地铁直流供电系统框架保护的应用及故障处置

李 毅



地铁直流供电系统框架保护的应用及故障处置

李 毅

介绍了天津地铁框架保护的实际应用情况，提出了框架保护故障处理及应急处置方法，为地铁日常维修和新线建设提供参考。

地铁直流供电系统；框架保护；故障处置

0 引言

地铁直流供电系统设计为不接地系统，为减少杂散电流对地下金属管线的腐蚀，直流供电设备（整流器、直流开关柜、负极柜等）全部采用绝缘安装。为保证直流供电系统安全运行，快速有效切除供电系统的各种故障，设置了多种保护功能，主要包括大电流脱扣保护、过电流保护、过负荷保护、d/d电流增量保护、逆流保护、直流框架保护等。

直流框架保护一般设置电流检测元件和电压检测元件。直流设备框架通过电流元件单点接地，发生直流一次设备对框架短路故障时，短路电流通过单点接地的电流元件流入接地网，通过钢轨和负极形成环路，当电流值达到整定值时电流元件动作。若钢轨对地电阻较大，环路电流极小，电流元件检测值可能达不到整定值，导致电流元件无法可靠动作。此时电压元件检测设备框架对负极的电压，当电压值达到整定值时，电压元件动作。当电流元件或电压元件检测达到整定值致使框架保护动作时，将导致本所直流系统全部跳闸，还可能联跳邻所直流断路器，停电范围增大，对地铁运营造成较大影响。

1 框架保护应用实例

1.1 天津地铁1、2、3号线

天津地铁1、2、3号线直流供电系统均采用全所设置1套直流框架保护装置的方案，将变电所内所有直流开关柜、整流器、负极柜全部进行对地绝缘安装，将直流供电设备框架进行电气连接，并设置1套直流框架保护装置（如图1虚线范围）。

图1 1套直流框架保护设置范围

直流框架保护电流元件一端连接于绝缘安装的设备外壳，另一端与变电所接地网单点连接。电压元件一端连接于绝缘安装的设备外壳，另一端与直流供电系统负极相连，用于测量设备外壳与直流供电系统负极之间的电压。发生直流框架保护动作时，本所211、212交流中压断路器跳闸并闭锁，故障所301、302进线断路器，311、312、313、314馈线断路器全部跳闸并闭锁，联跳邻所相应的直流馈线断路器并闭锁，闭锁本所及邻所自动重合闸功能，并造成末端站1个供电区间停电，其他站2个供电区间停电。

1.2 天津地铁6号线

天津地铁6号线直流供电系统采用全所设置2套直流框架保护装置的方案，即整流器与负极柜共用1套，直流开关柜用1套（如图2虚线范围）。

图2 2套直流框架保护设置范围

当整流器、负极柜发生框架保护动作时，只联跳并闭锁整流机组211、212交流中压断路器和301、302直流进线断路器，将本所整流机组退出运行，不联跳邻所及故障所的馈线断路器，不需要人工干预即可降级为通过故障所的直流母排实现的大双边供电，可减小对地铁运营的影响。当直流开关柜发生框架保护动作时，导致本所211、212交流中压断路器跳闸并闭锁，故障所301、302进线断路器，311、312、313、314馈线断路器全部跳闸并闭锁，联跳邻所相应的直流馈线断路器并闭锁，闭锁本所及邻所自动重合闸功能，并造成末端站1个供电区间停电，其他站2个供电区间停电。

全所设置2套直流框架保护装置，可更精确地定位故障范围，在整流器与负极柜发生框架保护动作时，可缩小故障范围。

2 框架保护动作的应急处置

框架保护动作造成地铁列车失去牵引电源，直接影响地铁运营，需要遵循“先通后复”的处置原则，快速隔离并恢复区间供电。当框架保护动作时，本所中压断路器、直流系统进线、馈线断路器全部跳闸，联跳邻所相应的直流馈线断路器，并闭锁直流断路器且无法远程遥控复位，只能先切断联跳信号，然后复位恢复邻所直流断路器。

天津地铁1、6号线可通过遥控方式将故障所上网隔离开关3111、3121、3131、3141分闸后切除故障所联跳信号的发出，然后通过遥控方式复位恢复邻所直流断路器送电，进行单边供电；或遥控闭合故障所联络隔离开关，恢复邻所直流断路器送电，进行大双边供电。

天津地铁2、3号线无法通过遥控分断上网隔离开关的方式快速切断联跳信号，只能于现场将故障所端子柜内联跳开关（1F16、2F16、3F16、4F16空开）手动断开后切除联跳信号发出，或将邻所端子柜内联跳开关（1F16、2F16、3F16、4F16空开）手动断开后切除联跳输入信号，然后才能通过遥控方式复位恢复邻所直流断路器送电，进行单边供电，或遥控闭合故障所联络隔离开关，恢复邻所直流断路器送电，进行大双边供电。因此针对2、3号线框架保护应急恢复的流程，必须在段、场牵引变电所设置值班人员，正线每隔一个牵引变电所设置值班人员，才能保证框架保护动作应急恢复的快速处置。

