成都地铁DC1 500 V直流牵引系统电流型框架保护设置及改造

叶 东 陈继勇

(成都地铁运营有限公司 四川 成都 610081)

成都地铁DC1 500 V直流牵引系统电流型框架保护设置及改造

叶 东 陈继勇

(成都地铁运营有限公司 四川 成都 610081)

介绍了城市轨道交通牵引供电系统中框架保护的原理，阐述了成都地铁一号线框架保护的设置情况，通过分析故障案例，针对框架保护的设置与回流网不畅问题，提出了改进措施。

城市轨道交通；牵引供电；框架保护；故障；改造

城市轨道交通直流牵引供电系统为不接地系统，采用走行轨回流，钢轨采用绝缘安装。为了保护乘客安全，各车站设置了钢轨电位限制装置[1]。为防止杂散电流对直流设备的腐蚀，牵引变电所直流设备均采用绝缘安装，针对此种情况，直流设备设置了框架泄漏保护[2]，用于当正极对机柜外壳发生绝缘损害时及时切除故障。本文通过分析成都地铁一号线一起框架保护动作事件，对框架泄漏保护的设置等问题提出处理措施。

1 框架泄漏保护设置情况

框架泄漏保护装置由电流元件和电压元件组成，如图1所示。

图1 框架泄漏保护及钢轨电位限制装置的接线示意图

1.1 电流元件

绝缘安装的直流设备外壳通过一个机械保持的电流继电器与变电所接地网单点相连，即作为电流检测回路的继电器一端接设备外壳，另一端接变电所强电接地母排。正常情况下，无电流通过检测回路。当任意直流设备内正极对外壳放电时，接地电流通过电流元件流入地网，再通过钢轨与地之间的泄漏电阻(或合闸的钢轨电位限制装置或投运的排流柜)回到钢轨(负极)。当接地电流到达整定值80 A时，框架泄漏保护电流元件动作，本变电所35 kV整流机组馈线断路器及直流进出线断路器跳闸，并联跳邻所向相同供电区段供电的直流断路器。

1.2 电压元件

通过电压继电器测量设备外壳与直流设备负极之间的电压，电压元件检测到的电压等价于钢轨和地之间的电压。当电压值大于电压元件整定值(150 V，1 500 ms)，本变电所35 kV整流机组馈线断路器及直流进出线断路器跳闸。

1.3 电压元件与电流元件的配合

发生泄漏时，由于泄漏电流流经通路电阻的不确定性(随绝缘材料的性能变化而变化)，若钢轨对地泄漏电阻较大，泄漏电流达不到电流元件整定值，保护不动作；若框架绝缘性能降低，流经电流元件的电流同样达不到整定值，保护不动作。而此时，电压元件可检测到故障时的钢轨(负极)对地电压，达到整定值后，保护动作。由于电压元件检测到的电压并非均为故障时的电压，其保护选择性较差，因此作为后备保护，弥补电流元件的缺陷。电压元件同样可检测其他一些特殊故障引起的地电位的升高，如接触网对架空地线的短路，起到后备保护的作用。鉴于电压元件的选择性较差且起后备作用，其跳闸范围不同于电流元件，仅本变电所35 kV整流机组馈线断路器及直流进出线断路器跳闸。

1.4 排流柜和钢轨电位限制装置对框架保护的影响

电压元件检测到的轨-地电压会受到本所排流柜及钢轨电位限制装置运行状态的影响，当排流柜投入或钢轨电位限制装置合闸后，会改变本所及邻近区段轨-地电位的分布(见图2)，本所电压元件检测到的轨-地电压绝对值理论上小于等于排流柜二极管上的电压。在此情况下，框架泄漏电流有良好的通路，且电压元件检测到的电压值远小于整定值，理论上触发不了电压型保护。

在列车启动及运行时，钢轨对地电位可能会升高，此时钢轨电位限制装置和框架泄漏保护的电压元件均启动，若直流系统是正常运行情况，框架保护不应动作，故应使框架泄漏保护电压元件的动作时间整定得比钢轨电位限制装置的动作时间长。若直流系统有故障存在，钢轨电位限制装置合闸后，为故障电流提供了良好的通路，电流元件或其他保护能有效地检测到故障电流，跳闸动作。

