中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司 張 斌 王衛(wèi)東

城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)接地保護(hù)問題探討

中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司 張 斌 王衛(wèi)東

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，我國建成運(yùn)營的城市軌道交通線路越來越多。除了重慶跨座式單軌采用了負(fù)極回流軌（即四軌）的跨座式單軌交通直流牽引系統(tǒng)外，我國絕大多數(shù)城市的軌道交通均采用的是正極接觸網(wǎng)或接觸軌供電、負(fù)極鋼軌回流的牽引方式。

一、鋼軌回流方式直流牽引系統(tǒng)的接地保護(hù)

1.直流框架保護(hù)。所謂框架即直流設(shè)備外殼，直流框架保護(hù)實(shí)際上就是直流接地保護(hù)。直流框架保護(hù)的主要作用有：一是為了防止?fàn)恳冸娝鶅?nèi)直流開關(guān)柜內(nèi)部設(shè)備的絕緣降低而對人身造成傷害；二是當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)正極直接碰殼發(fā)生短路時(shí)，可以快速切除故障，起到保護(hù)作用。直流框架保護(hù)由1個電流元件和1個電壓元件組成，其保護(hù)原理接線如圖1所示。

圖1 直流框架保護(hù)原理接線

由圖1可知，由于電流元件是一個能承受100 kA短路電流、阻值為0.15 mΩ的分流器，其一端接設(shè)備外殼，另一端與變電所地網(wǎng)相連，因而設(shè)備外殼與地是完全連通的。直流設(shè)備絕緣安裝的目的是讓泄漏的電流流經(jīng)電流元件，從而起到收集泄漏電流的作用。電壓元件一端接鋼軌（負(fù)極），另一端接框架（即地），它和鋼軌電位限制裝置的接法是一樣的。

（1）電流元件。電流元件是框架保護(hù)的主保護(hù)。一旦直流開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生正極碰殼故障，電流元件即會啟動，保護(hù)動作（跳閘）后，將該所斷路器閉鎖合閘。

（2）電壓元件。電壓元件作為后備保護(hù)被而整定為報(bào)警和跳閘二段，并被設(shè)置就地的投入/切除功能。當(dāng)鋼軌對地絕緣良好或絕緣泄漏電阻大，不利于電流元件的檢測和動作時(shí)，電壓元件即會檢測到故障發(fā)生時(shí)的地–鋼軌（負(fù)極）電壓，并動作跳閘。

當(dāng)變電所內(nèi)直流設(shè)備的正極對外殼短路、接觸網(wǎng)對架空地線或鋼軌短路時(shí)，地電位或鋼軌電位就會升高，電壓元件即會在鋼軌和地之間檢測到電壓。當(dāng)該電壓大于電壓元件的整定值時(shí)，電壓元件就會報(bào)警或動作，相關(guān)的斷路器就會跳閘。

框架電壓保護(hù)動作后，該牽引所的直流饋線斷路器和整流器進(jìn)線中壓開關(guān)就會全部跳閘。這屬于嚴(yán)重故障。因此，框架電壓保護(hù)只能作為鋼軌電位限制裝置的后備保護(hù)。在確保安全電壓和可靠運(yùn)行的前提下，要合理設(shè)定兩者的電壓動作值和延時(shí)值，保證鋼軌電位限制裝置接觸器先動作。通常鋼軌電位限制裝置的U＞設(shè)定在90 V以內(nèi)，延時(shí)設(shè)定在0.6 s內(nèi)，瞬時(shí)動作閉鎖U＞＞值設(shè)定為DC（直流）150 V；而框架電壓的報(bào)警值設(shè)定在DC（直流）95 V，計(jì)數(shù)延時(shí)為0.8 s，跳閘值為DC（直流）150 V，計(jì)數(shù)延時(shí)在0.5 s以上。在實(shí)際運(yùn)營中，由于鋼軌電位經(jīng)常莫名升高，且長期達(dá)到電壓元件動作值，因而為了不影響運(yùn)營，很少投入框架電壓保護(hù)。

2.直流饋線保護(hù)。牽引變電所的每臺直流饋線開關(guān)柜里都裝有一臺直流饋線保護(hù)單元：除斷路器本身具有大電流脫扣保護(hù)外，還配置有電流速斷保護(hù)（Imax）、電流上升率（d i/d t）及電流增量（ΔI）保護(hù)、接觸網(wǎng)過負(fù)荷保護(hù)、雙邊聯(lián)跳保護(hù)、線路測試和自動重合閘裝置。這些保護(hù)裝置可根據(jù)故障類型選擇性啟動。

