胡佳駿

摘 要：本文對直流牽引設(shè)備框架保護和設(shè)備框架絕緣的功能和關(guān)系進行了簡單介紹，對絕緣檢測方案進行了論述。通過主動和自動檢測方法，減少排查范圍，實時了解整流器柜、直流開關(guān)柜（含負極柜）等設(shè)備對地的絕緣泄漏狀況，提早預防，避免運行時因設(shè)備絕緣損壞而造成的框架電流保護工作異常。研究成果可為相關(guān)應用與研究提供參考。

關(guān)鍵詞：牽引供電；框架絕緣；檢測

中圖分類號：TM922.3 文獻標志碼：A

0 引言

城市軌道交通的牽引供電系統(tǒng)采用直流電源，為了減少雜散電流對鋼筋及預埋金屬件等的電腐蝕，直流供電系統(tǒng)均為不接地系統(tǒng)，整流器柜、直流開關(guān)柜等直流供電戶內(nèi)設(shè)備的框架安裝方式均為絕緣安裝，框架通過低阻抗的電流元件單點接地。當出現(xiàn)正極對框架絕緣泄漏時，框架保護元件能檢測到故障并迅速動作，使供電范圍內(nèi)的多個斷路器快速跳閘，避免事故擴大?？蚣鼙Ｗo是直流供電系統(tǒng)中特有的保護類型，一旦動作將會導致多個供電區(qū)域停電，因此減少框架保護誤動作并保證其工作可靠性尤為重要，需提早預防，對直流框架絕緣的檢測必須合理可行。

本文簡要分析框架絕緣的檢測方法，提出具有參考性的輔助判斷依據(jù)。

1 設(shè)備框架絕緣安裝

直流設(shè)備底部一般鋪設(shè)3mm～6mm的絕緣底板，通過金屬螺栓套件（1—螺栓，2—平墊，3—彈墊）將柜體與基礎(chǔ)槽鋼固定連接，同時金屬螺栓套件與設(shè)備框架的接觸面通過絕緣護套（4—絕緣套，5—絕緣墊塊）絕緣。理論上，金屬螺栓套件與地（槽鋼接地）為等電位，并且它們與柜體絕緣。絕緣安裝方式如圖1所示。

部分地區(qū)由于濕度極大，僅在設(shè)備與槽鋼之間設(shè)置一層絕緣板仍無法滿足絕緣安裝的要求，因此會在設(shè)備絕緣底板和槽鋼之間，再設(shè)置一層絕緣支架，增加爬電距離，絕緣效果較前者有所提高。

2 框架保護的回路構(gòu)成

以1套框架泄漏保護裝置為例，早期線路的框架保護是通過電流繼電器（DL）和電壓繼電器（KF）采集，由繼電器直接動作觸發(fā)跳閘，其優(yōu)點為動作狀態(tài)可見，接線簡潔，缺點為動作值可調(diào)范圍小，不能多段設(shè)置，且無法區(qū)分故障電流、電壓方向；隨著電子產(chǎn)品和自動化設(shè)備的更新和普及，變送器采集方式已成為主流，越來越多的早期線路的框架保護方案被改為通過分流器及電流變送器（U1）和電壓變送器（U2）采集，送入監(jiān)控單元判斷后觸發(fā)跳閘，其不僅具有繼電器的優(yōu)點，還能滿足諸如定值無極可調(diào)，多段設(shè)置，且能區(qū)分故障電流、電壓方向的功能需求?？蚣鼙Ｗo的采集方式如圖2所示。

3 框架保護的原理

框架保護分為框架電壓和框架電流保護。

線路運行初期，鋼軌對地的絕緣較好，發(fā)生框架泄漏故障時，流過框架電流元件的電流很小，電流元件不易動作，此時的電位升高，電壓元件能夠較為靈敏地檢測到地和鋼軌間的電壓，當大于設(shè)定值時，框架電壓保護動作，將整流機組的交、直流側(cè)斷路器跳閘。當某個牽引變電所發(fā)生框架泄漏故障，整條線路的地和鋼軌間的電位都會升高，各個牽引所內(nèi)框架電壓元件會同時檢測到較高的電壓值，可能同時觸發(fā)框架電壓保護，這樣就會使其他未發(fā)生框架泄漏故障的牽引所的框架保護產(chǎn)生誤動作，擴大事故停電范圍。

