地铁直流牵引供电系统OVPD投入时的框架泄漏保护研究

姜 睿

甘肃省旅游投资集团有限公司，甘肃 兰州 730060

0 引言

框架泄漏保护是地铁直流牵引供电系统中的重要保护装置，是检修人员作业的安全防线[1]。文章从框架保护的原理、设置等方面进行阐述，分析了钢轨电位限制装置（OVPD）投入时框架泄漏保护存在的问题。

1 框架泄漏保护的原理

框架泄漏保护又被称为直流接地保护。在整个牵引供电系统中，直流设备整体对地采用绝缘安装，经保护接地装置将所有直流供电设备外壳连接在一起，通过负极柜经一点与接地网连接[2]。在直流开关柜内，正极、负极母排采用悬浮安装方式，若故障状态下正极母排对设备外壳放电或造成短接时，其接地产生的短路电流由于受接地电阻的制约，不足以使开关本体大电流脱扣、Imax等保护动作。此时，直流设备外壳与正极母排保持相同电位，当人体触碰到直流设备外壳时会有电流经过人体形成通路，危及其生命安全，因此设置了框架泄漏保护[3]。

框架泄漏保护可以分为电压型和电流型两种保护。电流型框架保护是在负极柜保护接地与接地网之间安装电流元件，当正极母排发生对外壳放电或短接故障时，负极柜内电流测量元件会检测到有大电流流过，超过保护装置整定值时，分别向交、直流断路器发出跳闸指令，同时联跳相邻牵引变电所向本区段并联供电的直流断路器。电压型框架保护是在负极母排与保护接地之间安装电压测量元件，测量负极与接地网之间的电压值。由于负极母排是通过钢轨回流，即等效为检测钢轨对地之间的电压值，当电压值超过整定值时，电压型框架保护分别向交、直流断路器发出跳闸指令，同时联跳相邻牵引变电所向本区段并联供电的直流断路器。

当电流型框架保护装置故障时，会造成电流元件检测的电流值达不到整定值的要求，使保护装置无法启动。此时，电压元件检测到的电压值超过整定值，分别向交、直流断路器发出跳闸指令，同时联跳相邻牵引变电所向本区段并联供电的断路器。因此，在排流柜、钢轨电位限制装置（OVPD）都不投入的情况下，电压型框架保护可以作为电流型框架保护的后备保护。

2 OVPD投入时的框架泄漏保护

当OVPD投入使用时发生框架泄漏故障，电流型框架保护启动存在两种情况。（1）钢轨对地绝缘水平低，泄漏电阻较低时，泄漏电流通过“正极—外壳—接地网—钢轨—负极”形成电流通路，电流元件启动，保护动作跳闸。（2）钢轨对地绝缘良好，钢轨对地的泄漏电阻大，泄漏电流较小时，电流元件无法启动，此时，钢轨对地电位升高，轨电位限制装置合闸，则泄漏电流通过“正极—外壳—接地网—OVPD—钢轨—负极”形成电流通路，电流元件启动，保护动作跳闸。框架泄漏保护接线图如图1所示。

图1 框架泄漏保护接线图

电压型框架保护与OVPD检测电压值的位置相同，只是整定值不同。钢轨对地电压上升时，达到OVPD电压整定值，轨电位限制装置动作，接通大地与钢轨。若OVPD拒动后，电压型框架保护会动作，跳闸并切除故障。

3 框架泄漏保护存在的问题

（1）接触网对架空地线短路时，假设短路故障发生在靠近A牵混所处，211开关电流元件检测到大电流，同时钢轨对地电位上升，框架电压检测元件会检测到较高电压值，如图2所示。

图2 接触网对架空地线短路示意图

正常情况下，211开关大电流脱扣保护或Imax保护动作，跳开211开关，同时向B牵混所的213开关发送联跳信号，跳开213开关，接触网失电，切除故障。

当A牵混所211开关拒动时，A牵混所电压元件会检测到较高电压值，轨电位限制装置动作接通大地和钢轨，相当于负极对地电位相等，电压元件检测不到电压值，电压型框架保护不会动作。B牵混所213开关在检测到故障电流后Imax或δI保护动作，跳开213开关，并向A牵混所211开关发送联跳信号，由于A牵混所211开关拒动，导致开关无法跳闸。此时，故障电流仍然存在，A牵混所201、202开关在检测到故障电流达到整定值时，会跳开201、202开关，同时正极母排上所有馈线开关会反向向正极母排供电，由正极母排向故障点流出短路电流，在馈线开关达到其整定值全部跳开后，才能够全部切除故障电流，将故障区段隔离。

这种情况下故障可以被切除，但是由于来电方向过多，当故障切除后，经过时间过长，可能造成直流供电损坏、烧毁。若框架电压保护此时能够动作，那么可以最快时间切除故障，防止设备损坏、烧毁。

（2）发生框架泄漏时，正常情况钢轨对地电位升高，轨电位限制装置动作，将大地与钢轨接通，为故障电流提供良好的回流通路，框架保护电流元件检测到大电流，当超过整定值时，框架型电流保护动作，切除故障。

当框架保护电流元件故障无法检测到故障电流时，OVPD动作，将大地与钢轨接通，相当于负极对地电位相等，框架保护电压元件无法检测到电压值，只有有故障电流流过的开关本体保护来跳开开关，切除故障。

这种情况下，电压型框架保护本来应该作为后备保护来切除故障，但由于钢轨轨电位限制装置优先动作，导致电压型框架保护无法动作。依靠开关本体保护来切除故障，时间过长，会导致设备的损坏、烧毁。

（3）直流设备、接触网、电缆等设备在直流系统内发生的短路故障，电压型框架保护都会检测到升高的电压值，当达到整定值时，保护即会跳闸，切除故障。因此，电压型框架保护缺乏选择性，如果单从这一个保护而言，会造成误动作、扩大停电范围等问题。

（4）部分地铁运营公司在直流系统中会投入排流柜，以降低杂散电流的危害。排流柜投入后会为框架泄漏故障的故障电流提供一个回流通路，那么在发生框架泄漏故障时，框架保护电压元件无法检测到电压值，从而使电压型框架保护失去作用。

（5）运营时间较久的地铁公司，由于钢轨对地绝缘性能降低，钢轨与地之间的电位差值较小，当电位差低于框架电压的整定值时，框架电压保护无法启动，电压型框架保护因此失去保护作用。

4 结论

（1）在OVPD投入时的框架泄漏保护，由于OVPD整定值低于框架电压的整定值，当OVPD动作合闸之后，将会造成框架电压保护失去作用，后备保护存在的意义将不复存在。

（2）在OVPD投入时的框架泄漏保护，电流型框架保护装置故障后，OVPD会动作合闸，框架电压保护无法启动，只能靠故障电流流经的开关本体保护来切除故障，导致电流型框架保护无实际后备保护存在，框架电压保护无法正常启动。

（3）在OVPD投入时，电压型框架保护既不能有效切除牵混所内发生的短路故障，也不能切除牵混所外直流设备发生的短路故障，只能够对电压起到监测功能。

由此，建议在OVPD投入后，退出电压型框架保护，为电流型框架保护增设一个后备保护。例如，增设一套OVPD作为后备，当一套OVPD发生故障时，另一套OVPD启动，保护人身及设备安全，从而提高框架泄漏保护的可靠性。