張興凱

地鐵牽引供電系統(tǒng)框架保護(hù)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張興凱

簡要闡述典型的地鐵直流牽引供電系統(tǒng)框架泄漏保護(hù)的工作原理及設(shè)置方案，經(jīng)過分析，指出該框架泄漏保護(hù)方案存在誤動(dòng)、拒動(dòng)、缺乏選擇性的缺陷，提出了“取消電壓元件跳閘，雙OVPD（鋼軌電位限制裝置）冗余配置”的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

地鐵供電；框架保護(hù)；OVPD；優(yōu)化設(shè)計(jì)

框架泄漏保護(hù)（簡稱“框架保護(hù)”）是地鐵直流牽引供電系統(tǒng)非常重要的保護(hù)配置，它的主要作用是當(dāng)直流帶電設(shè)備對(duì)柜體短路或閃絡(luò)放電時(shí)，能夠迅速動(dòng)作，跳開所有來電方向的開關(guān)，從而切除故障，保證運(yùn)行人員和設(shè)備的安全。本文從框架保護(hù)的工作原理、設(shè)置情況等方面進(jìn)行闡述，對(duì)國內(nèi)典型的框架保護(hù)設(shè)置方案存在的問題進(jìn)行分析，并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 框架保護(hù)原理

框架保護(hù)裝置由電流檢測元件（簡稱“電流元件”）和電壓檢測元件（簡稱“電壓元件”）組成，其工作原理如圖1所示。

電流元件通過安裝于直流設(shè)備柜體接地支路上的分流器采集泄漏電流，當(dāng)柜體對(duì)地泄漏電流大于整定值時(shí)，電流元件動(dòng)作并切除故障。如果鋼軌對(duì)地絕緣水平較低，泄漏電流通過“正極—柜體—接地母排—接地網(wǎng)—鋼軌—負(fù)極”構(gòu)成回路電阻較小的電流通路，可直接啟動(dòng)電流元件。若鋼軌對(duì)地絕緣良好，鋼軌對(duì)地的過渡電阻過大，則泄漏電流較小，不足以啟動(dòng)電流元件。此時(shí)由于鋼軌（負(fù)極）對(duì)地電壓升高，將導(dǎo)致鋼軌電位限制裝置（OVPD）合閘，直接將鋼軌與接地網(wǎng)導(dǎo)通。OVPD合閘后，泄漏電流近似于短路電流，可使電流元件迅速動(dòng)作。

電壓元件檢測負(fù)極對(duì)地的電壓，當(dāng)直流正極對(duì)框架短路或閃絡(luò)放電時(shí)，由于正極對(duì)地的絕緣電阻迅速降低，將導(dǎo)致負(fù)極對(duì)地電壓大幅提高，從而啟動(dòng)電壓元件并切除故障。

2 典型框架保護(hù)設(shè)置方案

2.1 系統(tǒng)配置方案

對(duì)于電流型框架保護(hù)，工程中普遍采用2套電流元件的設(shè)置方案，即正極柜、整流器柜（含負(fù)極柜）各設(shè)置1套。對(duì)于電壓型框架保護(hù)，由于整流器柜和直流開關(guān)柜的負(fù)極連接在一起，中間并未設(shè)置可迅速切除故障的保護(hù)裝置和開關(guān)，因此，正極柜、負(fù)極柜和整流器柜可共用1套電壓元件。

圖1 框架保護(hù)接線示意圖

2.2 保護(hù)設(shè)置方案

電流元件的整定值一般設(shè)定為80 A、0 ms。正極柜的電流元件動(dòng)作，跳開正極柜所有進(jìn)線和饋線開關(guān)，聯(lián)跳2臺(tái)35 kV整流變饋線開關(guān)，并通過“雙邊聯(lián)跳功能”跳開相應(yīng)牽引變電所的直流饋線開關(guān)。整流器柜（含負(fù)極柜）的電流元件動(dòng)作，跳開2臺(tái)35 kV整流變饋線開關(guān)和2臺(tái)正極柜進(jìn)線開關(guān)。

