直流牵引供电系统框架绝缘检测方案研究

胡佳骏

摘 要：本文对直流牵引设备框架保护和设备框架绝缘的功能和关系进行了简单介绍，对绝缘检测方案进行了论述。通过主动和自动检测方法，减少排查范围，实时了解整流器柜、直流开关柜（含负极柜）等设备对地的绝缘泄漏状况，提早预防，避免运行时因设备绝缘损坏而造成的框架电流保护工作异常。研究成果可为相关应用与研究提供参考。

关键词：牵引供电；框架绝缘；检测

中图分类号：TM922.3 文献标志码：A

0 引言

城市軌道交通的牵引供电系统采用直流电源，为了减少杂散电流对钢筋及预埋金属件等的电腐蚀，直流供电系统均为不接地系统，整流器柜、直流开关柜等直流供电户内设备的框架安装方式均为绝缘安装，框架通过低阻抗的电流元件单点接地。当出现正极对框架绝缘泄漏时，框架保护元件能检测到故障并迅速动作，使供电范围内的多个断路器快速跳闸，避免事故扩大。框架保护是直流供电系统中特有的保护类型，一旦动作将会导致多个供电区域停电，因此减少框架保护误动作并保证其工作可靠性尤为重要，需提早预防，对直流框架绝缘的检测必须合理可行。

本文简要分析框架绝缘的检测方法，提出具有参考性的辅助判断依据。

1 设备框架绝缘安装

直流设备底部一般铺设3mm～6mm的绝缘底板，通过金属螺栓套件（1—螺栓，2—平垫，3—弹垫）将柜体与基础槽钢固定连接，同时金属螺栓套件与设备框架的接触面通过绝缘护套（4—绝缘套，5—绝缘垫块）绝缘。理论上，金属螺栓套件与地（槽钢接地）为等电位，并且它们与柜体绝缘。绝缘安装方式如图1所示。

部分地区由于湿度极大，仅在设备与槽钢之间设置一层绝缘板仍无法满足绝缘安装的要求，因此会在设备绝缘底板和槽钢之间，再设置一层绝缘支架，增加爬电距离，绝缘效果较前者有所提高。

2 框架保护的回路构成

以1套框架泄漏保护装置为例，早期线路的框架保护是通过电流继电器（DL）和电压继电器（KF）采集，由继电器直接动作触发跳闸，其优点为动作状态可见，接线简洁，缺点为动作值可调范围小，不能多段设置，且无法区分故障电流、电压方向；随着电子产品和自动化设备的更新和普及，变送器采集方式已成为主流，越来越多的早期线路的框架保护方案被改为通过分流器及电流变送器（U1）和电压变送器（U2）采集，送入监控单元判断后触发跳闸，其不仅具有继电器的优点，还能满足诸如定值无极可调，多段设置，且能区分故障电流、电压方向的功能需求。框架保护的采集方式如图2所示。

3 框架保护的原理

框架保护分为框架电压和框架电流保护。

线路运行初期，钢轨对地的绝缘较好，发生框架泄漏故障时，流过框架电流元件的电流很小，电流元件不易动作，此时的电位升高，电压元件能够较为灵敏地检测到地和钢轨间的电压，当大于设定值时，框架电压保护动作，将整流机组的交、直流侧断路器跳闸。当某个牵引变电所发生框架泄漏故障，整条线路的地和钢轨间的电位都会升高，各个牵引所内框架电压元件会同时检测到较高的电压值，可能同时触发框架电压保护，这样就会使其他未发生框架泄漏故障的牵引所的框架保护产生误动作，扩大事故停电范围。

经过一段时间运行后，钢轨对地绝缘逐渐下降，若发生框架故障，钢轨与地之间的电位差值减小，框架电压元件不易动作，此时框架电流元件较为灵敏，能够可靠动作，并将相应的断路器跳闸。

地铁线路通常会设置钢轨电位限制装置，其功能是用来防止车站建筑物地与运行钢轨及其上的车辆之间产生的危险电压，以保护人员和设施的安全。钢轨电位限制装置与框架保护的关系如图3所示。

图3中，钢轨电位限制装置检测的是地和钢轨（L-）之间的电位；框架电压元件（U2）检测的是设备框架对钢轨（L-）的电位，而设备框架是通过低阻抗元件（分流器）单点接地的，阻抗可忽略不计，可以认为框架电压元件（U2）检测的同样是地和钢轨（L-）之间的电位，与钢轨电位限制装置检测位置相同。一旦框架电压保护动作，会导致断路器跳闸而影响行车，因此项目设计时，应将框架电压保护作为钢轨电位限制装置的后备保护。当地和钢轨（负极）之间的电位升高，钢轨电位限制装置会优先动作，使地和钢轨形成金属通路，框架电压元件就不会再动作。框架电压元件在实际使用过程中存在误动的可能，会造成事故障范围的扩大，因此在很多运行线路，将框架电压保护功能选择撤除或仅作为报警功能，不跳闸断路器。

