曹 莉

（上海地鐵維護(hù)保障有限公司供電分公司，200233，上海∥工程師）

減少城市軌道交通牽引變電站電流型框架保護(hù)動(dòng)作的技術(shù)措施

曹 莉

（上海地鐵維護(hù)保障有限公司供電分公司，200233，上海∥工程師）

介紹牽引變電站電流型框架保護(hù)動(dòng)作原理、特性，以及近4年來電流型框架保護(hù)在上海軌道交通牽引供電系統(tǒng)的動(dòng)作情況；分別從保護(hù)動(dòng)作次數(shù)、發(fā)生的線路情況、故障原因等3個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)合實(shí)際情況提出了減少牽引變電站電流型框架保護(hù)動(dòng)作的技術(shù)措施。

城市軌道交通；牽引變電站；電流型框架保護(hù)；技術(shù)措施

Author'saddressThe Power Supply Branch，Shanghai Rail Transit Maintenance，Co.，Ltd.，200233，Shanghai，China

電力牽引供電系統(tǒng)是城市軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分。牽引供電系統(tǒng)的各種保護(hù)設(shè)備對整個(gè)供電系統(tǒng)顯得尤為重要，其中，框架保護(hù)又是牽引供電系統(tǒng)中的一個(gè)重要保護(hù)手段。框架保護(hù)可以起到中斷牽引變電站直流供電輸出的作用。根據(jù)框架保護(hù)動(dòng)作的原理，框架保護(hù)可分為電流型框架保護(hù)和電壓型框架保護(hù)。其中電流型框架保護(hù)發(fā)生后會(huì)使一個(gè)供電區(qū)段內(nèi)接觸網(wǎng)停電，影響故障區(qū)段線路的正常運(yùn)營，嚴(yán)重情況下可引起變電站內(nèi)設(shè)備受損，造成線路部分停運(yùn)。因此，減少框架保護(hù)動(dòng)作次數(shù)是非常有必要的，特別是要減少電流型框架保護(hù)次數(shù)。這對變電站電力設(shè)備的可靠運(yùn)行和列車的安全、正點(diǎn)運(yùn)行具有重大意義。

1 框架泄漏保護(hù)原理及作用分析

1.1 框架泄漏保護(hù)原理及保護(hù)作用范圍

1）電壓型框架保護(hù)：電壓型框架保護(hù)檢測回路接在負(fù)母線與接地極之間。當(dāng)直流供電系統(tǒng)任何一處發(fā)生正極對地絕緣降低或短路，保護(hù)裝置檢測到的電壓大于或等于定值時(shí)，保護(hù)裝置瞬時(shí)動(dòng)作，切除全部有關(guān)的斷路器。電壓型框架保護(hù)動(dòng)作范圍為跳開本站2臺(tái)整流變壓器開關(guān)及全部直流開關(guān)，同時(shí)聯(lián)跳鄰站相應(yīng)的直流開關(guān)，但不發(fā)出持續(xù)閉鎖信號(hào)。電壓型框架保護(hù)將先于各個(gè)變電站鋼軌電位限制裝置一階段設(shè)定值進(jìn)行工作，以防止設(shè)備絕緣擊穿，避免嚴(yán)重的事故。

2）電流型框架保護(hù)：直流設(shè)備的框架（外殼）采用了單點(diǎn)經(jīng)電流繼電器或分流器接地的方式。直流開關(guān)及母線的外殼通過電纜與整流器柜外殼連成一體，在負(fù)極柜設(shè)置接地。采用這種方式接地的目的有2個(gè)：①監(jiān)測電極（尤其是正極）是否對外殼放電；②通過對這個(gè)單一接地放電點(diǎn)的電流進(jìn)行預(yù)設(shè)，可以在框架泄漏電流達(dá)到最大放電電流前發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，使任何能往該故障框架供電的交直流開關(guān)跳閘，以減輕設(shè)備絕緣損壞的程度。電流型框架保護(hù)動(dòng)作范圍為跳本站2臺(tái)整流變壓器開關(guān)及全部直流開關(guān)，同時(shí)聯(lián)跳鄰站相應(yīng)的直流開關(guān)，并且發(fā)出持續(xù)閉鎖信號(hào)。鄰站直流開關(guān)恢復(fù)送電需在本站故障信號(hào)復(fù)位后方可執(zhí)行。目前，新建線路已取消電流型框架保護(hù)動(dòng)作后對鄰站的閉鎖功能，如上海軌道交通6、8、9號(hào)線。