一般的工程設(shè)計(jì)，在牽引變電所中設(shè)置1臺(tái)OVPD。電壓元件應(yīng)與OVPD的動(dòng)作特性配合，避免正常運(yùn)行狀態(tài)下的軌電位升高，導(dǎo)致電壓元件誤動(dòng)作。具體的配合方法：通過調(diào)整OVPD和電壓元件的時(shí)間配合關(guān)系，使電壓元件動(dòng)作時(shí)限大于OVPD。表1所列為某工程電壓元件和OVPD的整定值。

由于電壓元件無法區(qū)分故障發(fā)生的位置，因此，按照最大故障情況判定，動(dòng)作后，跳閘方式與正極柜電流元件相同。

3 典型框架保護(hù)方案分析

3.1 電壓元件的分析

在實(shí)際應(yīng)用中，電壓元件普遍投入跳閘功能。這是因?yàn)榭紤]到，在軌道絕緣良好的情況下，當(dāng)正極對(duì)柜體短路或閃絡(luò)放電時(shí)，泄漏電流可能達(dá)不到電流元件的整定值，此時(shí)若OVPD故障拒動(dòng)，電流元件將無法動(dòng)作，因此，有必要投入電壓元件的跳閘功能，使電壓元件作為電流元件的后備保護(hù)。以往運(yùn)營線路發(fā)生電壓型框架保護(hù)誤動(dòng)作，主要原因是電壓元件整定值設(shè)置不合理，未與OVPD形成有效配合，若按照表1進(jìn)行整定，完全可解決誤動(dòng)問題。

但是，即使解決了電壓元件與OVPD的配合問題，仍然可能出現(xiàn)不能投入跳閘功能的問題，主要原因如下。

(1) 電壓元件無法判斷故障發(fā)生的位置，一旦動(dòng)作即按照正極柜框架泄漏的保護(hù)方式跳閘，該保護(hù)元件明顯缺乏選擇性，使2套框架保護(hù)配置方案的效果大打折扣。

(2) 當(dāng)發(fā)生框架泄漏時(shí)，如果OVPD正常合閘，則鋼軌（負(fù)極）直接接地，電壓元件無法啟動(dòng)，在電流元件失效后，故障仍然需要其他保護(hù)切除，電壓元件并不能實(shí)現(xiàn)后備保護(hù)功能。

(3) 發(fā)生框架泄漏時(shí)，若鋼軌對(duì)地的過渡電阻過小，鋼軌與地之間的電位差值則很小，當(dāng)?shù)陀陔妷涸恼ㄖ禃r(shí)，電壓元件無法啟動(dòng)。

(4) 地鐵線路運(yùn)營一定時(shí)間后，運(yùn)營單位基于雜散電流防護(hù)的考慮，將投入排流柜的排流支路和接地支路，屆時(shí)負(fù)極可視為直接接地，電壓元件將失去作用。

(5）當(dāng)某一個(gè)牽引變電所發(fā)生框架泄漏故障，或者接觸網(wǎng)對(duì)架空地線發(fā)生短路時(shí)，整條線路的鋼軌對(duì)地電位都會(huì)升高。此時(shí)，各個(gè)牽引變電所框架保護(hù)電壓元件都會(huì)檢測到負(fù)極與地之間較高的電壓值，若其中1個(gè)（未發(fā)生框架泄漏的）牽引變電所的OVPD故障拒動(dòng)，規(guī)定時(shí)限內(nèi)該所的電壓元件將動(dòng)作，擴(kuò)大了事故停電范圍。

綜上所述，電壓元件缺乏選擇性，在實(shí)際使用過程中存在誤動(dòng)和拒動(dòng)的可能性，有時(shí)不但起不到保護(hù)作用，反而會(huì)造成事故范圍的擴(kuò)大?？蚣鼙Ｗo(hù)電壓元件的跳閘功能，將會(huì)大大降低直流牽引供電系統(tǒng)的可靠性，不宜投入使用。