鋼軌采用絕緣安裝，按照《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》（CJJ49–92）第4.2.1條規(guī)定：兼用作回流的地鐵走行軌與隧洞主體結(jié)構(gòu)（或大地）之間的過渡電阻值（按閉塞區(qū)間分段進(jìn)行測量并換算為1 km長度的電阻值），對于新建線路不應(yīng)小于15 Ω?km，對于運(yùn)行線路不應(yīng)小于3 Ω?km。理論上，短路回路阻值較大，應(yīng)該是小電流。但在實(shí)際測量中，鋼軌與大地的過渡電阻通常只有1 Ω左右，低的甚至?xí)档?.5 Ω以下，即鋼軌和大地基本是連通的，所以正極對地短路實(shí)際上也會產(chǎn)生很大電流。因此，直流饋線保護(hù)對于軌道交通的安全運(yùn)營有著舉足輕重的作用。

二、跨座式單軌交通直流牽引系統(tǒng)的接地漏電保護(hù)

重慶輕軌為跨座式單軌交通系統(tǒng)，采用的是日本技術(shù)，車輛通過橡膠輪胎在軌道橋梁上運(yùn)行。該系統(tǒng)接觸網(wǎng)的額定電壓為DC1 500 V；剛性接觸軌垂直布置在軌道梁兩側(cè)，一側(cè)為正極，另一側(cè)為負(fù)極；鋁合金匯流排通過絕緣安裝的支持絕緣子“T”形托架固定，并通過調(diào)節(jié)孔垂直調(diào)整拉出值。

1.接地漏電保護(hù)裝置的工作原理。為了能快速切除接觸網(wǎng)正極對地的短路故障，避免電壓波動，保證直流設(shè)備的正常運(yùn)行和乘客安全，在牽引變電所的負(fù)極與地之間設(shè)置接地漏電保護(hù)裝置（以下稱64D）是十分必要的。接地漏電保護(hù)裝置原理如圖2所示。

圖2 接地漏電保護(hù)裝置原理

（1）車輛在區(qū)間運(yùn)行時(shí)的保護(hù)動作情況。由圖2可知，當(dāng)車輛內(nèi)部發(fā)生正極對車體外殼絕緣降低的情況時(shí)，GR動作，車輛內(nèi)部的線路斷路器LB跳開。當(dāng)發(fā)生車輛內(nèi)部正極對外殼短路（實(shí)際上是正負(fù)極短路）或正極接觸軌對地短路故障時(shí)，由于GR或64D動作時(shí)間較慢，因而直流饋線保護(hù)裝置會快速啟動，斷開故障線路，并聯(lián)跳鄰所對應(yīng)開關(guān)。

（2）車輛在站臺停靠時(shí)的保護(hù)動作情況。當(dāng)車輛運(yùn)行到車站時(shí)，車體外殼就會與地連接，如果此時(shí)車輛內(nèi)部正極絕緣不良發(fā)生對地泄漏，就要考慮車輛上GR與變電所64D的配合問題。一般車輛上的接地漏電保護(hù)裝置GR整定值為100 V，動作后車輛的線路斷路器LB跳開。變電所接地漏電保護(hù)裝置64D的動作電壓一般整定為200 V左右，動作后變電所所有直流饋線斷路器跳開，并啟動重合閘。

2.接地漏電保護(hù)與框架電流保護(hù)的配合。為保證直流設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，直流系統(tǒng)仍需保留框架保護(hù)的電流元件。接地漏電保護(hù)與框架電流泄漏保護(hù)配合原理如圖3所示。

圖3 接地漏電保護(hù)與框架電流泄漏保護(hù)配合原理圖

由圖3可知，框架電流保護(hù)主要用于變電所內(nèi)的直流設(shè)備正極碰殼保護(hù)，64D主要用于直流饋線正極絕緣不良和正極接地短路保護(hù)。當(dāng)直流開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生正極對框架絕緣不良或正極對地短路時(shí)，因?yàn)榭蚣茈娏鞅Ｗo(hù)時(shí)間為瞬時(shí)，64D啟動跳閘時(shí)間一般為延時(shí)0.3 s，所以框架電流保護(hù)會先于64D啟動。當(dāng)直流饋線正極絕緣不良和正極接地短路時(shí)，直流饋線保護(hù)裝置和64D均會啟動，框架電流保護(hù)則不會啟動。

