中低速磁浮牵引供电系统接地保护方案探析

孙才勤



中低速磁浮牵引供电系统接地保护方案探析

孙才勤

对中低速磁浮牵引供电系统正极发生接地故障时多个（大于2个）牵引变电所64D保护同时跳闸现象进行分析，并提出了解决方案。

中低速磁浮；接地故障；保护方案

0 引言

中低速磁浮轨道交通是指运行速度不超过120 km/h的磁浮轨道交通，在我国长沙和北京已经建成投运。我国目前正在研究的中速磁浮轨道交通其最高行车速度可以达到160 km/h，是在中低速磁浮技术基础上的升级和提高，两者的牵引和供电原理相同。

1 中低速磁浮牵引供电系统

中低速磁浮轨道交通采用直流1 500 V牵引供电制式。牵引网系统由正极接触轨和负极接触轨组成，正、负极接触轨分布在轨道两侧，与地绝缘，通过正极接触轨向车辆供电，负极接触轨回流。牵引变电所直流馈线柜采用断路器柜，并设置了大电流短路断路器直接跳闸保护、过电流保护、电流变化率及其增量保护、双边联跳保护、直流设备框架泄漏保护等，对直流牵引馈线的短路故障及异常运行进行判断和保护。

2 中低速磁浮接地保护方案及存在问题

中低速磁浮轨道交通正极接触轨和负极接触轨通过绝缘子安装固定在轨道梁两侧，绝缘子安装底座金属构件未与专用接地线连接；列车悬浮运行，金属车辆本体与地绝缘。

由于中低速磁浮轨道交通直流牵引供电系统的结构特点，正极直接对负极发生短路故障的可能性较小，而正极对地发生接地故障的可能性会因绝缘子的质量和老化等原因而增加。

接地故障的主要形式有牵引变电所内直流设备正极母线接地、列车正极回路与列车框架（地）短路、正极接触轨对桥梁短路等。当牵引变电所内直流设备正极母线接地时，由于直流设备设置了框架泄漏保护，框架保护的电流元件检测到短路电流时发出跳闸信号，启动交流断路器和直流馈线断路器跳闸；当列车线路断路器以下的正极回路与车辆框架（地）发生短路时，列车泄漏电流保护装置检测到短路电流，启动线路断路器跳闸，切断故障回路；当列车线路断路器以上的正极回路与车辆框架（地）发生短路时，短路电流最终通过列车框架接地刷流入大地，但大地与负极是绝缘的，没有回流通路，因此，采取了在负极与地之间设置电压继电器接地保护装置（简称64D）的措施。系统接线如图1所示。

图1 64D保护下的系统一次接线图

每个牵引变电所均设置64D保护装置。64D保护装置由逆流二极管、接地电阻（5W）、电压传感器、电流传感器、电源及微机控制系统组成，其保护启动电压可在90～300 V内设定，一般设定为200 V。当发生正极回路与车辆框架（地）接地故障时，列车到站后每个牵引变电所均产生短路电流，短路电流流经各牵引变电所的64D保护装置。

中低速磁浮轨道交通直流牵引供电系统接触轨安装在桥梁两侧，接触轨通过绝缘子与结构底座绝缘，结构底座之间未设置贯通地线。当接触轨绝缘子损坏，接触轨电压直接加载于结构底座上，造成电流泄漏，在该故障情况下，64D保护装置可能检测不到电压，无法实现保护，形成安全隐患。而当结构钢筋连接成一个很好的通路时，多个牵引变电所64D保护装置检测到故障而启动馈线断路器跳闸，出现大范围停电。

