葉 東 陳繼勇

(成都地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 四川 成都 610081)

成都地鐵DC1 500 V直流牽引系統(tǒng)電流型框架保護(hù)設(shè)置及改造

葉 東 陳繼勇

(成都地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 四川 成都 610081)

介紹了城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中框架保護(hù)的原理，闡述了成都地鐵一號(hào)線框架保護(hù)的設(shè)置情況，通過(guò)分析故障案例，針對(duì)框架保護(hù)的設(shè)置與回流網(wǎng)不暢問(wèn)題，提出了改進(jìn)措施。

城市軌道交通；牽引供電；框架保護(hù)；故障；改造

城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)，采用走行軌回流，鋼軌采用絕緣安裝。為了保護(hù)乘客安全，各車(chē)站設(shè)置了鋼軌電位限制裝置[1]。為防止雜散電流對(duì)直流設(shè)備的腐蝕，牽引變電所直流設(shè)備均采用絕緣安裝，針對(duì)此種情況，直流設(shè)備設(shè)置了框架泄漏保護(hù)[2]，用于當(dāng)正極對(duì)機(jī)柜外殼發(fā)生絕緣損害時(shí)及時(shí)切除故障。本文通過(guò)分析成都地鐵一號(hào)線一起框架保護(hù)動(dòng)作事件，對(duì)框架泄漏保護(hù)的設(shè)置等問(wèn)題提出處理措施。

1 框架泄漏保護(hù)設(shè)置情況

框架泄漏保護(hù)裝置由電流元件和電壓元件組成，如圖1所示。

圖1 框架泄漏保護(hù)及鋼軌電位限制裝置的接線示意圖

1.1 電流元件

絕緣安裝的直流設(shè)備外殼通過(guò)一個(gè)機(jī)械保持的電流繼電器與變電所接地網(wǎng)單點(diǎn)相連，即作為電流檢測(cè)回路的繼電器一端接設(shè)備外殼，另一端接變電所強(qiáng)電接地母排。正常情況下，無(wú)電流通過(guò)檢測(cè)回路。當(dāng)任意直流設(shè)備內(nèi)正極對(duì)外殼放電時(shí)，接地電流通過(guò)電流元件流入地網(wǎng)，再通過(guò)鋼軌與地之間的泄漏電阻(或合閘的鋼軌電位限制裝置或投運(yùn)的排流柜)回到鋼軌(負(fù)極)。當(dāng)接地電流到達(dá)整定值80 A時(shí)，框架泄漏保護(hù)電流元件動(dòng)作，本變電所35 kV整流機(jī)組饋線斷路器及直流進(jìn)出線斷路器跳閘，并聯(lián)跳鄰所向相同供電區(qū)段供電的直流斷路器。

1.2 電壓元件

通過(guò)電壓繼電器測(cè)量設(shè)備外殼與直流設(shè)備負(fù)極之間的電壓，電壓元件檢測(cè)到的電壓等價(jià)于鋼軌和地之間的電壓。當(dāng)電壓值大于電壓元件整定值(150 V，1 500 ms)，本變電所35 kV整流機(jī)組饋線斷路器及直流進(jìn)出線斷路器跳閘。

1.3 電壓元件與電流元件的配合

發(fā)生泄漏時(shí)，由于泄漏電流流經(jīng)通路電阻的不確定性(隨絕緣材料的性能變化而變化)，若鋼軌對(duì)地泄漏電阻較大，泄漏電流達(dá)不到電流元件整定值，保護(hù)不動(dòng)作；若框架絕緣性能降低，流經(jīng)電流元件的電流同樣達(dá)不到整定值，保護(hù)不動(dòng)作。而此時(shí)，電壓元件可檢測(cè)到故障時(shí)的鋼軌(負(fù)極)對(duì)地電壓，達(dá)到整定值后，保護(hù)動(dòng)作。由于電壓元件檢測(cè)到的電壓并非均為故障時(shí)的電壓，其保護(hù)選擇性較差，因此作為后備保護(hù)，彌補(bǔ)電流元件的缺陷。電壓元件同樣可檢測(cè)其他一些特殊故障引起的地電位的升高，如接觸網(wǎng)對(duì)架空地線的短路，起到后備保護(hù)的作用。鑒于電壓元件的選擇性較差且起后備作用，其跳閘范圍不同于電流元件，僅本變電所35 kV整流機(jī)組饋線斷路器及直流進(jìn)出線斷路器跳閘。