1.2 框架保護(hù)的動(dòng)作原理及作用

在直流開關(guān)帶電設(shè)備對直流柜柜體發(fā)生泄漏或絕緣因損壞而降低時(shí)，原有的直流保護(hù)起不到應(yīng)有的作用，為保護(hù)直流設(shè)備的安全、及時(shí)切除直流設(shè)備內(nèi)的各種短路故障，故設(shè)置了直流框架保護(hù)。一旦直流開關(guān)帶電設(shè)備對直流柜柜體發(fā)生泄漏或絕緣損壞，則框架保護(hù)動(dòng)作，使有關(guān)直流開關(guān)跳閘斷電，以有效切斷故障，從而保護(hù)了設(shè)備的安全。

1）電流型框架保護(hù)動(dòng)作原理：如圖1所示，電流檢測元件接在絕緣的開關(guān)柜（在圖1的直流設(shè)備內(nèi)）外殼和變電所接地網(wǎng)之間，有一個(gè)分流器作為泄漏電流采樣之用。直流系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，電流檢測回路沒有電流通過。當(dāng)任意一個(gè)直流設(shè)備內(nèi)正極對外殼短路時(shí)，接地電流通過電流檢測元件流入地網(wǎng)，再通過鋼軌與地之間的絕緣泄漏電阻或排流柜回到鋼軌（負(fù)極）［1］。當(dāng)接地電流達(dá)到整定值時(shí)，使電流檢測元件動(dòng)作，啟動(dòng)電流型框架保護(hù)。

圖1 框架泄漏保護(hù)及鋼軌電位限制裝置接線圖

2）電壓型框架保護(hù)動(dòng)作原理：如圖1所示，電壓檢測元件的一端接于直流電源負(fù)極，另一端接設(shè)備外殼。電壓檢測元件有2種功能，第一階段是報(bào)警，第二階段是跳閘。當(dāng)正極對外殼短路，且直流設(shè)備內(nèi)負(fù)極電位對地出現(xiàn)偏差時(shí)，外殼電位升高，電壓檢測元件會(huì)在鋼軌和地之間檢測到一個(gè)電壓，當(dāng)這個(gè)電壓大于電壓檢測元件整定值時(shí)，則啟動(dòng)電壓型框架保護(hù)。

1.3 電流型與電壓型框架保護(hù)的比較

在城市軌道交通牽引直流供電系統(tǒng)中，框架保護(hù)通常同時(shí)設(shè)有電壓型框架保護(hù)和電流型框架保護(hù)2種類型。因牽引變電站發(fā)生電流型框架保護(hù)動(dòng)作時(shí)，本站直流開關(guān)4臺(tái)全部動(dòng)作，同時(shí)聯(lián)跳鄰站相應(yīng)的直流開關(guān)，且對鄰站直流開關(guān)發(fā)出持續(xù)閉鎖信號(hào)，這會(huì)造成一個(gè)區(qū)段的接觸網(wǎng)失電而直接中斷該區(qū)段列車運(yùn)行。電壓型框架保護(hù)動(dòng)作時(shí)，較新建造的線路（如上海軌道交通6、7、8號(hào)線）只跳開本站牽引整流變開關(guān)及直流開關(guān)，鄰站相應(yīng)的直流開關(guān)不動(dòng)作；老線（如上海軌道交通1、2號(hào)線）的電壓型框架保護(hù)動(dòng)作時(shí)，鄰站相應(yīng)的直流開關(guān)動(dòng)作，但不閉鎖，故障信號(hào)復(fù)位后，方可對鄰站的直流開關(guān)恢復(fù)送電，不會(huì)造成一個(gè)區(qū)段5 min以上的接觸網(wǎng)失電，也不會(huì)引起列車運(yùn)行的中斷。所以，就2種類型的框架保護(hù)帶來的后果嚴(yán)重性，本文將重點(diǎn)分析電流型框架保護(hù)情況，分析減少及避免電流型框架保護(hù)動(dòng)作的技術(shù)措施。