經(jīng)過一段時間運行后，鋼軌對地絕緣逐漸下降，若發(fā)生框架故障，鋼軌與地之間的電位差值減小，框架電壓元件不易動作，此時框架電流元件較為靈敏，能夠可靠動作，并將相應的斷路器跳閘。

地鐵線路通常會設(shè)置鋼軌電位限制裝置，其功能是用來防止車站建筑物地與運行鋼軌及其上的車輛之間產(chǎn)生的危險電壓，以保護人員和設(shè)施的安全。鋼軌電位限制裝置與框架保護的關(guān)系如圖3所示。

圖3中，鋼軌電位限制裝置檢測的是地和鋼軌（L-）之間的電位；框架電壓元件（U2）檢測的是設(shè)備框架對鋼軌（L-）的電位，而設(shè)備框架是通過低阻抗元件（分流器）單點接地的，阻抗可忽略不計，可以認為框架電壓元件（U2）檢測的同樣是地和鋼軌（L-）之間的電位，與鋼軌電位限制裝置檢測位置相同。一旦框架電壓保護動作，會導致斷路器跳閘而影響行車，因此項目設(shè)計時，應將框架電壓保護作為鋼軌電位限制裝置的后備保護。當?shù)睾弯撥墸ㄘ摌O）之間的電位升高，鋼軌電位限制裝置會優(yōu)先動作，使地和鋼軌形成金屬通路，框架電壓元件就不會再動作?？蚣茈妷涸趯嶋H使用過程中存在誤動的可能，會造成事故障范圍的擴大，因此在很多運行線路，將框架電壓保護功能選擇撤除或僅作為報警功能，不跳閘斷路器。

框架電流保護對直流系統(tǒng)的保護極為重要，其保護功能又會受到設(shè)備框架絕緣的影響。若設(shè)備框架絕緣性能降低，發(fā)生框架泄漏時，會產(chǎn)生框架對地的電流支路，這樣流過框架電流元件的電流會減小，達不到設(shè)定值，就無法迅速地切除故障，這種情況對設(shè)備和人身安全的危害極大，因此預防和排查設(shè)備絕緣性能就顯得尤為重要。

4 框架絕緣的手動檢測方案

一般新建線路對柜體框架絕緣的檢查周期為6～12個月，對運行5年以上的線路，檢測周期會做適當調(diào)整。檢測框架對地絕緣，通常使用1000V絕緣搖表，搖表的一端接設(shè)備框架，另一端接地，要求絕緣值不小于2MΩ。在確因環(huán)境惡劣條件影響，設(shè)備絕緣不能達到2MΩ要求，通常采用以絕緣電阻是否達到50kΩ（750V）或100kΩ（1500V），作為是否投入臨時運行依據(jù)，此數(shù)值能保證安全運行。

框架絕緣檢測一般是在晚上停電后進行測試，此時一次系統(tǒng)已完成停電，測試前需拆除框架接地線，清除絕緣底板及安裝螺栓套件周圍的異物，此外還有幾點試前事項容易被忽略，造成測試值與實際值達不到預期效果，排查時易繞彎路，需特別注意。

4.1 關(guān)閉所有被測設(shè)備的二次電源

在框架絕緣測試時，測試設(shè)備一端接設(shè)備外殼（對地絕緣），另一端接地。在二次元件中，有一些元件屬于敏感元件，如壓敏電阻、浪涌抑制器、浪涌保護器等，它們在進行絕緣測試時，可能會單個或多個元件被導通，使測試電壓過渡到二次回路中。而直流開關(guān)柜的二次回路對外還有其他不絕緣安裝設(shè)備的二次接口（如交直流屏、交流中壓柜等），若未關(guān)閉二次電源回路，過渡電壓就可能通過電源或控制回路，使其他設(shè)備的敏感元件產(chǎn)生多處的對地泄漏點，導致絕緣測試值降低。因此，在進行絕緣測試時，必須要關(guān)閉所有的二次電源。

