邵亞龍

摘 要：城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)大多采用DC1500V架空接觸網(wǎng)供電，以走行軌為回流通路。列車、或發(fā)生系統(tǒng)短路故障時(shí)，因鋼軌作為牽引回流的通路以及鋼軌與地之間過渡電阻的存在，鋼軌對(duì)地產(chǎn)生一定的懸浮電位差。本文論述了鋼軌電位限制裝置與框架保護(hù)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：直流;牽引供電;保護(hù)

為防止鋼軌對(duì)地電位過高造成人身傷害，每個(gè)車站和車場都設(shè)有鋼軌電位限制裝置（OVPD）。為滿足直流牽引供電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行及保護(hù)乘客安全的要求，須合理選擇OVPD的設(shè)備參數(shù)，并考慮與其它設(shè)備之間的配合關(guān)系。

1、OVPD動(dòng)作特性及鋼軌對(duì)地電位升高原因

1.1 OVPD動(dòng)作特性

OVPD安裝在各個(gè)車站及停車場內(nèi)，監(jiān)測鋼軌與地之間的電壓。如果該電壓超過整定值時(shí)，OVPD動(dòng)作，將鋼軌與地短接。同時(shí)，監(jiān)測流過OVPD中（鋼軌與地之間）的電流。當(dāng)該電流低于整定值時(shí)，OVPD將自動(dòng)復(fù)位，斷開鋼軌與地的連接。

1.2 鋼軌對(duì)地電位升高的主要因素

正常運(yùn)行狀態(tài)下，供電區(qū)段內(nèi)列車運(yùn)行時(shí)，鋼軌中流過牽引負(fù)荷電流，造成鋼軌對(duì)地電位的升高（正值或負(fù)值）。鋼軌對(duì)地電位的大小，主要與線路上機(jī)車的數(shù)量、負(fù)荷電流、牽引所間距、鋼軌 地間的過渡電阻等因素相關(guān)。

當(dāng)發(fā)生以下故障時(shí)，引起鋼軌對(duì)電位的陡升：①接觸網(wǎng)與鋼軌發(fā)生短路;②接觸網(wǎng)對(duì)架空地線（地）發(fā)生短路故障;③直流設(shè)備發(fā)生柜架泄漏故障;④牽引變電所整流變壓器二次側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路。

直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，必須在短時(shí)間內(nèi)切除故障或降低鋼軌對(duì)地電位，以保證人身及設(shè)備安全。

2、框架保護(hù)裝置特性

框架保護(hù)裝置主要用于當(dāng)直流設(shè)備正極對(duì)設(shè)備外殼發(fā)生短路時(shí)，起動(dòng)相應(yīng)斷路器跳閘，快速切除故障，使供電設(shè)備免遭損壞。當(dāng)任意一個(gè)直流設(shè)備內(nèi)正極對(duì)外殼短路時(shí)，接地電流通過電流測量元件流入地網(wǎng)，再通過鋼軌與地之間的過渡電阻（或排流柜）回到鋼軌（負(fù)極）。當(dāng)接地電流達(dá)到整定值時(shí)，框架保護(hù)的電流元件動(dòng)作; 同時(shí)電壓測量元件檢測負(fù)極與設(shè)備外殼間的電壓值，當(dāng)電壓大于整定值時(shí)，電壓元件在整定的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，使相應(yīng)的交、直流斷路器跳閘，切除故障。

3、OVPD與框架保護(hù)動(dòng)作時(shí)間配合及存在問題分析

3.1動(dòng)作時(shí)間的配合

OVPD主要用于保護(hù)人身安全，其動(dòng)作特性應(yīng)能滿足EN50122-1（ProtectiveProvisionsRelat ingtoElectricalSafetyandEarthing）標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的的人體耐受電壓-時(shí)間特性曲線的要求。

列車的正常起動(dòng)及運(yùn)行時(shí)，鋼軌-地電位升高。當(dāng)OVPD測出鋼軌-地電位超過整定值時(shí)，OVPD動(dòng)作，將鋼軌與地短接。由圖1可知，OVPD與框架保護(hù)的電壓元件測量基本上是同一個(gè)電壓值。此時(shí)框架保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作。目前采取的配合方式是框架保護(hù)電壓元件動(dòng)作時(shí)間整定值比OVPD動(dòng)作時(shí)間整定值長（相同的測量電壓條件下），或電壓整定值比OVPD要高。

當(dāng)直流設(shè)備的正極對(duì)設(shè)備外殼發(fā)生短路故障時(shí)，OVPD和框架保護(hù)的電壓元件均檢測到一個(gè)瞬時(shí)的高電壓。此時(shí)要求框架保護(hù)應(yīng)先于OVPD動(dòng)作。

3.2 框架保護(hù)存在問題分析

（1）軌道交通投入運(yùn)行初期，鋼軌對(duì)地絕緣性能較好，當(dāng)牽引所直流設(shè)備發(fā)生框架泄漏故障時(shí)，流過電流元件中的電流很小，框架保護(hù)電流元件不動(dòng)作。當(dāng)電壓元件檢測到鋼軌和地之間的電壓大于整定值時(shí)，框架保護(hù)在整定的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，整流機(jī)組交、直流側(cè)斷路器跳閘。當(dāng)某一個(gè)牽引變電所發(fā)生框架泄漏故障時(shí)，整條線路的鋼軌對(duì)地電位都會(huì)升高。即各個(gè)牽引變電所框架保護(hù)電壓元件會(huì)檢測到負(fù)極與地之間較高的電壓值，并同時(shí)起動(dòng)框架保護(hù)。其它未發(fā)生框架泄漏故障的牽引變電所框架保護(hù)產(chǎn)生誤動(dòng)作，擴(kuò)大了事故停電范圍。當(dāng)接觸網(wǎng)對(duì)架空地線發(fā)生短路時(shí)，其動(dòng)作情況與其相同。