2 電流型框架保護(hù)動(dòng)作情況分析及預(yù)防措施

2.1 電流型框架保護(hù)動(dòng)作次數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

現(xiàn)對上海軌道交通2010年—2013年共4年的全網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行線路牽引變電站的繼電保護(hù)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總。其中，專項(xiàng)統(tǒng)計(jì)牽引變電站發(fā)生的電流型框架保護(hù)情況如表1所示。4年內(nèi)全網(wǎng)絡(luò)電流型框架保護(hù)共計(jì)發(fā)生15次，電流型框架保護(hù)動(dòng)作基本可控，牽引設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好。

表1 上海城市軌道交通牽引變電站發(fā)生的電流型框架保護(hù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知，2011年、2012年的電流型框架保護(hù)動(dòng)作比2010年明顯降低。這與部分線路牽引變電站整流柜內(nèi)部加裝絕緣擋板的技術(shù)改造措施有密切聯(lián)系。2013年電流型框架保護(hù)動(dòng)作明顯增加，較2012年同比增長68%。因此，研究減少電流型框架保護(hù)的技術(shù)措施，顯得尤為重要。

2.2 各線路電流型框架保護(hù)動(dòng)作情況統(tǒng)計(jì)

現(xiàn)對上海軌道交通各線路2010—2013年，牽引變電站發(fā)生電流型框架保護(hù)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，如圖2所示。

圖2 2010—2014年各線路電流型框架保護(hù)動(dòng)作分布情況

由圖2可見，2010—2013年電流型框架保護(hù)，并無規(guī)律可尋，運(yùn)營10年以上的線路和剛開通運(yùn)營1年的線路都有發(fā)生。從這點(diǎn)分析，電流型框架保護(hù)動(dòng)作與設(shè)備的新舊程度沒有直接聯(lián)系。根據(jù)發(fā)生的次數(shù)統(tǒng)計(jì)，主要集中在11號(hào)線、2號(hào)線、9號(hào)線、8號(hào)線，其中發(fā)生次數(shù)各為4次、4次、2次、2次。

現(xiàn)重點(diǎn)對上述4條線路牽引變電站的牽引直流設(shè)備、設(shè)備房的溫濕度、設(shè)備用房土建情況、電纜層封堵等各方面進(jìn)行分析，以查找多次發(fā)生電流型框架保護(hù)的故障原因。

2.3 電流型框架保護(hù)動(dòng)作發(fā)生的故障原因

根據(jù)2010—2013年上海城市軌道交通全網(wǎng)絡(luò)發(fā)生的15次電流型框架保護(hù)動(dòng)作情況，對其發(fā)生的故障原因進(jìn)行了逐一分析，總結(jié)歸納后發(fā)現(xiàn)主要集中在以下方面。

1）因設(shè)備房孔洞封堵存在隱患，小動(dòng)物（如老鼠）通過孔洞進(jìn)入整流器柜內(nèi)部，造成短路而引起柜內(nèi)快速熔斷器熔斷。

2）設(shè)備房因前期土建施工未到位，存在滲漏水情況。長期濕度過高（超過75%以上），整流器柜上方存在滲漏水點(diǎn)。因整流器柜上方是開放式的，滲漏水積聚較多時(shí)滴入整流器柜內(nèi)部，造成短路。前期設(shè)計(jì)施工考慮不周，部分牽引變電站整流器柜正上方有送排風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)口通過。夏季白天開啟車站冷水機(jī)組，夜間列車停運(yùn)期間關(guān)閉冷水機(jī)組，加之設(shè)備房的通風(fēng)系統(tǒng)與車站為一體，導(dǎo)致設(shè)備房形成晝夜溫差，易產(chǎn)生冷凝水（凝露）。若整流器柜上方有風(fēng)口開設(shè)，產(chǎn)生的冷凝水積聚到一定程度，將滴入整流器柜內(nèi)部，造成短路。

