浅析地铁直流牵引供电系统框架保护原理及保护设置方案

叶 茏

（广州地铁集团有限公司运营事业总部，广东广州510380）

1 框架保护的工作原理

地铁直流牵引供电系统的框架保护装置设在牵引所的负极柜内，用于在直流供电设备发生绝缘损坏或对设备框架发生闪络、产生泄漏电流时，能够及时切除故障，保护供电设备和人员人身的安全。框架保护有两种类型，分别是电压型框架保护和电流型框架保护，电压型保护是电流型保护的后备保护。保护原理如图1所示。

图1 框架保护原理接线示意图

直流牵引供电系统设备（包括DC 1 500 V开关柜、负极柜、整流器柜）的外壳采用对地绝缘安装方式，其外壳不是直接接地，而是通过电缆连在一起，然后连接至负极柜，经过一个1 000 A/150 mV的分流器（R101）再接到公共地网，泄漏电流从地网经隧道壁、道床再流至钢轨（负极）。当直流设备绝缘损坏，带电设备对框架产生泄漏电流时，会在分流器（R101）两端产生一个电压，再通过隔离放大器将两端的电压信号输入至保护模块PLC，以测量框架对地的泄漏电流。

当检测到泄漏电流达到整定值35 A时，电流型框架保护动作、出口，跳开相应开关，保护动作无延时。

电压型框架保护是后备保护，由于钢轨是采用绝缘安装的，钢轨对地的绝缘电阻会随着绝缘材料的性能改变而变化，所以框架泄漏电流的回路电阻是不确定的，当回路电阻很大时，可能造成虽然设备对框架的绝缘损坏，但是泄漏电流检测值达不到整定值要求，电流型框架保护不动作的情况，电压型框架保护就是为了弥补这个缺陷而存在的。如图1所示，它使用一个电压变送器接在框架和负极之间，不断将框架与负极（钢轨）之间的电压信号转换成低电压信号后输入PLC，以检测框架对钢轨电压（因框架经分流器接地，亦即测量钢轨对地电压）。

当PLC检测到电压达到或超过整定值时，启动一段延时，如果在延时时间内，电压一直大于整定值，则电压型框架保护动作，跳开相应开关。

2 电流、电压型框架保护与钢轨电位限制装置的匹配

在框架保护系统中有一个非常重要的部分——钢轨电位限制装置，它一端接钢轨，另一端接地网，与电压型框架保护类似，检测的是钢轨对地的电压，当钢轨电位达到保护整定值时，钢轨电位限制装置会迅速动作，将钢轨与接地网短接，降低钢轨电位。

电压型框架保护与钢轨电位限制装置两者都是检测钢轨对地电压的，不同的是电压型框架保护的作用是保护直流设备安全，动作于跳闸，切除直流绝缘泄漏或短路故障；钢轨电位限制装置的作用是降低钢轨对地电压，保护线路上人员的人身安全，不影响直流牵引供电系统的正常运行。两种保护的整定值必须相互匹配，以保证它们的选择性和可靠性。

当发生框架泄漏事故时，故障电流通过电流检测元件，此时电流元件启动，同时故障电流通过回路压降在电压元件上产生一个高电压，电压元件也同时启动。当故障电流达到电流元件的整定值时，电流型框架保护动作、出口，跳开相应开关；当故障电流没有达到电流元件的整定值时，由于轨电位升高，达到轨电位限制装置动作值时合上轨电位，将钢轨直接接地，降低接地电阻，令电流型框架保护动作；当轨电位限制装置拒动时，则通过电压型框架保护作为后备保护跳开相应的开关，切除故障。

3 框架保护动作的原因分析

导致框架保护动作的原因很多，根据故障点的位置可以分为变电所内部故障和变电所外部故障两类。

3.1 变电所内部故障

直流牵引供电设备内的小动物、绝缘降低、柜顶异物掉落、开关分合闸电弧或带电导体脱落等情况都有可能导致框架与带电设备短路，此时电流型框架保护应动作，如果电流未达到整定值，框架电压升高而轨电位装置又不能正常动作，则电压型框架保护可能动作。

根据保护原理，框架保护的电流、电压检测回路如发生元器件故障或短路等问题，电流型或电压型框架保护可能发生误动。

3.2 变电所外部故障

变电所外部导致钢轨对地电压升高的原因有很多，列车启动制动产生的大电流、负回流系统电阻过高、接触网断线对地短路、接触网绝缘下降对地短路均会导致轨电位异常偏高，此时轨电位限制装置应首先动作，只有当轨电位限制装置不能正常动作时，电压型框架保护会动作。

综合以上情况，当电流型框架保护动作时，可以初步判断是所内设备发生故障。电压型框架保护除了因电压检测回路故障导致的误动之外，多数情况是因为轨电位限制装置未正常动作而作为后备保护启动，且多为变电所外部原因所引起的。

