地铁牵引供电系统框架保护方案的优化设计

张兴凯

地铁牵引供电系统框架保护方案的优化设计

张兴凯

简要阐述典型的地铁直流牵引供电系统框架泄漏保护的工作原理及设置方案，经过分析，指出该框架泄漏保护方案存在误动、拒动、缺乏选择性的缺陷，提出了“取消电压元件跳闸，双OVPD（钢轨电位限制装置）冗余配置”的优化设计方案。

地铁供电；框架保护；OVPD；优化设计

框架泄漏保护（简称“框架保护”）是地铁直流牵引供电系统非常重要的保护配置，它的主要作用是当直流带电设备对柜体短路或闪络放电时，能够迅速动作，跳开所有来电方向的开关，从而切除故障，保证运行人员和设备的安全。本文从框架保护的工作原理、设置情况等方面进行阐述，对国内典型的框架保护设置方案存在的问题进行分析，并提出优化设计方案。

1 框架保护原理

框架保护装置由电流检测元件（简称“电流元件”）和电压检测元件（简称“电压元件”）组成，其工作原理如图1所示。

电流元件通过安装于直流设备柜体接地支路上的分流器采集泄漏电流，当柜体对地泄漏电流大于整定值时，电流元件动作并切除故障。如果钢轨对地绝缘水平较低，泄漏电流通过“正极—柜体—接地母排—接地网—钢轨—负极”构成回路电阻较小的电流通路，可直接启动电流元件。若钢轨对地绝缘良好，钢轨对地的过渡电阻过大，则泄漏电流较小，不足以启动电流元件。此时由于钢轨（负极）对地电压升高，将导致钢轨电位限制装置（OVPD）合闸，直接将钢轨与接地网导通。OVPD合闸后，泄漏电流近似于短路电流，可使电流元件迅速动作。

电压元件检测负极对地的电压，当直流正极对框架短路或闪络放电时，由于正极对地的绝缘电阻迅速降低，将导致负极对地电压大幅提高，从而启动电压元件并切除故障。

2 典型框架保护设置方案

2.1 系统配置方案

对于电流型框架保护，工程中普遍采用2套电流元件的设置方案，即正极柜、整流器柜（含负极柜）各设置1套。对于电压型框架保护，由于整流器柜和直流开关柜的负极连接在一起，中间并未设置可迅速切除故障的保护装置和开关，因此，正极柜、负极柜和整流器柜可共用1套电压元件。

图1 框架保护接线示意图

2.2 保护设置方案

电流元件的整定值一般设定为80 A、0 ms。正极柜的电流元件动作，跳开正极柜所有进线和馈线开关，联跳2台35 kV整流变馈线开关，并通过“双边联跳功能”跳开相应牵引变电所的直流馈线开关。整流器柜（含负极柜）的电流元件动作，跳开2台35 kV整流变馈线开关和2台正极柜进线开关。

一般的工程设计，在牵引变电所中设置1台OVPD。电压元件应与OVPD的动作特性配合，避免正常运行状态下的轨电位升高，导致电压元件误动作。具体的配合方法：通过调整OVPD和电压元件的时间配合关系，使电压元件动作时限大于OVPD。表1所列为某工程电压元件和OVPD的整定值。

由于电压元件无法区分故障发生的位置，因此，按照最大故障情况判定，动作后，跳闸方式与正极柜电流元件相同。

3 典型框架保护方案分析

3.1 电压元件的分析

在实际应用中，电压元件普遍投入跳闸功能。这是因为考虑到，在轨道绝缘良好的情况下，当正极对柜体短路或闪络放电时，泄漏电流可能达不到电流元件的整定值，此时若OVPD故障拒动，电流元件将无法动作，因此，有必要投入电压元件的跳闸功能，使电压元件作为电流元件的后备保护。以往运营线路发生电压型框架保护误动作，主要原因是电压元件整定值设置不合理，未与OVPD形成有效配合，若按照表1进行整定，完全可解决误动问题。

但是，即使解决了电压元件与OVPD的配合问题，仍然可能出现不能投入跳闸功能的问题，主要原因如下。

(1) 电压元件无法判断故障发生的位置，一旦动作即按照正极柜框架泄漏的保护方式跳闸，该保护元件明显缺乏选择性，使2套框架保护配置方案的效果大打折扣。

(2) 当发生框架泄漏时，如果OVPD正常合闸，则钢轨（负极）直接接地，电压元件无法启动，在电流元件失效后，故障仍然需要其他保护切除，电压元件并不能实现后备保护功能。

(3) 发生框架泄漏时，若钢轨对地的过渡电阻过小，钢轨与地之间的电位差值则很小，当低于电压元件的整定值时，电压元件无法启动。

(4) 地铁线路运营一定时间后，运营单位基于杂散电流防护的考虑，将投入排流柜的排流支路和接地支路，届时负极可视为直接接地，电压元件将失去作用。

(5）当某一个牵引变电所发生框架泄漏故障，或者接触网对架空地线发生短路时，整条线路的钢轨对地电位都会升高。此时，各个牵引变电所框架保护电压元件都会检测到负极与地之间较高的电压值，若其中1个（未发生框架泄漏的）牵引变电所的OVPD故障拒动，规定时限内该所的电压元件将动作，扩大了事故停电范围。

综上所述，电压元件缺乏选择性，在实际使用过程中存在误动和拒动的可能性，有时不但起不到保护作用，反而会造成事故范围的扩大。框架保护电压元件的跳闸功能，将会大大降低直流牵引供电系统的可靠性，不宜投入使用。