3）內(nèi)部元器故障，例如：因直流開關(guān)小車本體故障、測試接觸器絕緣擊穿、測試回路電纜線絕緣擊穿熔斷等，導(dǎo)致NC23、NC24開關(guān)損壞，使直流開關(guān)對地連接點(diǎn)絕緣下降，造成正極母排對外殼放電，引起保護(hù)動(dòng)作。

4）不同型號(hào)的直流開關(guān)內(nèi)部機(jī)械操作機(jī)構(gòu)不同，人為操作不當(dāng)也會(huì)造成電流型框架保護(hù)動(dòng)作的發(fā)生。

5）設(shè)備絕緣下降或其他原因也會(huì)造成電流型框架保護(hù)動(dòng)作的發(fā)生。例如：由于直流開關(guān)小車觸頭與母排接觸不夠緊密，導(dǎo)致接觸電阻較高，在運(yùn)行過程中，該接觸部位持續(xù)發(fā)熱，最終融化金屬部件；高溫同時(shí)造成柜體內(nèi)氣體分子活躍度大幅提高，致使空氣絕緣被擊穿，導(dǎo)致電流型框架保護(hù)動(dòng)作。

現(xiàn)將2010—2013年共計(jì)15次電流型框架保護(hù)動(dòng)作的故障原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖3所示。

圖3 2010—2014年電流型框架保護(hù)動(dòng)作原因統(tǒng)計(jì)

由圖3可以看出，在2010—2013年電流型框架保護(hù)動(dòng)作的故障原因中，小動(dòng)物進(jìn)入整流器柜內(nèi)、內(nèi)部元器件故障、設(shè)備房濕度過高引起滴露滴進(jìn)設(shè)備內(nèi)造成短路、人為操作不當(dāng)、整流設(shè)備絕緣下降等這5個(gè)原因引起的電流型框架保護(hù)動(dòng)作頻次較多?，F(xiàn)就如何避免這5方面故障發(fā)生的技術(shù)措施進(jìn)行探討。

3 減少電流型框架保護(hù)動(dòng)作發(fā)生的技術(shù)措施

為減少電流型框架保護(hù)動(dòng)作發(fā)生的主要技術(shù)措施如下。

1）由小動(dòng)物進(jìn)入整流器柜內(nèi)部造成短路，從而引起的電流型框架保護(hù)動(dòng)作對設(shè)備的損壞是嚴(yán)重的。針對防止小動(dòng)物進(jìn)入整流器內(nèi)部，可采取的技術(shù)措施有：①既有線路應(yīng)加強(qiáng)對變電站封堵情況的排摸檢查。每月進(jìn)行電纜層巡視檢查時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注整流設(shè)備的孔洞封堵狀況，發(fā)現(xiàn)孔洞應(yīng)及時(shí)封堵。②要求設(shè)備房房門緊閉，防止小動(dòng)物從車站公共部位竄入設(shè)備房內(nèi)，以免造成設(shè)備故障。③關(guān)注整流設(shè)備上方通風(fēng)系統(tǒng)管道封堵狀況。④在接管新線過程中，就應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注牽引設(shè)備房間的封堵，應(yīng)采用擋鼠板等輔助手段做好預(yù)防工作。

