地铁直流牵引供电系统框架保护与轨电位之间的匹配关系

李妍

摘要：地铁直流牵引系统框架保护是供电系统的重要保护，本文对地铁供电系统的框架保护及轨电位装置进行了介绍，分析地铁直流牵引供电系统框架保护及轨电位限制装置的工作原理，根据广州地铁三号线的整定值设置，分析框架保护与轨电位限制整定值之间的匹配关系，随着地铁运营日期的延长，轨电位会发生变化，因此，通过调整和日常的维护校验，能有效的防范了保护框架的误动作，进一步，阐述框架保护与轨电位限制装置之间配合的重要性。

关键词： 地铁供电 框架保护 轨电位 匹配关系

中图分类号：U224.8文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（b）-0000-00

1、概述

地铁直流牵引供电系统设备采用绝缘安装，钢轨通过绝缘垫与大地绝缘，以减少杂散电流。每个车站上下行分别设置一台刚轨电位限制装置，每个牵引所设置有框架保护系统。

地铁直流牵引系统框架保护是供电系统的重要保护，框架保护动作后将导致总共12个断路器的跳闸：本所所有的直流开关6个，本所33KV整流机组高压开关2个，连跳相邻所对故障所方向的直流开关4个。框架保护动作后断路器不会自动重合闸，会造成接触网大面积停电，影响客运。因此框架保护的正确动作对整个牵引供电系统来说尤为重要。钢轨点位限制装置用来监视钢轨电压并限制钢轨电压，保护人身安全。

2、直流牵引系统框架保护原理

地铁直流牵引系统框架保护分为电流型保护和电压型保护，为了防止直流牵引供电设备内部绝缘降低时造成人身危险及设备损坏，每个牵引降压变电所内设置了一套直流系统框架泄漏保护装置，该保护包含反映直流泄漏电流的过电流保护还有反映接触电压的过电压保护。

变电所内直流牵引系统设备（包括直流开关柜、负极回流柜、整流器柜）的外壳不直接接地，对地有一定的电阻；所有设备的外壳通过电缆接在一起（简称为框架）经过一个分流器再接到大地。当框架对地有泄漏时，电流经过分流器流向大地，这个电流产生一个电压，通过电流变换器转换成电压信号输入到保护装置内进行判断，如达到保护装置的整定值则保护输出动作使断路器跳闸，从而保证人身与设备的安全。

同样，框架与负极（钢轨）间的电压信号，经过电压变换器转换成一个低电压信号输入保护装置，输入的电压信号经过保护装置内的程序判断，并与事先贮存的反时限延时曲线比较；当保护单元检测到输入的电压比较高，对应的框架与负极（钢轨）之间电压的已经达到或超过整定值时，输出信号使断路器跳闸。

3、轨电位限制装置原理

在利用钢轨回流的直流牵引供电系统中（钢轨对地为绝缘安装），为了防止钢轨电压过高而对人身造成的伤害，在钢轨与保护地之间安装了钢轨电位限制装置。其功能是不断地检测钢轨与保护地之间的电位差。当出现危险电压时，则自动将钢轨与保护地进行短接。

钢轨电位限制装置一般由接触器、晶闸管回路、测量和操作回路、信号接口端子、保护装置、防凝露加热器、状态显示设备等组成。控制原理采用了闭环控制，即使在辅助电源失去的情况下，也可以保持将钢轨和大地短接，保证人身安全。一旦电源恢复，短路装置将恢复断开。

4、框架保护与轨电位限制整定值之间的匹配

广州地铁三号线牵引供电系统框架保护整定值：电流型保护为35A，当检测到框架电流大于35A时，通过安装在负极柜内的保护装置S7300启动跳闸指令，断开相应的断路器；电压型保护报警值90V，跳闸值有100V/1.2s、150V/0.6s、200V/0.4s三个阶段，按反时限整定。按目前的运行经验，三号线发生的几起框架保护动作均是电流型保护动作。

轨电位限制装置保护定值为90V、150V、600V三个阶段。第一阶段：当轨电位高于90V时经过0.8s延时，轨电位直流接触器闭合将钢轨与大地有效短接，10s后恢复；当轨电位装置连续动作3次，且每次动作时间间隔均小于60s，直流接触器将闭锁（恒定合闸）不再恢复；第二阶段：当轨电位大于150V，直流接触器将无延时永久合闸闭锁；第三阶段：当轨电位大于600V，轨电位装置晶闸管在100ms内导通，直接将钢轨与大地短接，然后启动接触器合闸，晶闸管随即恢复高阻状态。

框架保护电压元件监测的是设备外壳对钢轨之间的电压，设备外壳通过电缆连接在一起接地，轨电位限制装置监测的是钢轨对地电压，二者测量的是同一电压值。由保护设置原则及动作影响范围来看，框架保护的电压型保护应作为轨电位限制装置的后备保护，两者之间的整定值应符合阶梯关系，框架保护动作时间应长于轨电位动作时间。广州地铁三号线目前的匹配情况是框架保护电压元件动作时间（1.2s）比轨电位动作时间长（0.8s），动作电压也较高。

针对一号线曾经发生过的一起框架保护动作情况分析来看，设备未发生短路故障，是由电压元件动作引起的框架保护动作跳闸，有可能是由于轨道瞬时出现毛刺形的电压波形，电压元件受到干扰而误动作。一般情况下，当轨电位升高达到整定值时，轨电位应先动作将钢轨与大地有效短接，当轨电位失效拒动才会启动框架保护的电压型保护动作，但由于当时一号线轨电位限制装置与框架保护装置的整定值匹配存在问题，才会导致框架保护误动作。

2014年三号线发生一起由于直流母排对外壳放电引起的电流型框架保护动作，造成两个供电区短时停电、电客车晚点，由于故障发生时间正是早高峰，对客运造成了很大的影响。此次故障也造成整流器柜内的多个二次元件烧毁，开关通讯中断，增加了抢修的困难及时间。框架保护的正确动作对地铁运营安全尤为重要。

5总结

对地铁运营来说，框架保护一旦动作将会造成很大的影响，大面积停电、恢复供电时间较长，抢修过程中需要越区供电，存在较大风险。钢轨电位的升高也受到很多因素的影响，地铁运营初期钢轨绝缘情况较好，到后期钢轨绝缘下降，轨电位也逐渐升高，一旦轨电位值达到整定值，刚轨电位限制装置要先动作，有效短接钢轨与大地，避免框架保护电压元件的误动作。因此，在已运营多年的地铁线路直流供电系统中，要调整好框架保护装置与轨电位限制装置之间的整定值匹配关系，并做好刚轨电位装置及框架保护装置的维护校验，有效避免由于电压元件的误动作而引起的不必要的大面积停电及影响客运的事件。一旦发生框架保护动作，技术人员应按照应急处理程序进行处理尽快恢复供电，保证地铁正常运营。

参考文献：

[1]王晓保.钢轨电位限制装置与框架保护关系的分析[J].城市轨道交通研究，2004.6

[2]邓润新.地铁框架保护与轨电位的匹配[J].科技风，2011.11