（2）經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行之后，鋼軌對(duì)地絕緣性能下降，過渡電阻減小，發(fā)生框架故障時(shí)框架保護(hù)電流元件能夠可靠動(dòng)作，并作用于相應(yīng)的斷路器跳閘。但此時(shí)鋼軌與地之間的電位差值減小，當(dāng)整定值過高時(shí)，框架保護(hù)的電壓元件不動(dòng)作。

（3）直流設(shè)備發(fā)生框架泄漏故障時(shí)，本所的直流斷路中沒有電流或很小的電流流過，直流快速開關(guān)不能在短時(shí)間內(nèi)切除故障，即使直流斷路器能快速跳閘，框架泄漏故障也未切除。只有當(dāng)整流機(jī)組交流側(cè)斷路器跳閘后，才能切除框架泄漏故障。在故障切除之前，OVPD兩端的電壓與框架保護(hù)電壓元件測量的電壓相同，若OVPD不能在要求的時(shí)間內(nèi)閉合，則可能導(dǎo)致電擊傷人事件的發(fā)生。當(dāng)OVPD動(dòng)作后，形成了一個(gè)金屬性的近端通路，通過OVPD的短接作用使框架保護(hù)電流元件中流過較大的短路電流，框架保護(hù)裝置能夠可靠動(dòng)作，迅速切除故障。

當(dāng)接觸網(wǎng)對(duì)架空地線發(fā)生短路時(shí)，OVPD的快速動(dòng)作使架空地線與負(fù)極間形成了一個(gè)金屬性的通路，饋線斷路器及架空地線中流過較大的短路電流，可使本所饋線斷路器中的大電流脫扣，保護(hù)/定時(shí)限過電流保護(hù)動(dòng)作快速跳閘，切除故障。

從以上分析可知，框架保護(hù)電壓元件在實(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)設(shè)備的作用，反而會(huì)造成事故障范圍的擴(kuò)大。因此建議框架保護(hù)中取消電壓元件。

4、OVPD電氣參數(shù)分析

4.1 OVPD的類型

OVPD主要有兩種類型：接觸器型和晶閘管接觸器組合型。

接觸器型OVPD，是在檢測到軌地電位值高于整定值時(shí)，接觸器動(dòng)作，將鋼軌與地短接，其動(dòng)作時(shí)間約為150～200ms。

晶閘管接觸器組合型OVPD，由晶閘管回路及接觸器回路兩個(gè)主回路構(gòu)成。當(dāng)檢測到軌地電位值高于整定值時(shí)，晶閘管快速導(dǎo)通，同時(shí)起動(dòng)接觸器動(dòng)作，將鋼軌與接地極短接，因此其動(dòng)作時(shí)間非常短（約為3ms）。4.2 晶閘管接觸器型OVPD主要參數(shù)的選取

（1）OVPD承受的最大短路電流

直流牽引供電系統(tǒng)中，OVPD承受短路電流最嚴(yán)重的情況是發(fā)生框架泄漏故障或接觸網(wǎng)與架空地線短路時(shí)。當(dāng)OVPD動(dòng)作后，晶閘管主回路中通過的短路電流為本所整流機(jī)組提供的短路電流I及相鄰牽引所提供的短路電流I1、I2之和。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知（對(duì)于不同容量的整流機(jī)組、牽引變電所間距，其電流值將有所變化），晶閘管主回路中電流的變化。因此在選取OVPD時(shí)，OVPD承受短路電流的能力應(yīng)能滿足最嚴(yán)重故障時(shí)的短路電流而不致?lián)p壞。

（2）晶閘管承受的時(shí)間

當(dāng)發(fā)生框架泄漏故障時(shí)，晶閘管回路導(dǎo)通，框架保護(hù)電流元件測出泄漏電流。從啟動(dòng)框架保護(hù)到本所交流側(cè)斷路器及直流斷路器全部跳閘的時(shí)間約為120～170ms，而接觸器的動(dòng)作時(shí)間約為150～200ms。因此，晶閘管回路承受短路電流的持續(xù)時(shí)間，應(yīng)為OVPD晶閘管回路導(dǎo)通后一直到接觸器回路合閘的時(shí)間。

5、結(jié)語

（1）當(dāng)直流設(shè)備發(fā)生框架泄漏故障或接觸網(wǎng)與架空地線短路時(shí)，為保證人身安全，OVPD動(dòng)作時(shí)間應(yīng)滿足EN50122-1標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）OVPD裝置工作的最嚴(yán)重工況為發(fā)生框架泄漏故障或接觸網(wǎng)與架空地線短路時(shí)。此時(shí)OVPD承受短路電流最大，持續(xù)時(shí)間最長，選擇的OVPD應(yīng)能承受最嚴(yán)重故障情況下的短路電流，而不致?lián)p壞設(shè)備。

（3）應(yīng)依據(jù)供電計(jì)算得出的最大短路電流值，選取OVPD設(shè)備。

（4）當(dāng)發(fā)生框架泄漏故障或接觸網(wǎng)與架空地線短路故障時(shí)，導(dǎo)致整個(gè)線路鋼軌（負(fù)極）與地電位差的陡升，在采用晶閘管接觸器型OVPD后，建議框架保護(hù)中取消電壓元件。否則只會(huì)增加設(shè)備的跳閘次數(shù)，進(jìn)而影響牽引系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]于孫偉，楊興山，韓連祥等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M].第一版.成都：西南交通大學(xué)出版社，2008年6月