2）要嚴(yán)格控制牽引設(shè)備房的濕度，當(dāng)濕度超過75%時(shí)，必須開啟設(shè)備內(nèi)的加熱器，以免濕度過高引起電流型框架保護(hù)動(dòng)作。同時(shí)，應(yīng)關(guān)注整流器柜上方是否有風(fēng)管或者消防報(bào)警系統(tǒng)設(shè)備。因車站白天、晚上制冷系統(tǒng)開啟、關(guān)閉時(shí)，易產(chǎn)生冷凝水，而整流器柜上方為開放性設(shè)備，若冷凝水滴入，則易造成電流型框架保護(hù)動(dòng)作。若整流器柜上方有其他設(shè)備，一般均采取相應(yīng)的防護(hù)措施，如加裝復(fù)合材料型隔離板等。按照上海申通地鐵集團(tuán)的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，明確牽引變電站整流器柜（以及其他電力設(shè)備）上方禁止有管線穿越，如確需穿越，則需保留一定的安全間距。

3）為防止整流設(shè)備內(nèi)部故障和絕緣下降，運(yùn)行和檢修人員應(yīng)該嚴(yán)格按照運(yùn)行規(guī)程、設(shè)備檢修規(guī)程定期對整流器進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)和測試，以確保設(shè)備運(yùn)行的安全穩(wěn)定。同時(shí)，整流器制造廠家應(yīng)加強(qiáng)對整流器的關(guān)鍵元器件進(jìn)行工廠測試，針對壓敏電阻和阻容吸收回路的時(shí)間參數(shù)進(jìn)行測試，以進(jìn)一步優(yōu)化整流器的系統(tǒng)參數(shù)。為減少整流器內(nèi)過電壓放電的故障，建議廠家在安裝條件合適的情況下，將整流器的內(nèi)部空間適當(dāng)放大，從而加大帶電部分與框架的空間距離，以增加設(shè)備的安全運(yùn)行間距。

4）為減少人為因素造成的保護(hù)動(dòng)作，必須從設(shè)備停送電的組織措施和技術(shù)措施著手，嚴(yán)格按照電氣設(shè)備操作的安全規(guī)定進(jìn)行工作。強(qiáng)化現(xiàn)場工作負(fù)責(zé)人和監(jiān)護(hù)人的作用，重要施工及多步操作必須由2人執(zhí)行，1人操作、1人監(jiān)護(hù)，互相把控。同時(shí)，施工前必須做好相應(yīng)的安全交底，操作人員明確本次施工的安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)如何控制。

5）在整流器柜內(nèi)部側(cè)面加裝絕緣擋板，通過安裝絕緣擋板來增加整流柜母排對外殼的絕緣程度，減少電流型框架保護(hù)動(dòng)作的次數(shù)。目前，上海軌道交通2號(hào)線龍陽路停車場牽引站已做了相應(yīng)改造，安裝了絕緣擋板并在整流器柜的安裝支架上加裝了絕緣護(hù)套，很好地提升了絕緣效果。自改造后該站未發(fā)生過電流型框架保護(hù)動(dòng)作。

4 結(jié)語

本文通過介紹電流型框架保護(hù)的工作原理以及近4年上海城市軌道交通牽引變電站的電流型框架保護(hù)動(dòng)作的情況統(tǒng)計(jì)分析，提出了減少電流型框架保護(hù)動(dòng)作的相應(yīng)技術(shù)措施，以供同行們參考。

［1］ 丘玉蓉，田勝利.地鐵直流1 500 V開關(guān)柜框架泄漏保護(hù)探討［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2001（25）：14.

［2］ 廣州地鐵公司.廣州地鐵1號(hào)線牽引供電（框架保護(hù)）安裝試驗(yàn)報(bào)告［R］.廣州：廣州地鐵公司，1998.

On Technical Measures to Reduce Current Type Frame Protective Action in Urban Rail Transit

Cao Li

The principle and characteristics of the current type frame protection in traction substation，the situation of the current frame protective action in traction power supply system of Shanghai metro in the past 4 years are introduced.Three main aspects：action time，occurred lines and failure causes are statistically analyzed.Moreover，combined with the actual situation，some technical measures to reduce the current type frame protective action in traction substation are proposed.

urban rail transit；traction substation；current type frame protection；technical measures

U 224.4

2014-04-22）