1.4 排流柜和鋼軌電位限制裝置對(duì)框架保護(hù)的影響

電壓元件檢測(cè)到的軌-地電壓會(huì)受到本所排流柜及鋼軌電位限制裝置運(yùn)行狀態(tài)的影響，當(dāng)排流柜投入或鋼軌電位限制裝置合閘后，會(huì)改變本所及鄰近區(qū)段軌-地電位的分布(見(jiàn)圖2)，本所電壓元件檢測(cè)到的軌-地電壓絕對(duì)值理論上小于等于排流柜二極管上的電壓。在此情況下，框架泄漏電流有良好的通路，且電壓元件檢測(cè)到的電壓值遠(yuǎn)小于整定值，理論上觸發(fā)不了電壓型保護(hù)。

在列車(chē)啟動(dòng)及運(yùn)行時(shí)，鋼軌對(duì)地電位可能會(huì)升高，此時(shí)鋼軌電位限制裝置和框架泄漏保護(hù)的電壓元件均啟動(dòng)，若直流系統(tǒng)是正常運(yùn)行情況，框架保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作，故應(yīng)使框架泄漏保護(hù)電壓元件的動(dòng)作時(shí)間整定得比鋼軌電位限制裝置的動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)。若直流系統(tǒng)有故障存在，鋼軌電位限制裝置合閘后，為故障電流提供了良好的通路，電流元件或其他保護(hù)能有效地檢測(cè)到故障電流，跳閘動(dòng)作。

圖2 列車(chē)取流時(shí)鋼軌對(duì)地的電位分布示意圖

2 故障案例分析

2.1 故障情況

2013年7月19日，成都地鐵一號(hào)線人民北路站電流型框架保護(hù)動(dòng)作，本變電所35 kV整流機(jī)組饋線斷路器及直流進(jìn)出線斷路器跳閘，聯(lián)跳鄰所升仙湖和天府廣場(chǎng)站向相同供電區(qū)段供電的直流斷路器，升仙湖至天府廣場(chǎng)上、下行接觸網(wǎng)停電。

2.2 檢查處理

查閱PSCADA記錄，報(bào)文顯示直流開(kāi)關(guān)電流型框架保護(hù)動(dòng)作，直流開(kāi)關(guān)及整流機(jī)組饋線開(kāi)關(guān)全部跳閘。跳閘前3 h，鋼軌電位Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作，合閘并閉鎖。檢查框架保護(hù)二次回路，各元器件功能正常，輸入輸出信號(hào)正常。在檢查電流元件時(shí)，振動(dòng)負(fù)極柜致使電流元件電流繼電器常閉觸點(diǎn)閃斷，框架保護(hù)泄漏誤動(dòng)作。隨即更換電流元件，并進(jìn)行了測(cè)試。由于電流繼電器常閉觸點(diǎn)閃斷導(dǎo)致的框架保護(hù)誤動(dòng)作情況，與真實(shí)泄漏動(dòng)作情況有差別，又因框架保護(hù)未設(shè)置故障錄波功能，仍無(wú)法直接排除有泄漏電流通過(guò)的可能，需進(jìn)一步檢查一次設(shè)備。

通過(guò)對(duì)框架保護(hù)范圍內(nèi)一次設(shè)備的檢查、測(cè)試并未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體對(duì)框架有泄漏痕跡，確認(rèn)框架內(nèi)一次設(shè)備工作正常。而在檢查一次設(shè)備的過(guò)程中，框架泄漏保護(hù)再次動(dòng)作，且重復(fù)動(dòng)作2次。利用鉗形表測(cè)量框架接地電纜，確認(rèn)有非持續(xù)越限電流通過(guò)電壓元件。

在整流機(jī)組、直流開(kāi)關(guān)柜均已退出運(yùn)行，鋼軌電位限制裝置合位的情況下，框架接地電纜中有電流，推斷有2種可能：一是越區(qū)運(yùn)行的隔離開(kāi)關(guān)柜正極對(duì)柜體有泄漏；二是框架絕緣有失效點(diǎn)，鋼軌電流經(jīng)鋼軌電位限制裝置注入接地網(wǎng)，經(jīng)接地網(wǎng)流入框架網(wǎng)絡(luò)，再由絕緣失效點(diǎn)回到接地網(wǎng)，形成接地網(wǎng)的分流支路。

針對(duì)以上情況，用鉗形表對(duì)各開(kāi)關(guān)柜框架連接電纜及框架接地電纜同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)隔離開(kāi)關(guān)、整流器框架連接電纜無(wú)電流，而直流開(kāi)關(guān)框架電纜有電流且與接地電纜電流瞬時(shí)值基本相等，方向相同。將直流開(kāi)關(guān)框架電纜拆除，拆除后框架接地電纜無(wú)電流，證明了泄漏點(diǎn)為直流開(kāi)關(guān)柜。