框架电流保护对直流系统的保护极为重要，其保护功能又会受到设备框架绝缘的影响。若设备框架绝缘性能降低，发生框架泄漏时，会产生框架对地的电流支路，这样流过框架电流元件的电流会减小，达不到设定值，就无法迅速地切除故障，这种情况对设备和人身安全的危害极大，因此预防和排查设备绝缘性能就显得尤为重要。

4 框架绝缘的手动检测方案

一般新建线路对柜体框架绝缘的检查周期为6～12个月，对运行5年以上的线路，检测周期会做适当调整。检测框架对地绝缘，通常使用1000V绝缘摇表，摇表的一端接设备框架，另一端接地，要求绝缘值不小于2MΩ。在确因环境恶劣条件影响，设备绝缘不能达到2MΩ要求，通常采用以绝缘电阻是否达到50kΩ（750V）或100kΩ（1500V），作为是否投入临时运行依据，此数值能保证安全运行。

框架绝缘检测一般是在晚上停电后进行测试，此时一次系统已完成停电，测试前需拆除框架接地线，清除绝缘底板及安装螺栓套件周围的异物，此外还有几点试前事项容易被忽略，造成测试值与实际值达不到预期效果，排查时易绕弯路，需特别注意。

4.1 关闭所有被测设备的二次电源

在框架绝缘测试时，测试设备一端接设备外壳（对地绝缘），另一端接地。在二次元件中，有一些元件属于敏感元件，如压敏电阻、浪涌抑制器、浪涌保护器等，它们在进行绝缘测试时，可能会单个或多个元件被导通，使测试电压过渡到二次回路中。而直流开关柜的二次回路对外还有其他不绝缘安装设备的二次接口（如交直流屏、交流中压柜等），若未关闭二次电源回路，过渡电压就可能通过电源或控制回路，使其他设备的敏感元件产生多处的对地泄漏点，导致绝缘测试值降低。因此，在进行绝缘测试时，必须要关闭所有的二次电源。

4.2 拆除框架电压变送器的一次采样线

框架电压变送器是检测柜体与负极（钢轨）之间的电位，钢轨对地使用绝缘垫安装，一般要求钢轨对地的绝缘电阻不小于一定值（按闭塞区间分段进行测量并换算为1km长度的过渡电阻值，对于新建线路不小于15Ω/km，对于运行线路不小于3Ω/km）。因此在绝缘测试时，若不拆除框架变送器的一次采样线，会出现一个柜体框架→电压变送器→负极（钢轨）→地的回路（以下简称“支路”）。

做柜体框架对地的绝缘电阻测试时，若不将框架电压变送器的一次采樣接线摘除，则会将并联在框架至地两端的“支路”电阻计算在内，导致实际测得的绝缘电阻降低。等效图（不考虑线路损耗）如图4所示。

图4中，R是柜体框架对地的电阻；r1是框架电压变送器内阻；r2是钢轨对地的泄漏电阻。通过电阻公式，可计算出摇表测得的电阻值Rc，如式（1）

（1）

其中，R取预期电阻值2MΩ；r1的内阻为900kΩ～1MΩ（不同型号的变送器会有差异），取900kΩ；r2与线路长度有关，电阻值不小于15Ω/km，其与r1为串联关系，r2值与r1的900kΩ不在同个量级，为了方便计算，在此忽略不计，取0Ω。因此，通过式（2）可得

（2）

从上述计算可知，即使框架绝缘电阻满足预期要求2MΩ，但若未拆除框架电压变送器的一次采样线，摇表测得的数据就不能反映设备框架的真实绝缘值。因此为了测试值的准确性，在进行绝缘测试时，须拆除框架电压变送器的一次采样线，对于有多套框架电压变送器的配置，该理念仍然适用。

4.3 直流开关柜内的尾纤盒绝缘安装

设备内的尾纤盒一般为金属外壳，光缆接入尾纤盒后，一般施工人员会使用光缆里面的钢丝进行加固，防止由于拉扯导致光纤断裂，同样的加固工艺也应用在PSCADA控制屏中。直流开关柜为绝缘安装，PSCADA控制屏为不绝缘安装，通过光缆内的钢丝使直流开关柜与PSCADA控制屏的尾纤盒等电位连接，若尾纤盒对直流柜框架未绝缘安装，这会导致形成一个直流柜框架→直流柜内尾纤盒→光缆钢丝→PSCADA控制屏内尾纤盒→PSCADA控制屏框架→地的通路，直流柜框架对地也就不绝缘了。因此，在检测前，应预先排查直流开关柜内的尾纤盒安装方式。