4.2 拆除框架電壓變送器的一次采樣線

框架電壓變送器是檢測柜體與負極（鋼軌）之間的電位，鋼軌對地使用絕緣墊安裝，一般要求鋼軌對地的絕緣電阻不小于一定值（按閉塞區(qū)間分段進行測量并換算為1km長度的過渡電阻值，對于新建線路不小于15Ω/km，對于運行線路不小于3Ω/km）。因此在絕緣測試時，若不拆除框架變送器的一次采樣線，會出現(xiàn)一個柜體框架→電壓變送器→負極（鋼軌）→地的回路（以下簡稱“支路”）。

做柜體框架對地的絕緣電阻測試時，若不將框架電壓變送器的一次采樣接線摘除，則會將并聯(lián)在框架至地兩端的“支路”電阻計算在內(nèi)，導致實際測得的絕緣電阻降低。等效圖（不考慮線路損耗）如圖4所示。

圖4中，R是柜體框架對地的電阻；r1是框架電壓變送器內(nèi)阻；r2是鋼軌對地的泄漏電阻。通過電阻公式，可計算出搖表測得的電阻值Rc，如式（1）

（1）

其中，R取預期電阻值2MΩ；r1的內(nèi)阻為900kΩ～1MΩ（不同型號的變送器會有差異），取900kΩ；r2與線路長度有關(guān)，電阻值不小于15Ω/km，其與r1為串聯(lián)關(guān)系，r2值與r1的900kΩ不在同個量級，為了方便計算，在此忽略不計，取0Ω。因此，通過式（2）可得

（2）

從上述計算可知，即使框架絕緣電阻滿足預期要求2MΩ，但若未拆除框架電壓變送器的一次采樣線，搖表測得的數(shù)據(jù)就不能反映設(shè)備框架的真實絕緣值。因此為了測試值的準確性，在進行絕緣測試時，須拆除框架電壓變送器的一次采樣線，對于有多套框架電壓變送器的配置，該理念仍然適用。

4.3 直流開關(guān)柜內(nèi)的尾纖盒絕緣安裝

設(shè)備內(nèi)的尾纖盒一般為金屬外殼，光纜接入尾纖盒后，一般施工人員會使用光纜里面的鋼絲進行加固，防止由于拉扯導致光纖斷裂，同樣的加固工藝也應用在PSCADA控制屏中。直流開關(guān)柜為絕緣安裝，PSCADA控制屏為不絕緣安裝，通過光纜內(nèi)的鋼絲使直流開關(guān)柜與PSCADA控制屏的尾纖盒等電位連接，若尾纖盒對直流柜框架未絕緣安裝，這會導致形成一個直流柜框架→直流柜內(nèi)尾纖盒→光纜鋼絲→PSCADA控制屏內(nèi)尾纖盒→PSCADA控制屏框架→地的通路，直流柜框架對地也就不絕緣了。因此，在檢測前，應預先排查直流開關(guān)柜內(nèi)的尾纖盒安裝方式。

4.4 整流器柜的通信接口與其他設(shè)備隔離

整流器柜一般通過RS485電口直接傳輸至PSCADA控制屏的交換機中，通過交換機端口與其他設(shè)備隔離。整流器柜內(nèi)的通信線采用屏蔽雙絞線，其屏蔽層與整流器柜框架等電位。在施工接線時，整流器柜至PSCADA控制屏的接線同樣使用屏蔽雙絞線，因此在絕緣測試前，應預先排查該屏蔽層與PSCADA控制屏（或其他不絕緣安裝的設(shè)備）框架隔離，防止通過屏蔽層形成整流器柜對地的通路。

4.5 利用分段檢測法排查絕緣故障

所有的前置條件檢查無誤后，再對設(shè)備進行絕緣測試，通過搖表測得絕緣電阻值。設(shè)備運行初期，設(shè)備房間的環(huán)境較為潮濕，絕緣電阻值往往達不到2MΩ的要求，需加強除濕、通風手段，如抽濕、吹熱風等，隨著運行時間延長，絕緣電阻會逐漸增加至預期要求。若環(huán)境干燥，絕緣電阻仍不達標，則需檢查絕緣底板和絕緣固定螺栓處，首先看是否有破損，再逐步檢查螺栓周圍是否有金屬微顆?；蚱渌愇?，可采用分段檢測法，將負極柜和整流器柜的排列作為一個整體、直流開關(guān)柜排列作為一個整體，其他絕緣安裝設(shè)備（如隔離柜、再生逆變設(shè)備等）也分別作為一個整體，拆除各自的框架連接電纜后，逐個對設(shè)備排列進行絕緣檢測，找出薄弱點后進行絕緣排查。