3 问题分析

当发生列车线路断路器以上的正极回路与车辆框架（地）短路或正极轨绝缘损坏后的正极接地时，短路电流通路如图2所示。

图2 正极对地短路示意图

当发生正极对地金属性短路时（如图2中的短路方式①），短路回路上的电阻包括正极轨电阻、列车框架回路电阻、接地网电阻、64D保护回路电阻，其中工型正极轨单位电阻为0.008 5W/km、接地网电阻1W/处，64D保护回路电阻5W。按10 km外的牵引变电所考虑，粗略计算64D保护电阻上的电压约为900 V。因此，相邻多个牵引所的64D保护装置均可检测到大于设定值的电压，造成两侧各10 km范围甚至更远的牵引变电所跳闸。

当接触轨绝缘子损坏，接触轨电压直接加载至结构底座上，形成电流泄漏。泄漏电流没有金属通路，64D保护装置检测不到泄漏电流，不会启动报警，更不会启动跳闸。当金属底座与结构钢筋最终连接在一起时，形成正极轨金属性短路，如图2中的短路方式②。短路回路上的电阻包括电气结构钢筋电阻、接地网电阻、64D保护回路电阻。结构钢筋较短，焊接数量多，电阻也较小，分析过程同短路方式①，也会造成两侧各10 km范围甚至更远的牵引变电所跳闸。

4 解决方案

为了为绝缘子泄漏电流提供一个通路，将沿线所有绝缘子金属底座用接地扁铜进行连接，接地扁铜全线连通，并在桥墩和车站变电所接地。当正极接触轨发生对地短路，短路电流由正极流出，通过正极接触轨-短路点-贯通地线-地网-变电所单向导通接地保护装置回到变电所负极。当列车线路断路器以上的正极对车辆框架短路时，短路电流从牵引变电所流出，通过正极接触轨-车辆正极母线-短路点-车辆框架-接地轨-地网-变电所单向导通接地保护装置回到变电所负极。牵引变电所馈线断路器KB（相邻牵引所及远端牵引所）可采集到相应的短路电流，短路电流大小及暂态过程由回路的短路阻抗决定，特别是变电所接地保护装置回路电阻。

当接地保护装置回路设置5W电阻时，短路时最大电流只有约600 A，保护装置不能判断是短路电流还是正常运行负荷电流，将无法启动保护跳闸。

通过模拟计算，当取消接地保护装置回路电阻时，双边供电时远端（3 km）和近端短路电流达到12 000和57 000 A左右，相邻牵引变电所均能判别短路电流，启动保护跳闸。而更远端（远端邻所）的牵引变电所测得的短路电流在6 000 A以下，通过大电流保护设置，可以不启动保护跳闸。通过该设置，实现了跳闸的选择性，缩小了事故范围，也为事故的定位和处理提供了方便。此时，64D已变成了一个单向导通接地保护装置，流过较大的短路电流，因此该装置的耐电流能力需要大大增强。其系统接线如图3所示。

图3 新型保护下的系统一次接线图

5 结语

本文对中低速磁浮牵引供电系统64D保护方案下的故障及保护进行了分析， 指出了64D保护存在的问题，并提出了新的保护方案。该方案可以在既有运营线路中改造使用，也可在新建中低速磁浮或中速磁浮工程中采用。

[1] 盛蓉蓉. 中低速磁浮交通牵引供电系统接地保护研究[J]. 铁道工程学报，2016，33（10）：97-101.

[2] 张云. 中低速磁浮牵引供电系统分析与研究[J]. 建筑与文化：学术版，2013（7）：334-335.

[3] 吴树强. 中低速磁悬浮供电系统的技术特点研究[J]. 铁道工程学报，2015，32（8）：87-90.

The paper analyzes the simultaneous tripping of 64D protection in several (more than two) traction substations when there are earthing failures occurred at the positive polar of traction power supply system for medium and low speed magnetic levitation, and puts forward the scheme for the solution.

Medium and low speed magnetic levitation; earthing fault; protection scheme

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.020

U237

B

1007-936X(2018)06-0081-02

2018-06-25

孙才勤.中铁第六勘察设计院集团有限公司电气化设计院分公司，教授级高级工程师。