闸管在 0.1 ms 之内导通，锁住钢轨对地电位，并向直流接触器发出合闸信号;接触器合闸后，晶闸管回路立即断开。维护人员排除故障，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。

钢轨电位保护的具体实现流程如图3所示。

3.2 框架保护实现

当排流柜正常工作时，电压检测元件可停止运行，否则，电压检测元件必须正常运行。以标志字Fb、Fy分别表示排流柜和电压检测元件的投切情况:Fb=0 表示排流柜退出运行，Fb=1 表示排流柜投入运行;Fy=0 表示电压检测元件退出运行，Fy=1 表示电压检测元件投入运行。若排流柜未投入运行，先由电流检测元件判断是否跳闸，若电流检测元件未动作，则由电压检测元件决定是否跳闸。若排流柜投入运行，则只要电流检测元件判断是否跳闸。框架保护的具体实现流程如图4所示。

图3 OVPD 保护流程图

图4 框架保护流程图

4 框架保护与OVPD动作配合整定及存在问题分析

4.1 动作整定

综上所述，框架保护的电压元件与OVPD 都是检测钢轨与地之间的电压，两者的差异在于:电压型框架保护是保护直流设备安全，动作于跳闸，只有故障排除且框架保护动作信号恢复后，才能使供电恢复正常;而钢轨电位限制装置是降低钢轨与地之间的电压，保护人身安全，不动作于跳闸，不影响直流牵引供电系统，列车可以正常运行。

因此，电压型框架保护和钢轨电位限制装置的动作必须有选择性。当列车起动及运行导致钢轨电位升高时，钢轨电位限制装置应先于电压型框架保护动作，使钢轨与地连通，保证线路上人身安全;当发生框架泄漏故障时，电压型框架保护要比钢轨电位限制装置先动作。

4.2 框架保护存在问题分析

(1)当某一个牵引变电所出现框架泄漏故障时，整个线路的轨地电压都会升高，此时每个牵引变电所框架保护的电压元件都会在负极与地之间检测到很高的电压值，并使框架保护动作。如此，会造成其它未发生故障的框架保护装置误动作，扩大事故的影响范围。

(2)新建地铁线路运行一段时间后，轨地之间的绝缘性能下降，过渡电阻也减小，当发生框架泄漏故障时，框架保护电流元件能可靠动作，但此时钢轨与地之间的电位差减小，如果增大整定值，框架保护的电压元件将不发生动作。

(3)当直流设备发生框架泄漏故障时，流过本所的直流断路器的电流很小，在短时间内直流快速开关不能将故障切除，即使直流断路器能迅速跳闸，框架泄漏故障也不能被切除;只有交流侧断路器断开以后，才能将框架泄漏故障切除。在切除故障之前，框架保护电压元件检测的电压与OVPD 测量的电压相同，若OVPD 不能在一定时间内投入工作，则可能造成人身伤亡事件。

通过以上分析可知，在实际应用中框架保护电压元件会出现拒动和误动，有时不仅起不到保护的作用，反而会扩大事故的影响范围。因此，框架保护中电压元件的使用值得考虑。

5 框架泄漏保护装置设置方案比较

5.1 全所配置1套框架保护装置

通过电缆或螺栓将地铁牵引变电所内的所有整流器、直流开关柜、负极柜绝缘安装等设备的框架连接在一起，设置1 套框架保护装置。采用该方案，一旦发生框架泄漏故障，将使本所整流机组交流侧和直流侧的进线、馈线断路器全部跳闸，并使相邻变电所的直流馈线断路器跳闸，从而造成大范围的停电，扩大事故影响范围。而且大双边供电控制操作相对复杂，需要一定的倒闸操作时间。因此，该方案会对运营造成较大的影响。

5.2 全所配置2套框架保护装置

为了缩小整流器框架故障时的跳闸范围，减小对列车运营的影响，为直流开关柜和整流器各设置1 套框架保护装置。即直流开关柜使用1 套框架保护装置，负极柜与整流器共同使用1 套框架保护装置。该方案虽然增加了投资，但提高了效果，当整流器发生框架故障时，只使本所整流机组的交、直流侧断路器跳闸，退出工作，对相邻的牵引变电所没有影响;且通过故障所的直流母线可快速进行大双边供电，不影响列车正常运行。本方案特别适用于直流进线为断路器的接线方式。

5.3 全所配置3套框架保护装置

深圳地铁1号线在续建工程中，变电所内配置了3 套框架保护装置:每台整流器各设1 套(变电所内有2 台整流器)，直流开关柜与负极柜共用1 套。当单台整流器发生框架故障时，不影响其它的整流机组。在实际使用过程中，根据需要可采用单台整流机组工作，或使两套整流机组都退出工作，并通过故障所的直流母线快速进行大双边供电。

5.4 对比分析

三种框架泄漏保护配置方案的对比如表 1所示。

表1 三种框架泄露保护配置方案的对比

由表1 可知，牵引变电所设1 套框架保护装置方案，故障影响范围最大，查找故障及恢复供电所需时间最长;设2 套和3 套框架保护装置方案，在减少停电时间及缩小接触网停电范围方面基本相当，区别在于对故障的查找，设3 套的故障定位更精确。经过比较，设置2 套框架保护装置方案不仅投资相对较少，而且提高了供电系统的可靠性。因此，采用2 套框架保护装置的性价比最优。

6 结语

阐述了设置框架保护装置和钢轨电位限制装置的必要性及其工作原理，并对它们的整定配合逻辑进行了设计。对三种框架保护配置方案进行了对比分析，推荐采用配置2 套框架保护装置的方案。此外，为了在发生故障后能快速恢复供电，建议框架保护跳开相邻变电所的直流馈线断路器时不进行闭锁合闸，这样可减少工作人员，实现无人值班的工作模式。

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