直流框架保护装置的功能及动作特性改进建议

2021-09-23张开波

都市快轨交通 2021年4期

张开波

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

对于采用直流牵引供电制式的城市轨道交通工程，包括地铁、轻轨、跨座式单轨、中低速磁悬浮、现代有轨电车(接触网供电)等工程，在牵引变电所将外部的AC 35/20/10 kV交流电源通过整流机组或其他变流装置转换为DC 1500/750 V直流电源给机车车辆供电，存在较多的直流牵引供电设施，包括直流进线及馈线开关、上网开关及越区开关，根据需求设置车辆再生制动能量吸收装置(将车辆制动时的能量进行逆变转换或储存)，以及为便于检修维护设置的牵引网可视化接地装置等设施[1-9]。

1 配置直流框架保护的目的及意义

由于直流牵引供电正线区段基本采用双边供电，整个直流供电系统通过直流牵引母线全部串接在一起给牵引网供电。同时考虑杂散电流的危害，直流牵引网包括接触网及回流轨在内均为不接地系统，要求绝缘安装[1]。

如牵引变电所内没有配置框架保护装置，当发生绝缘故障但故障电流较小时，可能低于开关柜配置保护装置的动作电流，保护将不会动作，也无法对发生故障的范围进行定位。

直流框架保护的原理是：当正极对柜体金属外壳发生绝缘损坏时，通过快速保护动作，切除故障范围的直流牵引供电，并定位隔离故障范围，保证系统的安全运行[3]，如图1所示。

图1 直流框架保护装置原理图 Figure 1 Schematic diagram of DC frame protection

因此，对于牵引变电所内的直流供电设施，设置直流框架保护装置(包含电流元件及电压元件)，如果牵引所直流设施内部绝缘故障，出现了框架电流，可以在故障电流较小时，通过框架保护元件的动作，准确及时地实现开关柜跳闸，及时退出故障设施或牵引所，并通过设备维护，及时消除故障隐患，避免出现较大的直流短路电流对直流牵引供电设施带来更大的危害；如出现了较大的绝缘故障电流，在直流保护装置动作后，同时结合框架保护装置的动作情况，也能很好地判断故障是出现在牵引变电所内的直流供电设施内部，还是牵引网侧的相关设施，及时实现故障范围的区分，便于及时隔离、查找故障并恢复供电。

同时，如果牵引变电所内的直流设施出现框架绝缘故障，其牵引电流泄漏至大地，导致杂散电流的增大，也可及早发现并及时避免。

2 规范的规定及理解

GB50157《地铁设计规范》指出“15.2.22 直流牵引供电设备应设置框架保护”“15.7.15 直流牵引供电系统应为不接地系统，牵引变电所中的直流牵引供电设备必须绝缘安装”[1]。

这两个要求是互为一体的，设置框架保护就需要绝缘安装，绝缘安装也就需要设置框架保护。

规范的条文解释为“为避免直流牵引供电设备绝缘能力降低而造成杂散电流腐蚀，牵引变电所内直流牵引供电设备(整流器、直流牵引配电装置、再生制动吸收装置)采用绝缘安装。为解决设备漏电对人身造成伤害以及避免杂散电流的泄露，要求设置框架保护”[1]。

该条文解释，相对地强调了杂散电流方面的影响，并没有对便于发现直流装置绝缘故障隐患及直流故障保护动作后的故障定位分析等进行更多的说明。

3 框架保护动作的分析及改进建议

3.1 框架保护动作的分析

在实际工程中，基本上是直流框架电流元件保护动作后，跳闸相应保护范围内的全部直流设施，如涉及直流馈线开关的框架保护，还需同步联跳相邻牵引所的相关直流馈线设备，彻底切断向该保护涉及范围的直流牵引供电；当电压元件保护动作后，仅联跳本牵引变电所相关的直流供电设备，不联跳相邻牵引所的直流供电设施[8]。

之前常规的框架保护设置中，仅其中的电压元件设置了多段保护整定配置，分别实现报警及保护动作功能，且与钢轨电位限制装置的整定值进行了匹配；而电流框架保护仅配置了一段保护整定，达到电流整定值立即保护动作出口(如80 A)。

这种电流框架保护配置在工程实际的应用中，能保证直流设施的运行安全，但存在一定的运营安全隐患。比如与直流开关柜对应的框架电流元件一旦动作后，涉及相邻的2～3个牵引变电所，其事故跳闸影响范围太大，且因其直接动作于直流牵引供电设施，一定程度上会严重影响线路的正常运营；而现场设备的运行环境并非认为的那么理想，安装环境条件较差；或者后期长期运营过程中如出现绝缘安装环境的污损，导致直流设备的设备框架与大地之间的绝缘措施完备性下降，可能会有一定的杂散电流从大地进入设备框架，并流过该框架设施对应安装的电流保护元件，导致电流框架保护的误动作。在部分城市的轨道交通工程运营过程中，就多次出现了直流设备框架与地之间的绝缘性能完备性下降，电流框架保护误动作导致牵引网短时大范围停电，并影响线路正常运营的严重情况。