3 框架保护动作故障处理及预防措施

3.1 框架保护动作的原因分析

框架保护动作的主要原因：（1）直流系统正极、负极与框架发生短路故障；（2）框架多点接地，直流系统发生短路故障或杂散电流引起电流元件动作；（3）电压元件与轨电位限制装置配合存在问题；（4）电流元件、电压元件故障。

3.2 框架保护动作故障处理

直流系统正极、负极与框架发生短路故障时，首先在直流系统正极、负极分别对框架进行绝缘测试，然后在一次设备室查找故障点，故障点一般比较明显，容易查找。

框架多点接地且整体绝缘出现问题时，由于外界环境变化（直流系统发生短路故障或杂散电流）原因极易导致框架保护动作。处理该类故障时应首先断开直流设备框架单点接地点连接的电缆或螺栓，然后进行框架与接地网绝缘测试，若绝缘电阻接近0，可判断框架绝缘存在问题。为缩小故障点排查范围，可将负极柜、整流器柜、直流开关柜框架连接的电缆或螺栓断开，分别将负极柜、整流器柜、直流开关柜框架对地进行绝缘测试。处理对地绝缘存在问题的框架时，应优先拆除框架对地的全部安装螺栓，对绝缘螺栓或绝缘垫片进行清洁，对安装孔进行清洁，使用扁钎子将绝缘板与地面缝隙之间的杂物进行清理，通过以上手段可提高框架绝缘水平。如果框架绝缘仍存在问题，只能将故障变电所解列，制定相应方案将故障设备的框架支起或吊起，重新更换安装绝缘板，工作量较大，对运营影响大。为避免出现更换绝缘板情况，应控制前期施工质量，在设备投运后，定期对直流设备框架进行绝缘测试，记录测试数值，并与上一次绝缘数值进行对比，数值变化较大或数值低于1 MW时，及时安排停电检修，恢复框架绝缘性能。

电压元件与钢轨电位限制装置存在配合关系，如果配合出现问题，则需对钢轨电位限制装置的电压继电器和框架保护电压元件进行校验，更换故障元件或按照整定值进行调节，设备投运后定期对相关继电器或元器件进行校验。

3.3 框架保护故障预防措施

以上分析了可能引起框架保护动作的主要原因，为避免发生该类问题，制定如下预防措施：

（1）定期对框架进行绝缘测试，对安装的绝缘螺栓或垫片、设备绝缘子进行清洁，对二次接线进行紧固。在设备投运前，检查直流设备框架安装螺栓是否存在过长或松动的情况，避免设备投运后发生螺栓与直流系统正极或负极短路，导致框架保护动作。设备投运后，根据环境情况定期对直流系统设备（整流器、直流开关柜、负极柜等）的绝缘子进行清洁，保证绝缘性能；定期对直流系统设备上连接的二次测试线进行重点紧固排查，防止二次线脱落引起短路故障。

（2）定期对电压元件、电流元件、钢轨电位限制装置电压继电器、直流开关保护装置进行校验和保护传动。

（3）合理布置人员点位，对变电所值班人员、抢险人员进行框架保护动作处理相关培训、演练，保证所有人员都能掌握框架保护动作处理技能。

4 关于框架保护的几点建议

直流系统框架保护的可靠性和故障处置的快速性关系地铁运营的安全和秩序。实际使用情况证明，设置2套直流框架保护装置虽然投资较大，但可在整流器与负极柜框架保护动作时减小对地铁运营的影响，有利于地铁运营安全，建议新建线路按照2套直流框架保护装置设计。

框架保护功能与直流设备的框架绝缘性能关系紧密。直流设备框架通过绝缘板进行对地安装，安装螺栓采用绝缘处理（绝缘垫片或尼龙螺栓都需定期清洁，尼龙螺栓性能更佳），施工后若出现框架绝缘问题整改较困难，故安装工艺和施工质量起到关键作用。在施工过程中，应对地面进行清洁，保证地面平整；直流设备框架开孔处应平滑无毛刺，避免绝缘板安装后发生破裂影响框架绝缘性能。对于地铁运营方，应提高框架绝缘的验收标准，确保绝缘性能。

地铁运营线路设备故障无法完全杜绝，应急处置速度尤为重要。通过本文阐述可以看出，天津地铁1、6号线故障恢复通过遥控分闸故障所上网隔离开关，切断故障变电所联跳信号的发出，从而恢复区间直流供电的处置方案，对于快速恢复运营秩序效果较好，建议推广。

5 结语

本文主要对天津地铁直流系统框架保护现状、处理及预防措施进行了阐述，基于框架保护动作将造成地铁直流供电中断，对地铁运营产生影响，应通过施工把控、日常维修、测试来保障框架保护装置正常可靠的运行，建议设置2套直流框架保护装置，同时优化遥控隔离手段。

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The paper illustrates the actual application of frame protection for Tianjin subways, puts forward the frame protection methods for handling of faults and emergency response, providing references for daily maintenance of subways and newly constructing of subways.

DC power supply system of subway; frame protection; treatment of faults

U231.8

B

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.017

1007-936X(2018)01-0072-03

2017-04-10

李 毅.天津地下铁道运营有限公司，工程师。