對(duì)直流開(kāi)關(guān)柜絕緣薄弱點(diǎn)進(jìn)行排查，依次對(duì)地腳螺栓連接處絕緣情況和絕緣板拼接處絕緣情況進(jìn)行檢查。經(jīng)過(guò)更換地腳螺栓絕緣墊，清理開(kāi)孔處的粉塵、鐵屑，清理和干燥絕緣板拼接處的污穢物，絕緣值恢復(fù)到設(shè)計(jì)值。同時(shí)，在框架絕緣節(jié)點(diǎn)兩端接地網(wǎng)處設(shè)置了短接線。

2.3 原因分析

故障發(fā)生前期文殊院至升仙湖鋼軌電位突發(fā)異常升高故障，致使鋼軌電位限制裝置頻繁動(dòng)作，且二段動(dòng)作閉鎖合閘的情況增多。由于鋼軌電位限制裝置處于合閘狀態(tài)且注入接地網(wǎng)的電流峰值達(dá)1 020 A，而框架電纜接地點(diǎn)與鋼軌電流注入點(diǎn)為同一強(qiáng)電接地母排，此處電位高于無(wú)限遠(yuǎn)處零電位，致使絕緣失效的框架網(wǎng)絡(luò)起到分流支路的作用。正常情況下框架網(wǎng)絡(luò)與接地網(wǎng)等電位，由于框架泄漏電阻兩端，接地網(wǎng)中并聯(lián)電阻較大(R1

圖3 接地網(wǎng)框架支路電流走向示意圖

2.4 存在問(wèn)題

(1)框架絕緣失效，構(gòu)成接地網(wǎng)支路。①在現(xiàn)場(chǎng)施工階段，各施工方交叉作業(yè)的情況較突出。尤其是在牽引降壓混合變電所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)牽混所)直流牽引設(shè)備安裝完畢后，設(shè)備房的地面處理、裝飾裝修、風(fēng)管鋪設(shè)等進(jìn)場(chǎng)施工時(shí)，若在成品保護(hù)環(huán)節(jié)上卡控不嚴(yán)，將對(duì)框架絕緣有一定影響；②框架絕緣的安裝，對(duì)絕緣板放置、開(kāi)孔以及設(shè)備對(duì)位要求較高，因在地下及設(shè)備房?jī)?nèi)施工，借助機(jī)械、吊裝器具的條件不佳，施工方采用人工拼裝、對(duì)位的安裝方式極易出現(xiàn)絕緣板開(kāi)孔有誤差，滾筒、鋼釬等施工機(jī)具對(duì)絕緣板有損傷的情況；③直流牽引設(shè)備放置在絕緣板上用螺栓固定，部分固定螺栓未使用絕緣螺栓，因絕緣板開(kāi)孔誤差過(guò)大，造成固定螺栓金屬部位碰殼，從而使整體框架絕緣不良；④直流牽引設(shè)備基本安裝在地下區(qū)段，若各點(diǎn)封堵不佳，隧道內(nèi)的金屬粉塵將對(duì)設(shè)備絕緣造成影響。

(2)牽引回流網(wǎng)主回流通道不暢，鋼軌電位升高，鋼軌電位限制裝置合閘后，接地網(wǎng)電流過(guò)大。

(3)框架保護(hù)電流元件，無(wú)方向判斷功能，選擇性差。框架保護(hù)裝置無(wú)故障電流測(cè)量、存儲(chǔ)、查詢功能，無(wú)法提早發(fā)現(xiàn)故障，且影響故障處理效率。

2.5 整改方向

(1)在牽混所直流牽引設(shè)備安裝完畢后，其他專(zhuān)業(yè)進(jìn)場(chǎng)施工時(shí)，必須加強(qiáng)對(duì)成品保護(hù)環(huán)節(jié)的卡控，嚴(yán)格控制施工工藝，最大程度地減少對(duì)框架絕緣的影響。

(2)加強(qiáng)框架絕緣施工工藝，確保施工質(zhì)量，施工單位在安裝框架絕緣時(shí)，可借助吊裝器具進(jìn)行(簡(jiǎn)易、可拆卸、可拼接的門(mén)型架并配合手動(dòng)葫蘆進(jìn)行施工)，消除人工簡(jiǎn)單拼裝、對(duì)位安裝不精確的施工弊端。