一个不算太严重的直流设备框架与大地之间的绝缘安装性能下降，且不会影响正常牵引供电的小故障或者小隐患，完全可以通过及时的后续维护进行消除，结果却可能导致在运营时段内线路短时停运的大事故，人为扩大了事故影响范围及事故的严重程度。

该隐患问题日益成为各地运营单位在保障工程长期安全可靠运营过程中的一个痛点。

因此，在部分城市的工程中，有的甚至将框架保护的电压元件的多段动作特性全部设置为报警，避免其保护动作后对牵引变电所正常供电的影响；同时为进一步保证牵引所直流设备框架绝缘安装的绝缘性能，部分工程中甚至还采用了造价较高、施工较为复杂的整体绝缘地坪的安装方式，如图2所示。

图2 整体绝缘地坪现场图 Figure 2 Insulation floor

3.2 直流框架保护的改进建议

相比早期在整个牵引所内，仅设置一套直流框架保护对整个直流供电设施(除再生制动能量吸收装置外)进行保护的模式，在后续的工程实践中，为减少故障的影响范围及事故的严重程度，基本采用了分设备种类配置框架保护的改进措施。

在一个牵引变电所内，将整流机组、直流开关柜设备、再生制动能量吸收装置等均单独绝缘安装，并单独配置相应的框架保护装置。该方式一定程度上能减少其事故的影响范围，但如果是直流开关柜设备对应的电流框架保护动作，其事故影响范围仍然较大，仍直接影响线路的正常运营。由于框架保护装置的电压元件大多实现了多段动作特性的整定，基本能满足工程需求，因此现主要对其电流元件进一步提出改进建议：

1)电流框架保护配置多段动作特性。将之前的电流框架保护动作由一段动作调整为多段动作，比如可以调整为三段，按动作电流的大小及严重程度，分别设置为一段报警，二段延时动作及三段瞬时动作。

该方式相当于实现了框架绝缘状况的在线监测，在故障电流较小的情况下，便可及时发出预警信息，提醒运营维护人员及时进行框架绝缘状况的检测并消除隐患，在一定程度上可以减少框架电流保护的非必要动作，避免出现较为严重的大范围跳闸停电事故，影响线路的正常行车。

2)电流框架保护的配置方向判断动作特性。框架电流保护的目的是防止直流正极对柜体金属外壳发生绝缘故障，因此电流的方向是框架指向大地。如不能区分框架电流的方向，当设备框架与地之间的绝缘下降时，仍有可能出现一个较大的反向电流流过框架保护的电流元件，导致保护误动作的情况。

引入电流框架保护的方向判断功能，如果是正向电流，由设备框架流向大地，电流框架保护正常动作；如果电流是反向，由大地流向框架，则仅进行预警，不动作出口跳闸。

该动作特性的改进，可实现绝缘状况的在线监测预警功能，并彻底消除电流框架保护元件误出口动作，最大限度地保证线路的运营安全。

3.3 直流框架保护在实际工程中的改进应用

以某城市为例，在其地铁1、2号线工程中，采用的直流框架保护电流元件仅有一段电流整定，且无法实现电流方向判断，由于现场施工安装及后期维护的原因，出现了框架绝缘安装后与大地之间的绝缘能力下降的现象，导致了框架保护电流元件多次误动作出口，严重影响了线路的正常运营。因此在其后期部分工程中有针对性地进行了改进运用，采用了带方向的电流元件判断检测回路，并要求能够进行多段动作值的整定。

框架保护电流元件设置了两段带方向的电流整定，当正向电流和反向电流达到40 A的时候延时500 ms报警，在正向电流达到80 A的时候延时5 ms出口跳闸(注：整定电流可根据工程实际情况调整)，其出口动作后开关跳闸的联锁、联动关系可仍按常规配置方案保持不变。仅涉及本牵引变电所的整流机组、再生制动能量吸收装置等设施的框架保护电流元件，动作出口后仅联跳本装置前后的相应开关，隔离相应的故障设施即可；对于涉及牵引网供电直流开关柜设置的框架保护电流元件，动作出口后仍需联跳相邻牵引变电所的相应直流馈线，彻底隔离该故障直流牵引供电区段。

按该方案设置整定后的框架电流保护，在后期的长期运行过程中，未出现框架电流保护误出口动作跳闸的情况，也实现了早期的绝缘故障预警功能。

由于轨道交通行业对框架保护装置目前并无统一的要求，各方对该问题的认识也不统一，因此不同城市各工程框架保护装置的功能配置及性能各异，差异较大，有的框架电流没有多段保护功能，有的没有电流的正反向判断功能，甚至有的动作电流根本就无法整定(固定值)等，给后期的长期运营维护带来了一定的麻烦。

以上改进，建议在各地的工程应用中进行明确要求，进一步保证工程的长期运营安全。

4 与钢轨电位限制装置的配合

在工程正线的各变电所内，均设置了钢轨电位限制装置，对钢轨与大地之间的电位进行限制。该电位与直流框架电压保护元件监测的电位关系基本是一致的，由于框架电压保护动作后仍然会跳闸本牵引所内的直流开关，影响牵引变电所的正常供电：因此为避免钢轨电位上升，框架电压保护误动作的情况，各工程中均与钢轨电位限制装置的动作进行匹配。

