劉建華

（深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 510840）

隨著城市的擴(kuò)容發(fā)展，將地鐵作為民眾出行的公共交通方式已成為一種主流的發(fā)展模式和趨勢(shì)，實(shí)踐證明其優(yōu)勢(shì)是顯著的。地鐵供電系統(tǒng)采取直流牽引供電方式，利用接觸網(wǎng)-受電弓為機(jī)車提供取流，并利用鋼軌作為機(jī)車負(fù)荷電流回流路徑，這種供電制式具有很多優(yōu)越性，但同時(shí)也存在一定的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，需要設(shè)置一系列安全保護(hù)防范措施。

1 直流框架保護(hù)的原理與功能

1.1 保護(hù)原理

牽引變電所是地鐵中至關(guān)重要的系統(tǒng)，與地鐵運(yùn)營(yíng)安全息息相關(guān)，為保障變電所供電運(yùn)維人員安全及設(shè)備安全，直流一次設(shè)備柜外殼設(shè)置框架保護(hù)，具體分為框架電流保護(hù)和框架電壓保護(hù)。框架電流保護(hù)和框架電壓保護(hù)通過(guò)不同的工作原理，共同完成直流框架保護(hù)任務(wù)，其保護(hù)原理見(jiàn)圖1。

圖1 直流框架保護(hù)原理

如圖1所示，直流一次設(shè)備柜所有外殼框架連為一體，采取對(duì)地絕緣安裝[1]，框架通過(guò)串聯(lián)的T20分流器與大地相連。當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，一次設(shè)備帶電部分與設(shè)備柜外殼碰殼短路，設(shè)備柜外殼帶電，大電流則經(jīng)T20分流器流入大地，大地與鋼軌之間存在過(guò)渡電阻，此大電流從大地通過(guò)過(guò)渡電阻流入鋼軌，經(jīng)鋼軌和回流電纜最終回流到負(fù)極柜，形成直流框架電流一個(gè)完整的回流通路。具體電流路徑可描述為：直流一次設(shè)備正極、柜殼框架、T20分流器、地、軌地過(guò)渡電阻、鋼軌、負(fù)極柜；直流框架電壓保護(hù)的路徑為：直流柜框架外殼、U02電壓變送器、鋼軌及負(fù)極母排。通過(guò)電壓變送器對(duì)框架電壓進(jìn)行采樣，采取直流一次設(shè)備柜框架外殼與鋼軌之間的電位差作為框架電壓測(cè)量值，U02電壓變送器把采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后輸入框架電壓保護(hù)裝置，當(dāng)框架電壓超過(guò)定值，框架電壓保護(hù)裝置則輸出相應(yīng)的框架電壓保護(hù)動(dòng)作指令[2]?？蚣茈妷罕Ｗo(hù)根據(jù)電壓大小和時(shí)間不同分段設(shè)定定值，實(shí)現(xiàn)框架電壓保護(hù)報(bào)警功能或跳閘功能。

1.2 功能及影響

直流框架電流保護(hù)和直流框架電壓保護(hù)因保護(hù)原理不同，動(dòng)作機(jī)制不同，其功能和影響也不同，二者既有相同之處，又有不同之處，既相互影響又相互聯(lián)系?？蚣茈娏鞅Ｗo(hù)是通過(guò)采樣設(shè)備外殼框架對(duì)地的故障泄漏電流作為采樣參數(shù)，框架對(duì)地泄漏電流的大小決定框架電流保護(hù)是否啟動(dòng)。當(dāng)一次設(shè)備對(duì)框架外殼碰殼時(shí)，設(shè)備框架外殼帶電，框架電流流過(guò)柜體框架、分流器、地、過(guò)渡電阻、鋼軌，然后流回負(fù)極，上述部件的電阻大小影響框架電流的大小，并最終影響框架電流保護(hù)是否正常啟動(dòng)。

