劉建華 李 艷 劉 旭

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，221116，徐州//第一作者，副教授)

框架保護(hù)是地鐵牽引供電系統(tǒng)中最直接、影響范圍最大的一種保護(hù)，但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，框架保護(hù)在鋼軌電位過(guò)高時(shí)會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作，從而導(dǎo)致大范圍的斷電事故，影響列車正常運(yùn)行?？蚣鼙Ｗo(hù)誤動(dòng)作的主要原因是鋼軌電位限制裝置(OVPD)與框架保護(hù)的整定配合不合理。因此，進(jìn)一步研究框架保護(hù)的工作原理及動(dòng)作原因，調(diào)整好直流框架保護(hù)與鋼軌電位限制裝置的動(dòng)作配合關(guān)系，對(duì)地鐵安全可靠運(yùn)行具有重要作用。本文通過(guò)比較目前框架保護(hù)的幾種配置方案，從縮小框架保護(hù)的故障范圍，提出一種性價(jià)比最優(yōu)的控制方案。

1 設(shè)置框架保護(hù)及鋼軌電位限制裝置保護(hù)的必要性

1.1 設(shè)置直流框架保護(hù)的必要性

在直流牽引變電所內(nèi)，當(dāng)直流開關(guān)帶電設(shè)備對(duì)直流柜柜體發(fā)生泄漏，或絕緣損壞閃絡(luò)時(shí)，原有的直流保護(hù)將起不到應(yīng)有的作用。此外，牽引變電所內(nèi)的直流供電設(shè)備采用絕緣安裝，如果直流設(shè)備內(nèi)的正極對(duì)設(shè)備外殼發(fā)生泄漏沒(méi)有得到及時(shí)處理，則會(huì)引起正極負(fù)極間的短路故障。因此，設(shè)置框架保護(hù)是必不可少的?？蚣鼙Ｗo(hù)可解決直流供電設(shè)備正極與柜體間發(fā)生的短路故障，當(dāng)正極對(duì)柜體外殼發(fā)生絕緣損壞時(shí)，框架保護(hù)能及時(shí)切除故障，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1.2 設(shè)置鋼軌電位限制裝置的必要性

在地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中，不論是接觸軌式系統(tǒng)還是架空接觸網(wǎng)式系統(tǒng)，均采用鋼軌作為回流軌，而鋼軌又存在漏泄電阻，因此，列車在供電區(qū)間內(nèi)正常運(yùn)行時(shí)，不可避免地造成鋼軌對(duì)地電位的升高。鋼軌電位過(guò)高將對(duì)乘客的人身安全造成威脅，為此必須設(shè)置鋼軌電位限制裝置。影響鋼軌電位的因素主要有線路上列車的數(shù)量、負(fù)荷電流、牽引所的間距、鋼軌-地間的過(guò)渡電阻等。

2 保護(hù)原理

2.1 框架保護(hù)的工作原理

直流框架保護(hù)裝置包括電流檢測(cè)元件和電壓檢測(cè)元件，如圖1所示。其中，電流檢測(cè)元件接于設(shè)備外殼與地之間，用于檢測(cè)外殼與地之間的故障電流;電壓檢測(cè)元件用于檢測(cè)設(shè)備外殼與直流設(shè)備負(fù)極之間的電壓。由于小電阻可忽略不計(jì)，可認(rèn)為設(shè)備外殼直接接地;又由于鋼軌與直流設(shè)備負(fù)母排相連，所以鋼軌電位限制裝置檢測(cè)的電壓與框架保護(hù)檢測(cè)的電壓是同一個(gè)電壓。

圖1 框架保護(hù)裝置原理圖

當(dāng)直流牽引供電系統(tǒng)正常工作、設(shè)備絕緣良好時(shí)，沒(méi)有電流通過(guò)框架保護(hù)的電流檢測(cè)回路，則該保護(hù)裝置不工作。當(dāng)直流設(shè)備的絕緣性能降低時(shí)，如果設(shè)備發(fā)生短路或?qū)耋w外殼放電，接地電流通過(guò)電流檢測(cè)元件流入地網(wǎng)，然后通過(guò)鋼軌與地之間的絕緣漏泄電阻(或排流柜)回到鋼軌負(fù)極。當(dāng)接地電流大于整定值時(shí)，電流框架保護(hù)動(dòng)作，將35 kV 斷路器及該牽引變電所的所有直流斷路器斷開，并把向相同供電區(qū)間供電的牽引變電所的直流斷路器也斷開。