但在部分工程中，对钢轨电位的严重程度，以及其影响认识不足，对车辆段及停车场这种牵引变电所，认为没有乘客上下列车，临近牵引所库外区段的钢轨就没有设置钢轨电位限制装置，仅在库内有人员安全要求的区段设置了钢轨电位限制装置。由于没有钢轨电位限制装置的提前钳制，在某些特殊情况下，车场库外的钢轨电位会出现瞬时抬高，甚至到达直流电压框架元件的动作整定值，导致车场牵引变电所全部退出运行的事故。

因此，为保证工程的安全运营，如车场的直流框架电压元件有保护动作出口跳闸的功能时，建议车场的牵引变电所内也均配置钢轨电位限制装置，并与直流框架电压元件的动作特性进行配合，避免其误出口动作影响车场的正常牵引供电。

5 柜体安装方式及框架保护配置建议

在牵引变电所直流馈线开关之后，还有包括上网开关、越区开关、分段开关，以及接触网可视化接地装置等相关直流供电设施。类似牵引网的上网开关及越区开关，有的工程采用的是单独设置电动隔离开关，在区间隧道内或者设备房间内部进行安装[6]；有的工程将这三个开关进行整合，采用上网隔离开关柜或者上网组合开关柜柜体的形式，在单独的设备房间内部安装，或者与牵引变电所的其他直流设施整合安装在同一个设备房间内[7]，如图3所示。

图3 上网及越区开关在变电所室内安装图 Figure 3 Installation of on grid and over-zone switch indoors

5.1 柜体安装方式分析

以上网及越区开关柜为例进行分析说明。在既有工程的实施中，主要有以下两种方式且均有工程采用。

1)绝缘安装。上网隔离(或组合)开关柜，对其进行绝缘安装，并与其他直流开关柜设施的柜体连接在一起，配置一套框架保护装置。

上网隔离(或组合)开关柜因为集成了上网隔离开关及越区供电开关，绝缘安装并配置框架保护装置后，如果出现对应的框架保护动作，一方面将本牵引所及相邻的两个牵引所全部退出运行，故障没有明确之前，有可能不能实现越区的大双边供电，导致线路停运，结果也是可能因为一个小故障，导致了线路停运的大事故，人为扩大了故障范围；另外一方面，如果不单独设置一套框架保护装置，在出现保护动作后，也无法准确定位故障是出现在什么柜体范围内，导致故障查找及恢复供电的时间延长。

因此，该安装方式在一定程度上对工程的安全可靠运营带来隐患，存在一定的争议。

2)不绝缘安装。从电气回路供电范围来理解，因为柜体内存在越区开关的缘故，也可视该柜体属于牵引网的一个部分。开关柜采用直接接地方式安装，通过牵引所直流馈线的保护装置保证其运行安全。如出现内部绝缘损坏的小概率事件，更换相关设施即可，最大限度地实现牵引网的上网供电以及越区供电，保证运营安全。

但因该柜体理论上也是属于直流牵引配电装置，如仅从目前《地铁设计规范》的文字要求来理解，对于是否也需要采用绝缘安装并配置框架保护装置，在各地的实施过程中也存在一定的争议。

5.2 柜体安装方式建议

1)不绝缘安装，装置直接接地。因上网隔离(或组合)开关柜与牵引网的运行方式直接相关，从供电范围考虑，最大限度保证工程运营安全，简化系统保护配置，结合较多工程的实际运营情况，可以采用直接接地的安装方式。其常规的绝缘状况检查，视其为牵引网的一部分，同步进行常规的巡检测试，保证设施安全。

为进一步避免争议，建议将其安装位置与牵引变电所的其他设备分开，设置在车站端头上网点附近独立的房间内，与接触网可视化接地装置等设施安装在一起。

当上网隔离(或组合)开关柜内部出现绝缘故障，尽管通过各地运行情况的调研，该类型绝缘故障出现的概率极低，如发生直流正极与壳体短路的严重故障，作为牵引网故障，保护装置动作后，正常快速处理排除故障即可；对于装置内部有可能出现的绝缘性能下降的故障隐患，因不会直接影响牵引网的正常供电，可以采用超声波和地电波检测法对局部放电进行检测，通过正常的状态巡检以及绝缘测试去发现。

2)绝缘安装，独立配置框架保护装置。针对目前规范的条文及解释，为避免争议，该柜体也可以采用绝缘安装；但应尽量与牵引变电所内的其他直流供电设施分开，独立配置一套框架保护装置。

为最大限度地保证线路的运营安全，该套框架保护装置可仅作为装置绝缘状况在线监测的报警使用，不参与保护出口跳闸；如出现类似直流正极与壳体短路的严重故障，可视为牵引网侧故障，由相应直流馈线开关的保护装置来实现保护选择性的动作功能，避免故障范围及影响程度的人为扩大。

上述建议，同样适合目前工程现场广泛安装的接触网可视化接地装置。