5 框架絕緣的自動檢測方案

自動檢測框架絕緣方案適用于變送器采集方式，其主要原理是通過分流器及電流變送器采集到的框架反向電流值，再由監(jiān)控單元來判斷框架對地的絕緣是否正常。主要結(jié)構(gòu)方案如圖5所示。

框架電流泄漏保護的主要保護形式是：當設(shè)備發(fā)生正極L+對框架泄漏，通過低阻抗元件（分流器）對地網(wǎng)放電，此時的網(wǎng)電位升高，部分電壓通過過渡電阻流向軌道（L-），同時鋼軌電位限制裝置達到定值后動作，迅速將地網(wǎng)與軌道（L-）短接，形成閉合回路，期間電流變送器實時采集電流信號，并送入監(jiān)控單元進行判斷，若框架電流值超過80A且持續(xù)5ms，則發(fā)出跳閘命令。

圖5中，設(shè)備框架對所內(nèi)地為絕緣安裝，因此正常情況下，框架電流的泄漏方向只能從設(shè)備框架流向地網(wǎng)，反向電流極?。ㄔO(shè)備框架對所內(nèi)地的絕緣電阻較大），趨近于0。只有在設(shè)備框架對地的絕緣電阻較小時，地網(wǎng)與距離較遠的所內(nèi)地形成電勢差而構(gòu)成閉合回路，才有可能被電流變送器檢測到反向電流（因迷流和/或鋼軌電位限制裝置閉合時跑車產(chǎn)生電流引起）。通過這一特性，可將框架反向電流的檢測作為判斷框架對地絕緣是否正常的重要依據(jù)。項目設(shè)計時，在監(jiān)控單元中區(qū)分框架泄漏電流的方向和參數(shù)：框架正向電流I+達到且延時tI+后發(fā)出跳閘命令；框架反向電流I-達到且延時tI-后發(fā)出報警信息（即框架對地絕緣故障）。

新建線路中，大多已設(shè)置兩套框架電流保護元件，將整流器柜和負極柜設(shè)為一個保護單元，將直流開關(guān)柜和其他絕緣安裝設(shè)備（如隔離柜、再生逆變設(shè)備等）設(shè)為另一個保護單元。部分線路更設(shè)置了3套、4套框架保護元件（將兩臺整流器柜和再生設(shè)備也分別區(qū)分出來），這樣就可以通過多套框架電流元件檢測反向電流值，更精準地判斷哪個保護單元的設(shè)備絕緣出現(xiàn)了故障，有利于絕緣故障的排查。目前行業(yè)中對框架泄漏電流的設(shè)定，一般將框架泄漏電流（跳閘）設(shè)置為80A（延時5ms），對框架反向電流（報警）未提出明確要求，或未設(shè)置，或設(shè)置較大值，這樣就可能會造成無法及時判斷出設(shè)備對地的絕緣故障?？紤]到設(shè)備零漂和精度的疊加影響，筆者提出框架反向電流的設(shè)定建議值10A（延時5ms）。

綜上所述，結(jié)合運營的實際工況，可測出框架反向電流的真實數(shù)據(jù)，進而對其有效設(shè)置，幫助運營維保人員提早預防，避免運行時因設(shè)備絕緣損壞而造成的框架電流保護工作異常。

結(jié)語

隨著城市軌道交通建設(shè)步伐的加快，完善直流供電系統(tǒng)的現(xiàn)場檢測方案，提升運營維保的故障預判能力，變得越來越重要。

本文對直流牽引供電系統(tǒng)框架絕緣檢測方案進行了作詳細的論述，從定期的運營檢測和自動檢測兩個方面進行了闡述。隨著城市軌道交通的發(fā)展，技術(shù)人員的專業(yè)知識深入，會有更多合理可靠的方案被提出，提高運營維保的排查能力，增加設(shè)備運行的可靠性。

參考文獻

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