对于北京地铁牵引系统框架泄漏保护设置的改进意见

贾立斌

（北京地铁供电分公司 北京 102218）

框架泄漏保护是直流供电系统特有的一种继电保护类型，在北京地铁不同电压等级的直流牵引系统中都得以广泛运用，是地铁直流供电系统中为保障设备和人身安全的必要手段。但随着北京地铁的发展，地铁运营在城市建设和公共交通中的作用日益增重，又因北京作为首都的特殊性，北京地铁在各种节日和重大活动中需要起到为重大节假日保驾的作用。框架泄漏保护一旦动作，其恢复时间长且影响范围广的负面影响在当今严格的运营要求下显得格格不入。本文以北京地铁7 号线为例，通过分析框架泄漏保护的原理和作用，在其检测方式和动作范围上，针对北京地铁的特殊需要，提出了改进意见和方案，以更好地满足地铁运营的要求。

1 1500V供电系统的构成和供电方式

7号线牵引供电网采用DC1500V下接触轨授电和走行轨回流的方式。DC1500V牵引供电系统主要由整流机组、直流正负极开关设备、馈线、隧道柜、接触三轨、走行钢轨、回流电缆、均流电缆、排流柜和钢轨电位限制装置等组成。每座牵引变电所设两套整流机组（变压器—整流器），牵引变电所10kV侧采用单母线分段接线，两套AC10kV/DC15000V12脉波整流机组并连接在同一段10kV 母线上，构成等效24 脉波整流向牵引网供电，以减少注入牵引供电系统的高次谐波。牵引变电所DC1500V侧母线为单母线接线方式，标准站每座牵引变电所设置4 个馈出开关，分别向上下行接触轨的左右两个供电区段供电，站站相连，最终形成每个供电区段都有两个变电站从两侧同时供电的双边供电方式。牵引变电所出口设纵联断路器，特殊情况下，用于实现跨越变电站的大双边供电。

2 框架保护的原理

在直流牵引系统中，由于设备框架设置为对地绝缘安装，框架泄漏保护装置可用来降低直流牵引系统中各设备框架的对地电压，限制高压设备与框架间绝缘降低或发生搭接时引起的电压提升，并实时监测设备框架与接地点之间的电流和设备框架与直流负母线之间的电压。当达到动作定值时，框架泄漏保护动作切除故障点，从而保证人员和设备安全。其可分为电压型和电流型两种［1］。

2.1 电流型框架保护

检测设备外壳和大地之间的电流值，即直流设备正极对外壳放电时对地的泄漏电流。当达到动作定值80A、延时超过2ms时，综合保护装置发出跳闸命令，使直流各分闸开关、总闸开关和整流机组的输入开关跳闸，并联跳和闭锁邻站与故障站对应的分闸开关，闭锁信号在4s 后自动消失，以彻底切除故障点，保障设备和人身安全。

2.2 电压型框架保护

检测负极和设备外壳之间的电位差（由于设备外壳单点接地也可视为负极与地之间的电位差，即“轨电位”），并与轨电位限制装置相配合，与后备保护类似，作为轨电位因故障和其他原因不能动作的后备措施。当达到动作定值时（见图1），综合保护装置发出跳闸命令，使直流各分闸开关、总闸开关和整流机组的输入开关跳闸，但不联跳、不闭锁邻站分闸开关，起到限制走行轨与大地之间电压的作用，以保证人身安全。

图1 电压型框架保护动作定值

3 框架保护的检测方式

3.1 电流型框架检测

当牵引变电站框架保护范围内采用绝缘安装的设备，正极对外壳发生短路时，短路电流流经框架外壳、接地电缆及分流器、排流网，最后经过列车走行轨（走行轨为了减少杂散电流安装，有对地的绝缘层，但依然不可避免地存在绝缘泄露电阻）或排流柜，形成回路回到电源的负极，通过电流变送器配合分流器，将检测到的电流值传输给综合保护装置，如图2所示。

3.2 电压型框架保护的检测

当负极对地电压升高，电压模块检测到负极柜内负母排上的检测点和设备外壳之间的电压时，通过电压变送器，配合电压模块，将检测到的电压值传至综合保护装置，如图2所示。

图2 框架保护检测原理示意图

4 电压型框架保护与轨电位的关系

电压型框架检测的是电源负极对设备外壳之间的电压，设备外壳同时通过分流器接地；钢轨电位限制装置检测的是钢轨对地的电压。框架保护装置与轨电位装置的检测方式相同，只是检测的接线略有不同。在保护定值的设置上，电压型框架保护要滞后于钢轨电位限制装置，正常情况下，轨电位装置优先动作。当其发生故障不能动作，检测电压升高到电压型框架保护的定值时，电压型框架保护再进行报警、动作跳闸，此时，电压型框架保护可视为钢轨电位限制装置的后备保护［2］。