3.2 電流元件及OVPD的分析

電壓元件由于存在種種無法克服的缺點(diǎn)，因此，有必要取消其跳閘功能。但電流元件在缺少電壓元件作為后備保護(hù)后，一旦OVPD故障拒動(dòng)，將無法切除故障。此時(shí)，OVPD的失效就成為重要的制約因素，單臺(tái)OVPD的配置無法滿足系統(tǒng)可靠性的要求。

4 框架保護(hù)方案的改進(jìn)建議

經(jīng)過以上分析，并結(jié)合以往工程的經(jīng)驗(yàn)，提出“取消電壓元件跳閘，雙OVPD冗余配置”的框架保護(hù)改進(jìn)方案，該方案在典型框架保護(hù)方案的基礎(chǔ)上，做出如下改進(jìn)。

(1) 取消電壓元件Ⅱ段的跳閘功能，僅保留其Ⅰ段的告警功能，動(dòng)作電壓和時(shí)限整定值仍同表1所示。

(2) 在牽引變電所內(nèi)設(shè)置2臺(tái)OVPD，1臺(tái)安裝于負(fù)極與地之間，另1臺(tái)安裝于鋼軌與地之間，安裝方式見圖2。2臺(tái)OVPD的保護(hù)測控程序和整定值相同，動(dòng)作電壓和時(shí)限的整定值仍同表1所示。

表1 電壓元件與OVPD的整定值

圖2 雙OVPD的接線示意圖

(3) 采用“晶閘管-接觸器組合型”O(jiān)VPD。該類型OVPD由晶閘管回路及接觸器回路2個(gè)主回路并聯(lián)構(gòu)成。Ⅱ段動(dòng)作時(shí)，由接觸器無延時(shí)地永久合閘，合閘時(shí)間小于100 ms。Ⅲ段動(dòng)作時(shí)，OVPD晶閘管回路在0.2 ms內(nèi)快速導(dǎo)通，同時(shí)啟動(dòng)接觸器動(dòng)作。OVPD的短路耐受能力可達(dá)到80 kA、20 ms或50 kA、250 ms，具備接通較高短路電流的能力。

5 改進(jìn)方案分析

“雙OVPD冗余配置”的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，解決了OVPD故障拒動(dòng)情況下電流元件不能有效動(dòng)作的問題。但是當(dāng)電流元件失效時(shí)，系統(tǒng)需要其他保護(hù)形成后備保護(hù)，針對(duì)后備保護(hù)的工作特性，具體分析如下。

5.1 整流器柜框架泄漏

如圖3所示，若X L1所示位置發(fā)生框架泄露，進(jìn)線柜將流過反向的泄漏電流，啟動(dòng)進(jìn)線柜逆流保護(hù)。一般情況下，逆流保護(hù)設(shè)置為100 A、40 ms，具有很高的靈敏性，可迅速跳開進(jìn)線開關(guān)，切除進(jìn)線柜方向的來電。中壓開關(guān)柜方向的來電，需要35 kV整流變饋線的過流保護(hù)切除。一般情況下，該保護(hù)為躲避整流變的過負(fù)荷和勵(lì)磁涌流曲線，動(dòng)作值一般設(shè)為4Ie(Ie為整流變高壓側(cè)額定電流)、400 ms，作為整流變的后備保護(hù)，對(duì)直流側(cè)的短路缺乏靈敏性和速動(dòng)性。因此，有必要在直流進(jìn)線柜與35 kV整流變饋線柜之間設(shè)置聯(lián)跳功能，即進(jìn)線柜逆流保護(hù)出口，不但跳開1 500 V進(jìn)線開關(guān)，而且聯(lián)跳相應(yīng)的35 kV整流變饋線開關(guān)，以保證迅速切斷所有方向的來電。

5.2 正極柜框架泄漏

正極對(duì)框架泄漏的位置可以分為3個(gè)區(qū)域：一是進(jìn)線柜開關(guān)的進(jìn)線側(cè)；二是饋線柜開關(guān)的饋線側(cè)；三是正極母排的其他區(qū)域（圖3）。

