城市轨道交通专用轨回流系统框架泄漏保护分析

2024-01-08刘爱华刘大伟

电气化铁道 2023年6期

王龙，刘爱华，刘大伟

0 引言

在城市轨道交通供电系统中，为了保障人身和设备安全，变电所内所有交流系统设备均接于由接地扁钢、电缆金属铠装、接触网架空地线等构成的综合接地系统，实现设备可靠接地。而为了减少或控制杂散电流对地铁主体结构、道床结构钢筋等金属体的电化学腐蚀，及减少对沿线其他市政金属管线的侵蚀，走行轨回流系统中的直流供电系统设计为不接地系统，直流设备和钢轨均采用绝缘安装。为了保证直流设备正极发生碰壳故障时的人身和设备安全，直流系统中设置了框架泄漏保护，该保护装置一般由电流元件和电压元件组成。

近些年，在宁波、绍兴等地开始探索负极采用类似三轨形式的专用轨回流制式，其与大地绝缘，绝缘水平接近正极。

1 走行轨回流系统中的框架泄漏保护

在走行轨回流系统中，框架泄漏保护的电流元件和电压元件接线如图1所示。

图1 框架泄漏保护接线（走行轨回流系统）

电流元件是一个可承受100 kA短路电流而电阻值只有0.15 mΩ的低阻抗元件，一端接于绝缘安装的直流设备外壳，另一端与变电所接地网单点连接，成为绝缘安装范围内设备发生正极对外壳故障时泄漏电流的唯一通路。电压元件是一个连接于直流设备负极与设备外壳之间的高阻抗元件，由于设备外壳通过低阻抗电流元件与地网连接，故电压元件实时检测的是负极与大地之间的电压。

框架泄漏保护是针对直流正极对外壳发生故障时的保护措施，同时对于接触网对架空地线故障时也能起到保护作用。

当发生直流正极对外壳故障（故障1）时，故障电流的路径为正极外壳电流元件大地泄漏电阻钢轨负极，故障电流经过电流元件。若故障电流超过电流元件的电流设定值，则立刻启动相应的断路器跳闸，切除故障。由于钢轨与地之间的泄漏电阻具有不确定性，因此故障电流可能达不到电流设定值，此时电流元件不启动。

另外，大地与钢轨之间还连接着钢轨电位限制装置，大地与负极之间还连接着排流柜。钢轨电位限制装置的闭合和排流柜的投入均为大地与钢轨之间的故障电流提供良好的通路，利于电流元件动作。在钢轨电位限制装置异常、排流柜退出，大地与钢轨之间的绝缘也还良好时，故障电流将无法启动电流元件。此时，电压元件将检测到负极与大地之间电压升高，当检测电压大于设定值时，则延迟启动相应的断路器跳闸，切除故障。

当发生接触网对架空地线故障（故障2）时，即直流正极对地短路，故障电流的路径为正极接触网架空地线大地泄漏电阻钢轨负极，故障电流不经过电流元件。而钢轨电位限制装置OVPD和电压元件将检测到大地和钢轨之间的电压升高。在目前走行轨回流系统中，OVPD的整定曲线一般处于电压元件的整定曲线之下，二者同时检测到电压时OVPD先启动。当OVPD异常时，电压元件延迟启动相应的断路器跳闸，切除故障。

由分析可知：在走行轨回流系统中，框架泄漏保护是正极对外壳故障时的保护措施，电流元件是主保护，电压元件是后备保护；电压元件也是接触网对架空地线故障时的必要保护，不可以取消。

2 专用轨回流系统对比走行轨回流系统的主要变化

专用轨回流系统与走行轨回流系统相比，最大的差异是增加了1条对地绝缘（与正极对地绝缘水平相当）安装的专用回流轨，专门用于牵引电流向变电所负极的回流；原来兼作回流的走行轨只提供车辆的走行和导向功能，由此不仅没有必要因防止回流泄漏而进行绝缘安装，而且还需为保证人身安全而在变电所内进行接地连接。在此变化之下，接地的走行轨与大地之间也没有设置OVPD的需求，彻底杜绝杂散电流后也没有设置排流柜的必要。同时，为了提供大地向负极方向的短路电流通路，牵引所在大地与负极之间增设单向导通装置[1]。此外，为防止发生车辆故障停运而其他区间仍有车辆运行时专用回流轨因可能存在低电位对乘客疏散或人员抢修造成触电风险，车站变电所内增设回流轨接地装置，实现故障区间回流轨的短时接地，以保证人身安全。