電壓檢測(cè)元件的動(dòng)作分為報(bào)警和跳閘2 部分。當(dāng)柜體外殼與直流設(shè)備正極發(fā)生短路故障時(shí)，電壓檢測(cè)元件將在負(fù)極和外殼之間檢測(cè)到電壓，如果該電壓值大于電壓檢測(cè)元件的整定值，則電壓檢測(cè)元件根據(jù)整定時(shí)間進(jìn)行動(dòng)作，將35 kV 斷路器及該牽引變電所的所有直流斷路器斷開，并把向相同供電區(qū)間供電的牽引變電所的直流斷路器斷開。

故障排除后，需人工復(fù)位框架保護(hù)，斷路器才可以重新合閘。

2.2 鋼軌電位限制裝置工作原理

鋼軌電位限制裝置主要由直流接觸器、晶閘管、控制器等元件組成，其原理示意圖如圖2所示。鋼軌電位限制裝置一端連接變電所接地網(wǎng)，一端接到鋼軌上，測(cè)量鋼軌與地之間的電壓。

當(dāng)某供電區(qū)間無(wú)車時(shí)，在直流牽引系統(tǒng)正常工作的情況下，鋼軌與地之間的電位為零。當(dāng)供電區(qū)間內(nèi)有車或發(fā)生短路故障時(shí)，由于鋼軌和地之間存在漏泄電阻，鋼軌電位迅速升高;當(dāng)鋼軌電位超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，鋼軌電位限制裝置啟動(dòng)，短接鋼軌與接地網(wǎng)，使鋼軌電位下降，保護(hù)車站旅客的人身安全。

圖2 鋼軌電位保護(hù)裝置原理圖

3 保護(hù)的實(shí)現(xiàn)

3.1 鋼軌電位保護(hù)實(shí)現(xiàn)

鋼軌電位限制裝置采用三段式保護(hù)。設(shè)鋼軌與地之間的電壓為U，一段動(dòng)作電壓為a，二段動(dòng)作電壓為 b，三段動(dòng)作電壓為 c，保護(hù)動(dòng)作具體如下:

(1)當(dāng)U≥a 時(shí)，鋼軌電位限制裝置延時(shí)一段時(shí)間后將鋼軌與大地有效短接，以降低鋼軌電位。在設(shè)定時(shí)間內(nèi)其保持合閘狀態(tài)，之后恢復(fù)成斷開狀態(tài)。為防止快速瞬變的電壓值引起接觸器頻繁動(dòng)作，設(shè)定若接觸器連續(xù)動(dòng)作3 次后鋼軌電位仍高于整定值，則合閘后不再斷開。

(2)當(dāng)U≥b 時(shí)，接觸器在 100 ms 之內(nèi)(無(wú)延時(shí))永久合閘，不再恢復(fù)成斷開狀態(tài)。

(3)當(dāng) U≥c 時(shí)，晶閘管在 0.1 ms 之內(nèi)導(dǎo)通，鎖住鋼軌對(duì)地電位，并向直流接觸器發(fā)出合閘信號(hào);接觸器合閘后，晶閘管回路立即斷開。維護(hù)人員排除故障，將鋼軌電位限制裝置復(fù)位后，鋼軌電位限制裝置才返回正常運(yùn)行狀態(tài)。

鋼軌電位保護(hù)的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

3.2 框架保護(hù)實(shí)現(xiàn)