(3)現(xiàn)采用的絕緣板厚度為5 mm，為增強(qiáng)絕緣能力，其中2面整流器柜、1面負(fù)極柜、2面上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)柜可直接采用10～15 mm厚度的絕緣板。直流小車(chē)柜采用10～15 mm厚度的絕緣板安裝后，小車(chē)出倉(cāng)時(shí)可定制出倉(cāng)軌道來(lái)解決柜體與地面的高度差問(wèn)題。上述設(shè)備的固定螺栓均使用絕緣螺栓，提升整體絕緣水平。保證各點(diǎn)封堵滿足要求，其中直流牽引設(shè)備固定螺栓處可采用絕緣玻璃膠進(jìn)行封堵，減少金屬粉塵對(duì)設(shè)備框架絕緣的影響。

(4)定期檢查維護(hù)框架絕緣情況，確保絕緣值滿足設(shè)計(jì)要求。定期檢查接地網(wǎng)連接情況，確保各連接處穩(wěn)固，接觸良好。

(5)更換目前的框架保護(hù)設(shè)備，采用框架回流串小電阻分流器經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換傳送毫伏電壓給可編程控制器(PLC)，經(jīng)其計(jì)算判斷后，發(fā)出動(dòng)作指令。對(duì)不同的設(shè)備如整流器、直流開(kāi)關(guān)柜、隔離開(kāi)關(guān)柜分別設(shè)置采樣回流，接入同一控制器，增強(qiáng)選擇性， 縮小故障影響范圍。設(shè)置人機(jī)界面，能查詢各采樣回路泄漏情況，可提前發(fā)現(xiàn)故障并準(zhǔn)確判斷故障位置，提高維保質(zhì)量。同樣，將電壓元件電壓繼電器更換為電壓變送器，與電流采樣回路共用1臺(tái)可編程控制器。由此，可以改變電壓型保護(hù)僅有兩段設(shè)置的情況，增加電壓型保護(hù)定值分段數(shù)，提高與鋼軌電位限制裝置和一些特殊故障引起的其他保護(hù)的配合度，提高保護(hù)選擇性和可靠性。

3 框架保護(hù)改造措施

在既有線設(shè)備中，電流型框架保護(hù)動(dòng)作后，影響范圍大，無(wú)法迅速定位故障范圍，成都地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司現(xiàn)已針對(duì)該問(wèn)題提出了增加1套電流型元件對(duì)整流器柜及負(fù)極柜進(jìn)行泄漏電流監(jiān)測(cè)，原有的電流型元件對(duì)直流開(kāi)關(guān)柜和上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方案。整流柜及負(fù)極柜電流型框架保護(hù)動(dòng)作后聯(lián)跳所有直流進(jìn)線斷路器并閉鎖合閘、聯(lián)跳整流機(jī)組35 kV交流斷路器并閉鎖合閘，而針對(duì)直流開(kāi)關(guān)柜和上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)柜的一套電流型框架保護(hù)元件動(dòng)作后聯(lián)跳所有直流進(jìn)出、饋線斷路器并閉鎖，聯(lián)跳整流機(jī)組35 kV交流斷路器并閉鎖，并在此設(shè)置了一套延時(shí)，當(dāng)聯(lián)跳本變電所后，若故障電流消失，則不聯(lián)跳鄰站；若聯(lián)跳本變電所后在延時(shí)時(shí)間內(nèi)故障電流未消失，則聯(lián)跳鄰站。

通過(guò)該改造方案，減小了故障影響范圍，發(fā)生電流型保護(hù)動(dòng)作時(shí)，特別是直流開(kāi)關(guān)柜及上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)柜，若動(dòng)作后故障電流消失則不用聯(lián)跳鄰站，有利于提高故障定位的準(zhǔn)確性。當(dāng)整流器柜發(fā)生電流型框架泄漏時(shí)，保護(hù)動(dòng)作將整流機(jī)組退出運(yùn)行，且不聯(lián)跳鄰所向相同供電分區(qū)供電的直流斷路器，提高了故障定位的準(zhǔn)確性，且不中斷行車(chē)。

[1] 蘇光輝.鋼軌電位過(guò)高的原因分析及解決措施[J].城市軌道交通，2007(1)：38-40.

[2] 王明飛,江 安.框架泄漏保護(hù)設(shè)置分析[J].都市快軌交通,2008,21(6):83-85.□

(編輯：繆 媚)

2095-5251(2016)05-0025-03

2016-04-22

葉 東(1982-)，男，本科學(xué)歷，工程師，從事軌道交通高壓供電技術(shù)管理工作。

U270.38+1

B