圖3 正常運(yùn)行模式下框架泄漏位置示意圖

對(duì)于區(qū)域1的框架泄漏（如圖3中XL2所示），保護(hù)動(dòng)作的模式與整流器框架泄漏相同，相應(yīng)開關(guān)跳開后，即使正極對(duì)框架金屬性短路，也不影響正極母線和饋線繼續(xù)帶電運(yùn)行。

對(duì)于區(qū)域2的框架泄漏（如圖3中XL3所示），對(duì)B所進(jìn)線柜而言，相當(dāng)于正極與負(fù)極母線近似金屬性短路，大電流脫扣保護(hù)可直接跳開進(jìn)線開關(guān)。流經(jīng)B所饋線開關(guān)的短路電流反向，相應(yīng)繼電保護(hù)裝置不動(dòng)作。對(duì)A所和C所的相應(yīng)饋線而言，近似于遠(yuǎn)端接觸網(wǎng)對(duì)架空地線的短路，di/dt保護(hù)動(dòng)作，跳開A所和C所相應(yīng)的饋線開關(guān)，并通過“雙邊聯(lián)跳功能”跳開B所全部饋線開關(guān)。

對(duì)于區(qū)域3的框架泄漏（如圖3中XL4所示），對(duì)A所和B所相應(yīng)饋線柜而言，相當(dāng)于在雙邊供電模式下，接觸網(wǎng)在B所附近金屬性短路，B所相應(yīng)饋線的大電流脫扣、電流速斷、△I等保護(hù)可迅速動(dòng)作，跳開相應(yīng)饋線開關(guān)，并聯(lián)跳A所相應(yīng)饋線開關(guān)，切除故障。A所的相應(yīng)饋線的di/dt保護(hù)也會(huì)動(dòng)作，跳開A所相應(yīng)饋線開關(guān)。

經(jīng)以上分析可知，由于OVPD晶閘管回路快速導(dǎo)通大電流，實(shí)際上把框架泄漏故障瞬時(shí)轉(zhuǎn)化為正負(fù)極短路故障，因此，直流開關(guān)柜的大電流脫扣、逆流、電流速斷、△I、di/dt等保護(hù)，輔以特定的聯(lián)跳功能，是可以作為電流元件的后備保護(hù)的，其定值按照一般規(guī)則整定，即可滿足直流牽引供電繼電保護(hù)系統(tǒng)在電流元件失效后對(duì)速動(dòng)性、靈敏性、選擇性和可靠性的要求。

6 結(jié)束語

綜上所述，“取消電壓元件跳閘，雙OVPD冗余配置”的框架保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，既避免了電壓元件保護(hù)跳閘引起的各類問題，又通過雙OVPD的冗余配置，提高了電流元件動(dòng)作的可靠性。同時(shí)，雙OVPD的配置，也降低了接觸網(wǎng)對(duì)架空地線短路或運(yùn)營階段鋼軌電位異常升高時(shí)，由于OVPD故障拒動(dòng)而導(dǎo)致不能迅速解除的風(fēng)險(xiǎn)。此方案的缺點(diǎn)是少量增加了OVPD的設(shè)備投資和在變電所的占用面積，但基本在可以接受的范圍內(nèi)。

該方案已在深圳地鐵4號(hào)線二期工程直流牽引供電系統(tǒng)中應(yīng)用多年，運(yùn)行情況良好。

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責(zé)任編輯 冒一平

Optimization Design of Frame Protection Scheme for Metro Traction Power Supply System

Zhang Xingkai

The paper briefly describes the working principle and the setting scheme of the frame leakage protection of metro DC traction power supply system, and analyzes the defects of the system, including the error of the leakage protection scheme, and the lack of selectivity. It puts forward the optimization design solution of cancellation of voltage tripping, Dual OVPD (Rail Potential Limit Device) and redundancy configuration.

metro power supply, frame protection, OVPD, optimization design

U231.8

2015-06-24

張興凱：中鐵電氣化局集團(tuán)三公司，高級(jí)工程師，河南鄭州 450052