图2 列车取流时钢轨对地的电位分布示意图

2 故障案例分析

2.1 故障情况

2013年7月19日，成都地铁一号线人民北路站电流型框架保护动作，本变电所35 kV整流机组馈线断路器及直流进出线断路器跳闸，联跳邻所升仙湖和天府广场站向相同供电区段供电的直流断路器，升仙湖至天府广场上、下行接触网停电。

2.2 检查处理

查阅PSCADA记录，报文显示直流开关电流型框架保护动作，直流开关及整流机组馈线开关全部跳闸。跳闸前3 h，钢轨电位Ⅱ段保护动作，合闸并闭锁。检查框架保护二次回路，各元器件功能正常，输入输出信号正常。在检查电流元件时，振动负极柜致使电流元件电流继电器常闭触点闪断，框架保护泄漏误动作。随即更换电流元件，并进行了测试。由于电流继电器常闭触点闪断导致的框架保护误动作情况，与真实泄漏动作情况有差别，又因框架保护未设置故障录波功能，仍无法直接排除有泄漏电流通过的可能，需进一步检查一次设备。

通过对框架保护范围内一次设备的检查、测试并未发现导体对框架有泄漏痕迹，确认框架内一次设备工作正常。而在检查一次设备的过程中，框架泄漏保护再次动作，且重复动作2次。利用钳形表测量框架接地电缆，确认有非持续越限电流通过电压元件。

在整流机组、直流开关柜均已退出运行，钢轨电位限制装置合位的情况下，框架接地电缆中有电流，推断有2种可能：一是越区运行的隔离开关柜正极对柜体有泄漏；二是框架绝缘有失效点，钢轨电流经钢轨电位限制装置注入接地网，经接地网流入框架网络，再由绝缘失效点回到接地网，形成接地网的分流支路。

针对以上情况，用钳形表对各开关柜框架连接电缆及框架接地电缆同时进行检测，发现隔离开关、整流器框架连接电缆无电流，而直流开关框架电缆有电流且与接地电缆电流瞬时值基本相等，方向相同。将直流开关框架电缆拆除，拆除后框架接地电缆无电流，证明了泄漏点为直流开关柜。

对直流开关柜绝缘薄弱点进行排查，依次对地脚螺栓连接处绝缘情况和绝缘板拼接处绝缘情况进行检查。经过更换地脚螺栓绝缘垫，清理开孔处的粉尘、铁屑，清理和干燥绝缘板拼接处的污秽物，绝缘值恢复到设计值。同时，在框架绝缘节点两端接地网处设置了短接线。

2.3 原因分析

故障发生前期文殊院至升仙湖钢轨电位突发异常升高故障，致使钢轨电位限制装置频繁动作，且二段动作闭锁合闸的情况增多。由于钢轨电位限制装置处于合闸状态且注入接地网的电流峰值达1 020 A，而框架电缆接地点与钢轨电流注入点为同一强电接地母排，此处电位高于无限远处零电位，致使绝缘失效的框架网络起到分流支路的作用。正常情况下框架网络与接地网等电位，由于框架泄漏电阻两端，接地网中并联电阻较大(R1

图3 接地网框架支路电流走向示意图

2.4 存在问题

(1)框架绝缘失效，构成接地网支路。①在现场施工阶段，各施工方交叉作业的情况较突出。尤其是在牵引降压混合变电所(以下简称牵混所)直流牵引设备安装完毕后，设备房的地面处理、装饰装修、风管铺设等进场施工时，若在成品保护环节上卡控不严，将对框架绝缘有一定影响；②框架绝缘的安装，对绝缘板放置、开孔以及设备对位要求较高，因在地下及设备房内施工，借助机械、吊装器具的条件不佳，施工方采用人工拼装、对位的安装方式极易出现绝缘板开孔有误差，滚筒、钢钎等施工机具对绝缘板有损伤的情况；③直流牵引设备放置在绝缘板上用螺栓固定，部分固定螺栓未使用绝缘螺栓，因绝缘板开孔误差过大，造成固定螺栓金属部位碰壳，从而使整体框架绝缘不良；④直流牵引设备基本安装在地下区段，若各点封堵不佳，隧道内的金属粉尘将对设备绝缘造成影响。