三、關(guān)于鋼軌電位限制裝置的接地問題

在采用鋼軌回流的直流牽引供電系統(tǒng)中，由于鋼軌采用絕緣安裝，因而需要在鋼軌與地之間設(shè)置鋼軌電位限制裝置，以防鋼軌電壓過高對人體造成傷害。

1.鋼軌電位限制裝置動作原理。鋼軌電位限制裝置一般由接觸器、晶閘管、保護(hù)單元、顯示設(shè)備、測量和操作回路、信號回路等部分組成，動作原理如圖4所示。

圖4 鋼軌電位限制裝置動作原理

鋼軌電位限制裝置的動作特性為三級檢壓：

當(dāng)U＞為90 V時(shí)，延時(shí)0.6 s直流接觸器動作，鋼軌與大地短接，經(jīng)10 s斷開。閉鎖狀態(tài)下，當(dāng)短路裝置在2次動作時(shí)間間隔小于60 s且連續(xù)動作3次后，短路裝置不再斷開；2次動作時(shí)間間隔大于60 s時(shí)，則重新計(jì)數(shù)。

當(dāng)U＞＞為150 V時(shí)，直流接觸器動作，無延時(shí)永久合閘，不再斷開。

當(dāng)U＞＞＞為600 V時(shí)，晶閘管裝置瞬時(shí)短接鋼軌與大地，然后啟動接觸器合閘，接觸器合閘時(shí)間不大于100 ms。接觸器合閘后晶閘管立即恢復(fù)高阻狀態(tài)，接觸器閉鎖保持在合閘狀態(tài)。

2.鋼軌電位限制裝置與直流系統(tǒng)接地保護(hù)。國內(nèi)最初引進(jìn)此項(xiàng)技術(shù)時(shí)，每個牽引變電所都設(shè)有2臺鋼軌電位限制裝置，即上、下行分開，這樣就便于查找鋼軌電位升高的原因。現(xiàn)在的普遍做法是將上、下行鋼軌通過均流電纜連接在一起，每個變電所只設(shè)置一臺鋼軌電位限制裝置。這樣做的結(jié)果是當(dāng)鋼軌電位升高時(shí)，無法很快區(qū)分出到底是哪條鋼軌絕緣不良，也使鋼軌電位限制裝置動作時(shí)雜散電流泄漏的概率增加了一倍。

從目前國內(nèi)地鐵鋼軌回流方式直流牽引系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)營情況來看，鋼軌電位升高、鋼軌電位限制裝置動作頻繁的現(xiàn)象較為常見，個別運(yùn)營線路的鋼軌電位甚至長期處于150 V左右的高位，鋼軌電位限制裝置完全發(fā)揮不了其應(yīng)有的作用。

鋼軌回流方式不像跨座式單軌那樣有64D作為專用的短路回路，因而發(fā)生直流系統(tǒng)正極對地短路（包括直流饋線保護(hù)和框架電流保護(hù)）時(shí)，直流饋線保護(hù)的靈敏性和可靠性會下降，整定值不合適就有可能不會快速跳閘，給地鐵的安全運(yùn)行和乘客的人身安全帶來巨大隱患。

四、結(jié)論

從目前國內(nèi)地鐵實(shí)際運(yùn)營情況來看，鋼軌電位限制裝置不僅沒有起到其應(yīng)有的作用，反而還因其長期投入帶來了雜散電流的泛濫，危及地鐵系統(tǒng)的運(yùn)行安全，但不投入又會給乘客的人身安全帶來隱患。因此，筆者建議取消牽引變電所鋼軌電位限制裝置，同時(shí)參照跨座式單軌交通直流牽引系統(tǒng)加裝接地漏電保護(hù)裝置。這樣做有三個好處：一是把鋼軌對地電壓限制在一個安全水平，可以有效保證乘客的人身安全；二是解決了鋼軌電位限制裝置帶來的雜散電流對地鐵之外大地的擴(kuò)散問題；三是提供了直流系統(tǒng)正極對地短路的回路，提高了直流接地保護(hù)裝置的靈敏性和可靠性。