當(dāng)排流柜正常工作時(shí)，電壓檢測(cè)元件可停止運(yùn)行，否則，電壓檢測(cè)元件必須正常運(yùn)行。以標(biāo)志字Fb、Fy分別表示排流柜和電壓檢測(cè)元件的投切情況:Fb=0 表示排流柜退出運(yùn)行，F(xiàn)b=1 表示排流柜投入運(yùn)行;Fy=0 表示電壓檢測(cè)元件退出運(yùn)行，F(xiàn)y=1 表示電壓檢測(cè)元件投入運(yùn)行。若排流柜未投入運(yùn)行，先由電流檢測(cè)元件判斷是否跳閘，若電流檢測(cè)元件未動(dòng)作，則由電壓檢測(cè)元件決定是否跳閘。若排流柜投入運(yùn)行，則只要電流檢測(cè)元件判斷是否跳閘?？蚣鼙Ｗo(hù)的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖3 OVPD 保護(hù)流程圖

圖4 框架保護(hù)流程圖

4 框架保護(hù)與OVPD動(dòng)作配合整定及存在問(wèn)題分析

4.1 動(dòng)作整定

綜上所述，框架保護(hù)的電壓元件與OVPD 都是檢測(cè)鋼軌與地之間的電壓，兩者的差異在于:電壓型框架保護(hù)是保護(hù)直流設(shè)備安全，動(dòng)作于跳閘，只有故障排除且框架保護(hù)動(dòng)作信號(hào)恢復(fù)后，才能使供電恢復(fù)正常;而鋼軌電位限制裝置是降低鋼軌與地之間的電壓，保護(hù)人身安全，不動(dòng)作于跳閘，不影響直流牽引供電系統(tǒng)，列車可以正常運(yùn)行。

因此，電壓型框架保護(hù)和鋼軌電位限制裝置的動(dòng)作必須有選擇性。當(dāng)列車起動(dòng)及運(yùn)行導(dǎo)致鋼軌電位升高時(shí)，鋼軌電位限制裝置應(yīng)先于電壓型框架保護(hù)動(dòng)作，使鋼軌與地連通，保證線路上人身安全;當(dāng)發(fā)生框架泄漏故障時(shí)，電壓型框架保護(hù)要比鋼軌電位限制裝置先動(dòng)作。

4.2 框架保護(hù)存在問(wèn)題分析

(1)當(dāng)某一個(gè)牽引變電所出現(xiàn)框架泄漏故障時(shí)，整個(gè)線路的軌地電壓都會(huì)升高，此時(shí)每個(gè)牽引變電所框架保護(hù)的電壓元件都會(huì)在負(fù)極與地之間檢測(cè)到很高的電壓值，并使框架保護(hù)動(dòng)作。如此，會(huì)造成其它未發(fā)生故障的框架保護(hù)裝置誤動(dòng)作，擴(kuò)大事故的影響范圍。

(2)新建地鐵線路運(yùn)行一段時(shí)間后，軌地之間的絕緣性能下降，過(guò)渡電阻也減小，當(dāng)發(fā)生框架泄漏故障時(shí)，框架保護(hù)電流元件能可靠動(dòng)作，但此時(shí)鋼軌與地之間的電位差減小，如果增大整定值，框架保護(hù)的電壓元件將不發(fā)生動(dòng)作。

(3)當(dāng)直流設(shè)備發(fā)生框架泄漏故障時(shí)，流過(guò)本所的直流斷路器的電流很小，在短時(shí)間內(nèi)直流快速開關(guān)不能將故障切除，即使直流斷路器能迅速跳閘，框架泄漏故障也不能被切除;只有交流側(cè)斷路器斷開以后，才能將框架泄漏故障切除。在切除故障之前，框架保護(hù)電壓元件檢測(cè)的電壓與OVPD 測(cè)量的電壓相同，若OVPD 不能在一定時(shí)間內(nèi)投入工作，則可能造成人身傷亡事件。

通過(guò)以上分析可知，在實(shí)際應(yīng)用中框架保護(hù)電壓元件會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)和誤動(dòng)，有時(shí)不僅起不到保護(hù)的作用，反而會(huì)擴(kuò)大事故的影響范圍。因此，框架保護(hù)中電壓元件的使用值得考慮。