3.2 电流元件及OVPD的分析

电压元件由于存在种种无法克服的缺点，因此，有必要取消其跳闸功能。但电流元件在缺少电压元件作为后备保护后，一旦OVPD故障拒动，将无法切除故障。此时，OVPD的失效就成为重要的制约因素，单台OVPD的配置无法满足系统可靠性的要求。

4 框架保护方案的改进建议

经过以上分析，并结合以往工程的经验，提出“取消电压元件跳闸，双OVPD冗余配置”的框架保护改进方案，该方案在典型框架保护方案的基础上，做出如下改进。

(1) 取消电压元件Ⅱ段的跳闸功能，仅保留其Ⅰ段的告警功能，动作电压和时限整定值仍同表1所示。

(2) 在牵引变电所内设置2台OVPD，1台安装于负极与地之间，另1台安装于钢轨与地之间，安装方式见图2。2台OVPD的保护测控程序和整定值相同，动作电压和时限的整定值仍同表1所示。

表1 电压元件与OVPD的整定值

图2 双OVPD的接线示意图

(3) 采用“晶闸管-接触器组合型”OVPD。该类型OVPD由晶闸管回路及接触器回路2个主回路并联构成。Ⅱ段动作时，由接触器无延时地永久合闸，合闸时间小于100 ms。Ⅲ段动作时，OVPD晶闸管回路在0.2 ms内快速导通，同时启动接触器动作。OVPD的短路耐受能力可达到80 kA、20 ms或50 kA、250 ms，具备接通较高短路电流的能力。

5 改进方案分析

“双OVPD冗余配置”的优化设计方案，解决了OVPD故障拒动情况下电流元件不能有效动作的问题。但是当电流元件失效时，系统需要其他保护形成后备保护，针对后备保护的工作特性，具体分析如下。

5.1 整流器柜框架泄漏

如图3所示，若X L1所示位置发生框架泄露，进线柜将流过反向的泄漏电流，启动进线柜逆流保护。一般情况下，逆流保护设置为100 A、40 ms，具有很高的灵敏性，可迅速跳开进线开关，切除进线柜方向的来电。中压开关柜方向的来电，需要35 kV整流变馈线的过流保护切除。一般情况下，该保护为躲避整流变的过负荷和励磁涌流曲线，动作值一般设为4Ie(Ie为整流变高压侧额定电流)、400 ms，作为整流变的后备保护，对直流侧的短路缺乏灵敏性和速动性。因此，有必要在直流进线柜与35 kV整流变馈线柜之间设置联跳功能，即进线柜逆流保护出口，不但跳开1 500 V进线开关，而且联跳相应的35 kV整流变馈线开关，以保证迅速切断所有方向的来电。

5.2 正极柜框架泄漏

正极对框架泄漏的位置可以分为3个区域：一是进线柜开关的进线侧；二是馈线柜开关的馈线侧；三是正极母排的其他区域（图3）。

图3 正常运行模式下框架泄漏位置示意图

对于区域1的框架泄漏（如图3中XL2所示），保护动作的模式与整流器框架泄漏相同，相应开关跳开后，即使正极对框架金属性短路，也不影响正极母线和馈线继续带电运行。

对于区域2的框架泄漏（如图3中XL3所示），对B所进线柜而言，相当于正极与负极母线近似金属性短路，大电流脱扣保护可直接跳开进线开关。流经B所馈线开关的短路电流反向，相应继电保护装置不动作。对A所和C所的相应馈线而言，近似于远端接触网对架空地线的短路，di/dt保护动作，跳开A所和C所相应的馈线开关，并通过“双边联跳功能”跳开B所全部馈线开关。

对于区域3的框架泄漏（如图3中XL4所示），对A所和B所相应馈线柜而言，相当于在双边供电模式下，接触网在B所附近金属性短路，B所相应馈线的大电流脱扣、电流速断、△I等保护可迅速动作，跳开相应馈线开关，并联跳A所相应馈线开关，切除故障。A所的相应馈线的di/dt保护也会动作，跳开A所相应馈线开关。

经以上分析可知，由于OVPD晶闸管回路快速导通大电流，实际上把框架泄漏故障瞬时转化为正负极短路故障，因此，直流开关柜的大电流脱扣、逆流、电流速断、△I、di/dt等保护，辅以特定的联跳功能，是可以作为电流元件的后备保护的，其定值按照一般规则整定，即可满足直流牵引供电继电保护系统在电流元件失效后对速动性、灵敏性、选择性和可靠性的要求。

6 结束语

综上所述，“取消电压元件跳闸，双OVPD冗余配置”的框架保护优化设计方案，既避免了电压元件保护跳闸引起的各类问题，又通过双OVPD的冗余配置，提高了电流元件动作的可靠性。同时，双OVPD的配置，也降低了接触网对架空地线短路或运营阶段钢轨电位异常升高时，由于OVPD故障拒动而导致不能迅速解除的风险。此方案的缺点是少量增加了OVPD的设备投资和在变电所的占用面积，但基本在可以接受的范围内。

该方案已在深圳地铁4号线二期工程直流牵引供电系统中应用多年，运行情况良好。

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责任编辑 冒一平

Optimization Design of Frame Protection Scheme for Metro Traction Power Supply System

Zhang Xingkai

The paper briefly describes the working principle and the setting scheme of the frame leakage protection of metro DC traction power supply system, and analyzes the defects of the system, including the error of the leakage protection scheme, and the lack of selectivity. It puts forward the optimization design solution of cancellation of voltage tripping, Dual OVPD (Rail Potential Limit Device) and redundancy configuration.

metro power supply, frame protection, OVPD, optimization design

U231.8

2015-06-24

张兴凯：中铁电气化局集团三公司，高级工程师，河南郑州 450052