电压型框架保护作为轨电位后备启动的同时也扩大了对行车造成的影响。如1999年6月，广州地铁1号线由于钢轨电位升高，直流框架保护动作，导致公园前和长寿路区间接触网大面积停电，影响行车42 min；2005年1月3号，深圳地铁同样由于轨电位升高，电压型框架保护动作，导致4号线全线瘫痪，影响行车近4 h。两次事件当时均没有发生短路故障，而是由于车辆运行和其他原因导致钢轨电位升高，应该由钢轨电位限制装置动作，避免电压型框架保护动作。因此，设计时确保轨电位限制装置与框架保护相互匹配，并在运行、维护中确保轨电位限制装置可靠启动、接触器可靠动作是非常重要的。

4 框架保护联跳、复归、闭锁设置方案

由于框架保护动作后会造成接触网多个供电分区停电，影响区间内列车停运，而如果区间内列车不能尽快恢复运行，车站和列车内乘客的情绪会受影响，甚至产生恐慌情绪，从而进一步影响客运服务的组织和恢复。因此，框架保护故障的处理通常采用先通后复的原则，而框架保护联跳、复归、闭锁的设置方案对故障的准确隔离和迅速恢复接触网供电起着重要的作用。随着地铁公司运营经验的积累和地铁线网的发展，地铁公司各条线路的框架保护设置方案也有了不同的方向。

4.1 联跳功能设置方案对比

框架保护启动后，统一出口跳本所两台整流机组33 kV断路器和所有DC 1 500 V直流开关，联跳方式有联跳邻所开关和只跳本所不联跳邻所两种方式，前者影响两个区间的接触网停电，后者邻所开关正常运行，继续以大双边方式对接触网供电。

电流型框架保护作为主保护，如果动作，所内设备通常存在明确的故障点，因此在实际应用中普遍采用动作后联跳邻所开关的方式，这样可以确保第一时间切除所内设备的故障点，如果只跳本所开关，则本所馈线开关出线端以下设备的故障点不能被有效切除，可能造成故障进一步扩大。

电压型框架保护作为后备保护，在实际应用中两种联跳方式都有，联跳邻所开关能可靠地断开故障点，保证设备及人身安全；只跳本所开关则缩小了故障影响范围，接触网不失压，不影响列车正常运行，但如果故障点在变电所外部，则故障点不能第一时间被切除，如轨电位电压异常而轨电位限制装置未能可靠动作，可能导致故障影响进一步扩大，此种方式建议谨慎使用。具体采用哪种方式需要综合考虑线路客流量、钢轨电位运行情况、线路框架保护与轨电位的匹配情况等。

4.2 复归功能设置方案对比

框架保护的复归方案目前也有本地复归和远程复归两种，框架保护动作后如联跳邻所，相应供电区段接触网失电，区间列车停运，且保护动作闭锁开关合闸，此时要恢复大双边供电需要先对保护模块进行复归。

旧线路框架保护一般采用本地复归方式，框架保护动作后抢险人员要先赶到故障所对设备进行复归后，电调才能通过合邻所开关对接触网送电，这种方式在恢复供电的及时性方面存在缺陷。

新线路逐渐开始设置远方复位功能，电调可以远控对保护模块进行复归，然后通过拉开本所馈线的上网隔离开关对所内故障进行隔离，接着就可以远动操作合闸邻所开关，对接触网恢复供电，所有步骤均由电调远方操作，缩短了恢复时间，节省了人力成本，这种方式在运营实践中带来了很好的效果。

4.3 合闸闭锁功能设置方案对比

框架保护的合闸闭锁方案目前有本所、邻所开关全部闭锁合闸和只闭锁本所合闸两种，旧线路框架保护采用本所、邻所开关全部闭锁合闸的方案，而后期新线路设计开始逐渐转变为不闭锁邻所开关的方案。后者对邻所开关只联跳和闭锁自动重合闸，不闭锁开关再次合闸，电调可以不用对保护进行复归，直接操作邻所开关合闸，第一时间恢复受影响区段的接触网供电，即使接触网不具备恢复送电条件，也可以通过试合开关，启动检测回路，确定故障点范围。不闭锁邻所开关的方案进一步提升了故障处理效率。

5 结语

由于框架保护在直流牵引供电系统中的重要性和特殊性，保证框架保护系统各级保护的可靠性、选择性，提升故障分析能力及故障处理效率显得尤为重要。本文通过对框架保护系统中各种保护的工作原理和相互匹配关系进行梳理，分析总结了框架保护的故障原因，提出了预防保护误动和故障点初步判断的方法，结合实际运行经验，对比了几种保护设置方案的优劣，归纳了在不扩大故障影响范围的前提下缩短接触网恢复供电时间的保护设置方案，对框架保护的故障预防、处理和逻辑功能设置或许有一定的参考作用。