在實(shí)際應(yīng)用中，直流框架電流保護(hù)動(dòng)作引發(fā)的事故影響較大，直接作用于一次設(shè)備跳閘，且跳閘設(shè)備范圍較大。當(dāng)故障變電所發(fā)生直流柜框架電流保護(hù)動(dòng)作，本所6臺(tái)直流斷路器跳閘，2臺(tái)35 kV整流機(jī)組斷路器跳閘，并聯(lián)跳2鄰站對(duì)應(yīng)的4臺(tái)直流饋線斷路器，共計(jì)12臺(tái)斷路器跳閘。框架電壓保護(hù)分為框架電壓報(bào)警功能和框架電壓跳閘功能，當(dāng)采樣元件采樣到框架電壓達(dá)到報(bào)警定值，框架電壓保護(hù)啟動(dòng)報(bào)警指示功能，對(duì)外起到預(yù)警作用，只報(bào)警不跳閘；當(dāng)框架電壓達(dá)到保護(hù)跳閘定值，框架電壓保護(hù)啟動(dòng)跳閘功能。具體的直流框架電壓保護(hù)跳閘方案為：本所6臺(tái)直流斷路器跳閘，2臺(tái)35 kV整流機(jī)組斷路器跳閘，共計(jì)8臺(tái)斷路器跳閘。由此可見(jiàn)，直流框架電壓保護(hù)和直流框架電流保護(hù)都啟動(dòng)本所共8臺(tái)相同的斷路器跳閘；不同之處為直流框架電流保護(hù)跳閘啟動(dòng)鄰站對(duì)應(yīng)的4臺(tái)直流饋線斷路器跳閘，直流框架電壓保護(hù)跳閘不啟動(dòng)鄰站對(duì)應(yīng)的斷路器跳閘。框架電流保護(hù)和框架電壓保護(hù)的核心共同作用是及早預(yù)防，及時(shí)發(fā)現(xiàn)框架帶電泄漏事故，一旦發(fā)生嚴(yán)重的框架帶電泄漏事故，立即跳開(kāi)相關(guān)一次設(shè)備開(kāi)關(guān)，切斷框架電壓和框架電流來(lái)源，防范事故的發(fā)生和蔓延[3]。

2 頻繁報(bào)警的原因分析

某地鐵牽引變電所頻繁報(bào)直流柜框架電壓報(bào)警U＿warn報(bào)文，框架電流保護(hù)無(wú)動(dòng)作記錄。組織人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采取以下檢查措施：（1）經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)直流一次設(shè)備柜外殼框架對(duì)地電位為0且正常，可排除直流一次設(shè)備對(duì)框架碰殼的情況；（2）解開(kāi)直流系統(tǒng)框架一點(diǎn)接地處電纜，用絕緣電阻測(cè)試儀測(cè)試框架對(duì)地電阻，大于4 MΩ，符合標(biāo)準(zhǔn)值要求，框架對(duì)地絕緣良好；（3）查看牽引變電所直流框架電壓保護(hù)整定值（見(jiàn)表1）。

框架電壓的監(jiān)測(cè)實(shí)質(zhì)為設(shè)備柜外殼與鋼軌的電位差，即框架電壓的大小與設(shè)備柜外殼電位、鋼軌電位都相關(guān)，并取決于二者的差值，設(shè)備柜外殼或鋼軌電位過(guò)高，都有可能引發(fā)框架電壓采樣值超限。正常狀況下，設(shè)備柜外殼與地等電位，當(dāng)鋼軌電位異常時(shí)，框架電壓采樣裝置U02電壓變送器采樣到鋼軌與設(shè)備柜外殼的電位差超過(guò)框架電壓保護(hù)定值，則可能觸發(fā)框架電壓保護(hù)啟動(dòng)。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，鋼軌設(shè)置了軌電位限制保護(hù)裝置，以防止鋼軌電位出現(xiàn)異常偏高的情況。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，一旦鋼軌電位異常，軌電位限制保護(hù)裝置監(jiān)測(cè)到鋼軌電位偏高時(shí)，發(fā)出指令對(duì)鋼軌先行強(qiáng)制接地，從而使鋼軌電位下降，框架電壓保護(hù)不能進(jìn)一步啟動(dòng)[4-6]。軌電位限制裝置保護(hù)整定值見(jiàn)表2。

表1 直流框架電壓保護(hù)整定值

由表1、表2可知，框架電壓的報(bào)警電壓整定值（U＿warn）與軌電位的保護(hù)電壓整定值（U1）相等，都為120 V，報(bào)警時(shí)間整定值（t＿warn）為2 s，軌電位限制裝置動(dòng)作時(shí)間整定值（t1）為0.6 s，即當(dāng)軌電位達(dá)到120 V時(shí)，軌電位限制裝置先動(dòng)作，使鋼軌接地，軌電位降為0，U＿warn不能觸發(fā)。二者通過(guò)1.4 s時(shí)間級(jí)差配合，以滿足繼電保護(hù)的選擇性原則。

