框架泄漏保护在城轨交通直流牵引供电系统中的应用

袁博

摘要：本文从典型直流牵引供电系统出发，分析了框架泄漏保护的原理，对比了目前框架泄漏保护装置在直流牵引变电所中的不同设置，对于直流继电保护学习人员和现场运行维护人员，迅速、准确分析、查找故障，提高运行维护水平具有一定的借鉴意义。

Abstract： Starting from the typical DC traction power supply system， this paper analyzes the principle of frame leakage protection and compares the different settings of current frame leakage protection device in DC traction substation. It has certain reference significance for DC relay protection learners and field operation and maintenance personnel to quickly and accurately analyze and find faults and improve operation and maintenance level.

关键词：框架泄漏;直流保护;牵引供电

Key words： frame leakage;DC protection;traction power supply

中图分类号：U23                                         文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）24-0201-02

1  直流牵引系统供电构成

地铁直流供电系统主要由牵引降压变电所将来自110/35kV主变电站的交流35kV电压经降压、整流变为直流1500V后，通过直流开关柜向架空接触网供电。其中，交流进线采用110/35kV两级电压、集中供电方式，每座牵引变电所设置两套整流机组，挂接于同一段35kV母线上，直流进线和馈线均采用直流快速断路器。

2  框架泄漏保护的设置

2.1 框架泄漏保护作用

直流牵引供电系统由牵引变电所（或牵引降压混合变电所）和接触网系统组成。直流牵引变电所内的直流设备包括：直流进线柜、整流柜、馈线柜、负极柜等，这些柜体对地采用绝缘安装。如果直流设备发生正极对设备外壳泄漏（或正极与柜体之间绝缘下降），如故障切除不及时，可能将故障扩大为1500V正极通过设备外壳对负极间的短路事故，这时的直流短路电流非常大，可达到几十千安，对直流设备将造成严重损坏，甚至可造成工作人员触电事故。

框架泄漏保护就是实时监测直流供电设备正极与单点接地的柜体之间的绝缘状况，在其绝缘严重下降甚至短路时作用与之相关的断路器使之全部跳闸的一种保护装置。

2.2 框架泄漏保护原理

如图1所示，正常情况下，设备绝缘情况良好，几乎没有泄漏电流通过电流元件Ki。当直流开关柜发生泄漏（正极对机柜外壳短路）时，泄漏电流的路径为：正极→机柜外壳→电流元件Ki→地→R→回流线→负极，泄漏电流如若超过了电流元件的整定值则迅速动作切除故障。由于钢轨通过绝缘垫与地绝缘，故正常情况下钢轨对地之间存在着阻值很大的泄漏电阻R，泄漏电阻是随着地铁的运行时间以及绝缘材料性能变化的，所以泄漏电流回路的阻值不是确定的，当电阻很大时，泄漏电流就很小，达不到电流元件的整定值，此时则由框架保护的电压元件检测机柜外壳和负极之间的电位差，直流開关柜发生泄漏时电位差变的很大，框架保护电压元件可以迅速动作。

通常，在地和负极之间还安装一个排流柜，当排流柜投入运行时，泄漏电流的路径为：正极→机柜外壳→电流元件Ki→地→PL柜→负极，由于排流柜的等效电阻值远小于R，泄漏电流大大增加，即使钢轨（负极）与地的绝缘非常良好（泄漏电阻R非常大），由于排流柜的投入为泄漏电流提供了通道，为此框架泄漏保护的灵敏度大大提高。

在框架泄漏保护中，电流元件通常设定值为80A，可以检测到微小的泄漏电流，因此框架泄漏保护的灵敏度非常高。电压元件一般设两段，I段报警（通常设定值为95V），II段跳闸（通常设定为150V）。

2.3 框架泄漏保护装置安装

框架泄漏保护装置由电流检测元件和电压检测元件组成。电流元件接于直流设备外壳与接地网之间，用以检测直流设备框架泄漏电流;电压元件接于直流设备外壳和负极之间，用以检测设备框架与负极之间电压。由于直流牵引供电采用回流线至负极，所以电压元件检测的电压与钢轨与地之间的电压等价。在运行过程中，通过判断元件检测到的泄漏电流和故障电压，实现保护跳闸切除故障的目的。牵引变电所的直流开关柜成排布置，负极柜与整流器柜组合另行成排布置，分别采用对地绝缘安装。

2.4 框架泄漏保护的设置

2.4.1 设置一套框架保护

全所内的整流柜、直流开关柜以及负极柜柜体均采用对地绝缘安装，柜体以保护接地扁钢实现互联，通过接地电缆和框架泄漏保护电流元件接地，所内设置一套框架保护装置，电流检测元件与电压检测元件均装在负极柜内，其安装位置如图2所示。

当所内任意直流开关柜内正极对外壳发生泄漏时，框架保护装置无论是电流元件还是电压元件动作，将迅速断开本所整流机组交流侧进线、直流侧进线和馈线断路器，并联跳临所向本区段供电的直流断路器且闭锁重合闸。可见，设置一套框架保护，一旦发生框架泄漏故障将造成大面积接触网停电，影响范围较大。这时越区形成大双边供电，需要先闭合故障所的越区隔离开关，再闭合临所的直流馈线断路器，需要一定的倒闸时间才能恢复供电。

2.4.2 设置两套框架保护

运营实践统计，整流器是所内较容易出现故障的设备，且其故障会引起框架保护动作。所以为了缩小整流器框架故障时的停电范围和恢复供电时间，可采用全所内整流柜和直流开关柜各设置一套框架泄漏保护装置，即两面整流柜与负极柜共用一套框架电流元件装置，直流开关柜用一套框架电流元件。如图3所示。

当整流柜发生框架泄漏故障时，框架电流保护动作，整流机组交流进线侧和直流进线断路器快速跳闸并闭锁重合闸，但直流馈线断路器不跳闸，这样就可以利用故障的牽引变电所的直流母线瞬时构成大双边供电，列车正常运行，减小了因整流器故障泄漏引起框架保护动作的较大停电范围的影响。当直流开关柜发生框架泄漏故障时，电流元件动作，如若整流机组交流进线侧和直流进线断路器快速跳闸并闭锁重合闸，直流馈线断路器不跳闸，这时邻所仍然向该一供电臂供电，故障并未隔离。因此其动作结果应与所内设置一套框架保护动作结果相同，快速将故障切除。

2.4.3 设置三套框架保护

全所内设置三套框架泄漏保护，即每面整流柜各设一套（所内有两面整流柜），直流开关柜和负极柜共用一套。当单套整流器发生框架泄漏故障时，迅速断开相应的整流机组交流侧和直流进线断路器。在实际运行使用中，可根据需要采用单套整流机组运行工作或两套整流机组均退出运行，通过故障所的直流母线进行大双边供电，减少停电时间。

3  结语

由此可见，牵引变电所设置一套框架保护装置，发生框架泄漏故障停电范围最大，查找故障及恢复供电所需时间最长，但是投资较后两者少;设置两套和三套框架保护装置，在停电范围影响以及恢复供电时间相当，目前，在已建的地铁项目中，采用设置一套或者两套框架泄漏保护装置的居多。

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