5 框架泄漏保护在实际运行中的缺点

当电流型框架保护动作后，故障所在的变电站的两台整流机组交流进线开关、两台直流进线开关、四台直流馈线开关全部跳闸，且分别联跳相邻变电站与之相对应的4 个直流馈线开关并闭锁。一旦出现此故障，会立即致使故障变电站所涉及的两个牵引供电区段中止供电，虽然能有效地切除故障点，但其停电范围之广、影响范围之大、恢复时间之长，对于运营压力日益增加的北京地铁无疑会产生严重的负面影响。

6 解决方案

目前，框架泄漏保护的电压和电流值的检测是全部汇集到负极柜一处进行的，再通过电压和电流变送器传导至保护装置，即将两台整流柜和直流开关、柜负极柜、端子柜用电缆相连形成一个整体框架进行检测。为了减少框架保护动作造成的影响，同时又能更好地达到有选择性地切除故障点的继电保护作用，可以将原整体框架分开形成3 个独立的框架，并增加两套电流互感器和电流变送器，对框架分别进行检测［3-4］，如图3所示。

图3 框架保护检测回路示意图

6.1 改变框架结构

将原来由两台整流柜和直流进线及馈线开关柜、负极柜及端子柜（以下简称直流开关柜）通过电缆连接做成的整体框架分割为1#整流柜、2#整流柜、直流开关柜3部分。

6.2 增加检测点和检测设备

给两台整流柜分别加装分流器和电流变送器，形成两套独立的电流型框架保护用的检测单元，但在实际的安装中，需将两套检测单元设置在负极柜内而非整流柜，主要出于以下3个原因。

6.2.1 安装成本

原设备有两条电缆，将两台整流柜分别与直流开关柜的框架相连并最终接地。若将新增检测单元设置在整流柜内，需要拆除电缆，增加两处接地点，增加二次接线至负极柜的保护装置；若设置在负极柜内，仅需拆下负极柜内电缆，增加检测单元，最终接至负极柜内原接地点接地，相对于前者，极大地减少了施工量和降低了施工难度，并减少成本。

6.2.2 对原设备影响及施工风险

将新增检测单元设置在负极柜内，原整流柜处设备无须新增或减少，无须大范围拆除、新增电缆，也无须增加接地点，极大地减少了对原设备的影响和施工过程中产生的安全和运营风险。

6.2.3 减少可能出现的故障

鉴于运行中的整流柜内发热量大、变送器设计精密对环境温度要求较高，设置在整流柜内，会影响检测设备的安全、有效运行。

6.3 调整电流型框架泄漏保护的动作范围

6.3.1 一台整流柜故障

当某一台整流柜出现电流型框架保护达到定值时，保护装置发出命令，断开此整流柜的AC10KV三相交流进线开关和DC1500V 直流进线总开关，此时，变电所暂时单机组运行，由另一台整流机组带本站全部直流负荷，待检修人员到达现场，根据现场情况调整运行方式。

6.3.2 两台整流柜故障

当两台整流柜在某一时间段内先后或同时发生电流型框架动作时，两台交流进线开关和两台直流进线总开关全部断开，但直流馈线断路器不跳闸，此时，故障站通过直流正母线形成越区供电的运行方式，达到接触网不间断供电，不影响列车运行的目的［5］。

6.3.3 直流开关柜故障

当直流开关柜发生电流型框架动作时，保护装置发出命令，断开两台整流柜的10kV三相交流进线开关和两台1500V 直流馈线总开关及各直流馈线开关，同时联跳两边临站对应的直流馈线开关并闭锁，4s后，通往临站的闭锁信号自动返回，此时，可以退出故障站各上网隔离开关柜，投入越区开关柜和临站各馈线开关，实现大双边供电，恢复区间牵引网供电，待电流框架故障修复后，方可重新投入恢复双边供电［6］。

当整流柜处出现电流型框架动作时，相对于原检测方式，通过对框架保护设置的改进，减少了停电范围，能更好地满足地铁的运营要求，如表1所示。

表1 跳闸范围对比表

7 结语

本文通过分析框架泄漏保护的设置原理、检测方式、和跳闸范围，并加以调整和改进，最终形成了可以有效减少框架保护动作对牵引网产生影响的改进方案。

改进方案对原设备框架进行分割并随之增加检测点，当故障产生时，用以缩小故障范围，并相对应地将电流型框架保护的动作范围进行了调整。相对于原电流型框架保护一经动作即会导致故障站左、右两个直流牵引区段同时失电，造成接触网大面积停电列车无法运行，本方案大大减少了整流柜处出现电流型框架保护动作时对区间供电的负面影响，保障了牵引网的不间断供电，能够达到减少框架泄漏保护动作对地铁列车运行影响的目的。

由于等效24 脉波机组是由两套12 脉波整流变压器机组并联形成，当其中一套整流机组退出运行形成单机组供电时，会对供电系统的安全稳定运行产生影响。考虑到此影响，可以将两台整流柜合并成一个框架，采用两台整流柜同时故障动作的运行方式。但短时间的单机组运行和两台机组同时退出通过直流正母线越区供电，这两种运行方式在同时满足设备安全稳定运行和保障牵引网供电能力上应如何选择，还需未来继续分析研究。