除此之外，车辆外壳仍通过钢制车轮接触钢轨后直接与走行轨接触，在走行轨回流系统中车辆外壳与负极等电位，而专用轨回流系统中车辆外壳与大地等电位。

两种回流系统方案如图2、图3所示。

图2 走行轨回流系统

图3 专用轨回流系统

3 专用轨回流系统中接地故障短路电流路径分析

由于框架泄漏保护仅与接地故障（包括正极对设备外壳故障）密切相关，故下文只对各种类型的接地故障（包括正极对设备外壳故障）进行分析。分析中，专用轨回流系统的框架泄漏保护接线方式按与走行轨回流系统相同考虑。

在专用轨回流系统中，发生如前述走行轨回流系统中的2种故障时：

（1）直流正极对外壳发生故障（故障1）。故障电流的路径为正极外壳电流元件大地单向导通装置负极，故障电流经过电流元件，连接外壳和负极之间的电压元件检测到的电压为单向导通装置的导通电压。

（2）接触网对架空地线发生故障（故障2）。故障电流的路径为正极接触网架空地线大地单向导通装置负极，故障电流不经过电流元件，电压元件同故障1。

在专用轨回流系统中，还存在由于车辆与大地等电位而导致的如下接地故障：

（1）接触网对车辆外壳故障（故障3）。故障电流的路径为正极接触网车辆外壳钢制车轮走行轨大地单向导通装置负极，故障电流不经过电流元件，电压元件同故障1。

（2）车辆内正极对车辆外壳故障。当故障点发生在车内直流断路器的上口时（故障4），故障电流的路径与接触网对车辆外壳故障（故障3）时的路径相同，故障电流同样不经过电流元件，电压元件同故障1；当故障点发生在车内直流断路器的下口时（故障5），故障电流的路径为正极接触网车内直流断路器车辆外壳钢制车轮走行轨大地单向导通装置负极，故障电流也不经过电流元件，电压元件同故障1。

（3）在走行轨回流系统中最常见的接触网断线搭在走行轨上正负极之间的短路故障，在专用轨回流系统中，也由于走行轨在每个变电所内接地而实质为直流正极的接地故障（故障6）。此时故障电流的路径为正极接触网走行轨大地单向导通装置负极，故障电流也不经过电流元件，电压元件同故障1。

4 专用轨回流系统中接地故障的保护措施

通过对上述6种接地故障的故障电流路径分析不难发现，只有直流正极对外壳发生故障（故障1）时故障电流流过电流元件，且回路中除正极对外壳之间有可能出现非金属性短路的绝缘闪络外，短路通路均为低阻抗通路。由此，短路路径的回路电阻值可基本确定，并能够保证电流元件启动，触发相应断路器跳闸以切除故障。

而故障3至故障6，由于在专用轨回流系统中车辆外壳、走行轨与大地等电位，短路电流路径均与接触网对架空地线的故障2类似，从正极出发经接触网到车辆外壳、钢制车轮、走行轨至大地，或直接经走行轨到大地，或经架空地线到大地，最后通过单向导通装置回到负极。此时，正负极之间形成完整的短路回路，且不流经电流元件。正负极之间短路电流启动故障区间两端馈线断路器的保护，触发断路器跳闸切除故障。其中对于故障5，车辆内正极直流断路器下口对车辆外壳短路时，短路电流同样启动车内直流断路器跳闸切除故障。因此，变电所内馈线断路器除在发生故障5时会由于车辆内直流断路器跳闸切除故障而通过线路测试、重合闸成功恢复供电外，发生其余4种故障（故障2、故障3、故障4、故障6）时均无法重合闸。

至于连接于设备外壳和负极之间的电压元件，在故障1至故障6中，检测电压均被钳制为单向导通装置的导通电压，不会启动。

5 专用轨回流系统中框架泄漏保护分析

通过以上分析可以看出，专用轨回流系统中大地与负极之间的单向导通装置，一方面解决了走行轨回流系统中大地与钢轨之间不可确定的泄漏电阻导致电流回路电阻偏大、不利于电流保护启动的问题，使得大地与负极之间形成了单向可控的低阻抗通路，为短路电流提供了通畅的流通路径，另一方面造成了大地与负极之间的电压被钳制，不容易被识别的问题。换一种解释，专用轨回流系统类似于排流柜投入运行的走行轨回流系统，其单向导通装置等同于走行轨回流系统中的排流柜。

由此，专用轨回流系统中，只有变电所内直流正极对外壳的故障才会由框架泄漏保护的电流元件动作，启动相关断路器跳闸切除故障，而接触网的各种接地故障均与框架泄漏保护无关，只能由直流馈线的电流保护完成。框架泄漏保护的电压元件由于被单向导通装置钳制而失去作用，故在专用回流轨系统中无需设置电压元件。在专用轨回流系统中，框架泄漏保护接线见图4。