5 框架泄漏保護(hù)裝置設(shè)置方案比較

5.1 全所配置1套框架保護(hù)裝置

通過(guò)電纜或螺栓將地鐵牽引變電所內(nèi)的所有整流器、直流開關(guān)柜、負(fù)極柜絕緣安裝等設(shè)備的框架連接在一起，設(shè)置1 套框架保護(hù)裝置。采用該方案，一旦發(fā)生框架泄漏故障，將使本所整流機(jī)組交流側(cè)和直流側(cè)的進(jìn)線、饋線斷路器全部跳閘，并使相鄰變電所的直流饋線斷路器跳閘，從而造成大范圍的停電，擴(kuò)大事故影響范圍。而且大雙邊供電控制操作相對(duì)復(fù)雜，需要一定的倒閘操作時(shí)間。因此，該方案會(huì)對(duì)運(yùn)營(yíng)造成較大的影響。

5.2 全所配置2套框架保護(hù)裝置

為了縮小整流器框架故障時(shí)的跳閘范圍，減小對(duì)列車運(yùn)營(yíng)的影響，為直流開關(guān)柜和整流器各設(shè)置1 套框架保護(hù)裝置。即直流開關(guān)柜使用1 套框架保護(hù)裝置，負(fù)極柜與整流器共同使用1 套框架保護(hù)裝置。該方案雖然增加了投資，但提高了效果，當(dāng)整流器發(fā)生框架故障時(shí)，只使本所整流機(jī)組的交、直流側(cè)斷路器跳閘，退出工作，對(duì)相鄰的牽引變電所沒(méi)有影響;且通過(guò)故障所的直流母線可快速進(jìn)行大雙邊供電，不影響列車正常運(yùn)行。本方案特別適用于直流進(jìn)線為斷路器的接線方式。

5.3 全所配置3套框架保護(hù)裝置

深圳地鐵1號(hào)線在續(xù)建工程中，變電所內(nèi)配置了3 套框架保護(hù)裝置:每臺(tái)整流器各設(shè)1 套(變電所內(nèi)有2 臺(tái)整流器)，直流開關(guān)柜與負(fù)極柜共用1 套。當(dāng)單臺(tái)整流器發(fā)生框架故障時(shí)，不影響其它的整流機(jī)組。在實(shí)際使用過(guò)程中，根據(jù)需要可采用單臺(tái)整流機(jī)組工作，或使兩套整流機(jī)組都退出工作，并通過(guò)故障所的直流母線快速進(jìn)行大雙邊供電。

5.4 對(duì)比分析

三種框架泄漏保護(hù)配置方案的對(duì)比如表 1所示。

表1 三種框架泄露保護(hù)配置方案的對(duì)比

由表1 可知，牽引變電所設(shè)1 套框架保護(hù)裝置方案，故障影響范圍最大，查找故障及恢復(fù)供電所需時(shí)間最長(zhǎng);設(shè)2 套和3 套框架保護(hù)裝置方案，在減少停電時(shí)間及縮小接觸網(wǎng)停電范圍方面基本相當(dāng)，區(qū)別在于對(duì)故障的查找，設(shè)3 套的故障定位更精確。經(jīng)過(guò)比較，設(shè)置2 套框架保護(hù)裝置方案不僅投資相對(duì)較少，而且提高了供電系統(tǒng)的可靠性。因此，采用2 套框架保護(hù)裝置的性價(jià)比最優(yōu)。

6 結(jié)語(yǔ)

闡述了設(shè)置框架保護(hù)裝置和鋼軌電位限制裝置的必要性及其工作原理，并對(duì)它們的整定配合邏輯進(jìn)行了設(shè)計(jì)。對(duì)三種框架保護(hù)配置方案進(jìn)行了對(duì)比分析，推薦采用配置2 套框架保護(hù)裝置的方案。此外，為了在發(fā)生故障后能快速恢復(fù)供電，建議框架保護(hù)跳開相鄰變電所的直流饋線斷路器時(shí)不進(jìn)行閉鎖合閘，這樣可減少工作人員，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班的工作模式。

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