4.4 整流器柜的通信接口与其他设备隔离

整流器柜一般通过RS485电口直接传输至PSCADA控制屏的交换机中，通过交换机端口与其他设备隔离。整流器柜内的通信线采用屏蔽双绞线，其屏蔽层与整流器柜框架等电位。在施工接线时，整流器柜至PSCADA控制屏的接线同样使用屏蔽双绞线，因此在绝缘测试前，应预先排查该屏蔽层与PSCADA控制屏（或其他不绝缘安装的设备）框架隔离，防止通过屏蔽层形成整流器柜对地的通路。

4.5 利用分段检测法排查绝缘故障

所有的前置条件检查无误后，再对设备进行绝缘测试，通过摇表测得绝缘电阻值。设备运行初期，设备房间的环境较为潮湿，绝缘电阻值往往达不到2MΩ的要求，需加强除湿、通风手段，如抽湿、吹热风等，随着运行时间延长，绝缘电阻会逐渐增加至预期要求。若环境干燥，绝缘电阻仍不达标，则需检查绝缘底板和绝缘固定螺栓处，首先看是否有破损，再逐步检查螺栓周围是否有金属微颗粒或其他异物，可采用分段检测法，将负极柜和整流器柜的排列作为一个整体、直流开关柜排列作为一个整体，其他绝缘安装设备（如隔离柜、再生逆变设备等）也分别作为一个整体，拆除各自的框架连接电缆后，逐个对设备排列进行绝缘检测，找出薄弱点后进行绝缘排查。

5 框架绝缘的自动检测方案

自动检测框架绝缘方案适用于变送器采集方式，其主要原理是通过分流器及电流变送器采集到的框架反向电流值，再由监控单元来判断框架对地的绝缘是否正常。主要结构方案如图5所示。

框架电流泄漏保护的主要保护形式是：当设备发生正极L+对框架泄漏，通过低阻抗元件（分流器）对地网放电，此时的网电位升高，部分电压通过过渡电阻流向轨道（L-），同时钢轨电位限制装置达到定值后动作，迅速将地网与轨道（L-）短接，形成闭合回路，期间电流变送器实时采集电流信号，并送入监控单元进行判断，若框架电流值超过80A且持续5ms，则发出跳闸命令。

图5中，设备框架对所内地为绝缘安装，因此正常情况下，框架电流的泄漏方向只能从设备框架流向地网，反向电流极小（设备框架对所内地的绝缘电阻较大），趋近于0。只有在设备框架对地的绝缘电阻较小时，地网与距离较远的所内地形成电势差而构成闭合回路，才有可能被电流变送器检测到反向电流（因迷流和/或钢轨电位限制装置闭合时跑车产生电流引起）。通过这一特性，可将框架反向电流的检测作为判断框架对地绝缘是否正常的重要依据。项目设计时，在监控单元中区分框架泄漏电流的方向和参数：框架正向电流I+达到且延时tI+后发出跳闸命令；框架反向电流I-达到且延时tI-后发出报警信息（即框架对地绝缘故障）。

新建线路中，大多已设置两套框架电流保护元件，将整流器柜和负极柜设为一个保护单元，将直流开关柜和其他绝缘安装设备（如隔离柜、再生逆变设备等）设为另一个保护单元。部分线路更设置了3套、4套框架保护元件（将两台整流器柜和再生设备也分别区分出来），这样就可以通过多套框架电流元件检测反向电流值，更精准地判断哪个保护单元的设备绝缘出现了故障，有利于绝缘故障的排查。目前行业中对框架泄漏电流的设定，一般将框架泄漏电流（跳闸）设置为80A（延时5ms），对框架反向电流（报警）未提出明确要求，或未设置，或设置较大值，这样就可能会造成无法及时判断出设备对地的绝缘故障。考虑到设备零漂和精度的叠加影响，笔者提出框架反向电流的设定建议值10A（延时5ms）。

综上所述，结合运营的实际工况，可测出框架反向电流的真实数据，进而对其有效设置，帮助运营维保人员提早预防，避免运行时因设备绝缘损坏而造成的框架电流保护工作异常。

结语

随着城市轨道交通建设步伐的加快，完善直流供电系统的现场检测方案，提升运营维保的故障预判能力，变得越来越重要。

本文对直流牵引供电系统框架绝缘检测方案进行了作详细的论述，从定期的运营检测和自动检测两个方面进行了阐述。随着城市轨道交通的发展，技术人员的专业知识深入，会有更多合理可靠的方案被提出，提高运营维保的排查能力，增加设备运行的可靠性。

参考文献

[1]高须贤.城市轨道交通直流牵引系统框架保护及绝缘安装分析[J].科技资讯，2014，12（23）：49.

[2]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，2004，7（6）：56-58.