牽引變電所頻繁產(chǎn)生框架電壓報(bào)警，軌電位無(wú)動(dòng)作記錄，說(shuō)明可能有2種情況：（1）鋼軌電位限制裝置存在問(wèn)題，當(dāng)鋼軌電位超限，軌電位限制裝置未動(dòng)作，導(dǎo)致觸發(fā)框架電壓保護(hù)報(bào)警；（2）框架電壓保護(hù)裝置存在問(wèn)題，框架電壓采樣不準(zhǔn)，與軌電位限制裝置電壓采樣不一致，二者存在誤差，導(dǎo)致二者在時(shí)間配合上無(wú)法形成級(jí)差。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)定量測(cè)試校驗(yàn)，在負(fù)極柜-鋼軌處加電壓，框架電壓保護(hù)裝置、軌電位限制裝置測(cè)試顯示數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

由表3可知，框架電壓采樣值與實(shí)際值存在誤差，誤差為+2 V，軌電位限制裝置電壓采樣與框架電壓采樣不一致，導(dǎo)致二者在時(shí)間上無(wú)法配合?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中，軌電位未達(dá)到120 V，框架電壓裝置已采樣到鋼軌對(duì)框架電壓為120 V，達(dá)到框架電壓保護(hù)報(bào)警的整定值，框架電壓保護(hù)報(bào)警動(dòng)作，而軌電位限制裝置未能動(dòng)作?？蚣茈妷翰蓸诱`差值為+2 V，此測(cè)量誤差在框架電壓保護(hù)報(bào)警整定值120 V的±5%之內(nèi)，屬于允許誤差（±6 V）之內(nèi)，符合繼電保護(hù)校驗(yàn)工藝規(guī)程要求[7-9]。

表2 軌電位限制裝置保護(hù)整定值

表3 框架電壓保護(hù)裝置、軌電位限制裝置測(cè)試數(shù)據(jù) V

3 處理對(duì)策

通過(guò)上述分析可知，框架電壓保護(hù)裝置與軌電位限制保護(hù)裝置二者的電壓采樣測(cè)量存在誤差，采樣數(shù)據(jù)不一致，使二者在動(dòng)作時(shí)間上無(wú)法配合，導(dǎo)致失去繼電保護(hù)選擇性，是框架電壓保護(hù)頻繁誤報(bào)警的根本原因。而上述誤差又在設(shè)備測(cè)量誤差允許范圍內(nèi)，因此在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中，上述問(wèn)題很難歸結(jié)為設(shè)備質(zhì)量問(wèn)題，屬于設(shè)計(jì)要求與設(shè)備制造水平之間存在差距的矛盾[10]。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，框架電壓保護(hù)裝置采樣測(cè)量元件難以調(diào)整，但可以對(duì)軌電位限制裝置的電壓采樣測(cè)量進(jìn)行調(diào)整，充分利用允許誤差，使軌電位限制裝置采樣誤差與框架電壓采樣誤差偏差同向，人為調(diào)整軌電位限制裝置的電壓采樣零飄值為+2 V，此時(shí)，軌電位限制裝置與框架電壓保護(hù)裝置的電壓采樣數(shù)據(jù)同步一致。重新設(shè)置后，用繼保儀在負(fù)極柜-鋼軌加壓，當(dāng)加到120 V時(shí)，軌電位限制裝置立即先動(dòng)作，軌電位降為0，框架電壓保護(hù)報(bào)警未能啟動(dòng)，軌電位限制裝置動(dòng)作時(shí)間比框架電壓保護(hù)報(bào)警動(dòng)作快1.4 s，實(shí)現(xiàn)了二者在動(dòng)作時(shí)間上的配合。至此，圓滿解決了當(dāng)鋼軌電位偏高時(shí)框架電壓保護(hù)頻繁誤報(bào)警的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

闡述地鐵牽引變電所直流框架保護(hù)的電路原理與功能，分析框架保護(hù)的工作機(jī)制及影響因素；對(duì)直流框架電流保護(hù)和框架電壓保護(hù)的跳閘動(dòng)作特點(diǎn)進(jìn)行比較，并重點(diǎn)對(duì)直流框架電壓保護(hù)頻繁報(bào)警的原因進(jìn)行研究，通過(guò)理論分析和現(xiàn)象排除，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，得出直流框架電壓保護(hù)頻繁誤報(bào)警的原因：軌電位限制裝置和框架電壓數(shù)據(jù)采樣值不一致，導(dǎo)致二者在動(dòng)作時(shí)間上無(wú)法配合。通過(guò)運(yùn)用設(shè)備允許誤差概念，調(diào)節(jié)軌電位限制裝置的電壓采樣零飄值，使上述2種電壓采樣值保持一致，解決了直流框架電壓保護(hù)頻繁報(bào)警的問(wèn)題，提高了供電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，并進(jìn)一步保障了供電運(yùn)維人員的安全。