(2)牵引回流网主回流通道不畅，钢轨电位升高，钢轨电位限制装置合闸后，接地网电流过大。

(3)框架保护电流元件，无方向判断功能，选择性差。框架保护装置无故障电流测量、存储、查询功能，无法提早发现故障，且影响故障处理效率。

2.5 整改方向

(1)在牵混所直流牵引设备安装完毕后，其他专业进场施工时，必须加强对成品保护环节的卡控，严格控制施工工艺，最大程度地减少对框架绝缘的影响。

(2)加强框架绝缘施工工艺，确保施工质量，施工单位在安装框架绝缘时，可借助吊装器具进行(简易、可拆卸、可拼接的门型架并配合手动葫芦进行施工)，消除人工简单拼装、对位安装不精确的施工弊端。

(3)现采用的绝缘板厚度为5 mm，为增强绝缘能力，其中2面整流器柜、1面负极柜、2面上网隔离开关柜可直接采用10～15 mm厚度的绝缘板。直流小车柜采用10～15 mm厚度的绝缘板安装后，小车出仓时可定制出仓轨道来解决柜体与地面的高度差问题。上述设备的固定螺栓均使用绝缘螺栓，提升整体绝缘水平。保证各点封堵满足要求，其中直流牵引设备固定螺栓处可采用绝缘玻璃胶进行封堵，减少金属粉尘对设备框架绝缘的影响。

(4)定期检查维护框架绝缘情况，确保绝缘值满足设计要求。定期检查接地网连接情况，确保各连接处稳固，接触良好。

(5)更换目前的框架保护设备，采用框架回流串小电阻分流器经变送器转换传送毫伏电压给可编程控制器(PLC)，经其计算判断后，发出动作指令。对不同的设备如整流器、直流开关柜、隔离开关柜分别设置采样回流，接入同一控制器，增强选择性， 缩小故障影响范围。设置人机界面，能查询各采样回路泄漏情况，可提前发现故障并准确判断故障位置，提高维保质量。同样，将电压元件电压继电器更换为电压变送器，与电流采样回路共用1台可编程控制器。由此，可以改变电压型保护仅有两段设置的情况，增加电压型保护定值分段数，提高与钢轨电位限制装置和一些特殊故障引起的其他保护的配合度，提高保护选择性和可靠性。

3 框架保护改造措施

在既有线设备中，电流型框架保护动作后，影响范围大，无法迅速定位故障范围，成都地铁运营有限公司现已针对该问题提出了增加1套电流型元件对整流器柜及负极柜进行泄漏电流监测，原有的电流型元件对直流开关柜和上网隔离开关柜进行监测的方案。整流柜及负极柜电流型框架保护动作后联跳所有直流进线断路器并闭锁合闸、联跳整流机组35 kV交流断路器并闭锁合闸，而针对直流开关柜和上网隔离开关柜的一套电流型框架保护元件动作后联跳所有直流进出、馈线断路器并闭锁，联跳整流机组35 kV交流断路器并闭锁，并在此设置了一套延时，当联跳本变电所后，若故障电流消失，则不联跳邻站；若联跳本变电所后在延时时间内故障电流未消失，则联跳邻站。

通过该改造方案，减小了故障影响范围，发生电流型保护动作时，特别是直流开关柜及上网隔离开关柜，若动作后故障电流消失则不用联跳邻站，有利于提高故障定位的准确性。当整流器柜发生电流型框架泄漏时，保护动作将整流机组退出运行，且不联跳邻所向相同供电分区供电的直流断路器，提高了故障定位的准确性，且不中断行车。

[1] 苏光辉.钢轨电位过高的原因分析及解决措施[J].城市轨道交通，2007(1)：38-40.

[2] 王明飞,江 安.框架泄漏保护设置分析[J].都市快轨交通,2008,21(6):83-85.□

(编辑：缪 媚)

2095-5251(2016)05-0025-03

2016-04-22

叶 东(1982-)，男，本科学历，工程师，从事轨道交通高压供电技术管理工作。

U270.38+1

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