賈立斌

（北京地鐵供電分公司 北京 102218）

框架泄漏保護(hù)是直流供電系統(tǒng)特有的一種繼電保護(hù)類型，在北京地鐵不同電壓等級的直流牽引系統(tǒng)中都得以廣泛運(yùn)用，是地鐵直流供電系統(tǒng)中為保障設(shè)備和人身安全的必要手段。但隨著北京地鐵的發(fā)展，地鐵運(yùn)營在城市建設(shè)和公共交通中的作用日益增重，又因北京作為首都的特殊性，北京地鐵在各種節(jié)日和重大活動中需要起到為重大節(jié)假日保駕的作用?？蚣苄孤┍Ｗo(hù)一旦動作，其恢復(fù)時間長且影響范圍廣的負(fù)面影響在當(dāng)今嚴(yán)格的運(yùn)營要求下顯得格格不入。本文以北京地鐵7 號線為例，通過分析框架泄漏保護(hù)的原理和作用，在其檢測方式和動作范圍上，針對北京地鐵的特殊需要，提出了改進(jìn)意見和方案，以更好地滿足地鐵運(yùn)營的要求。

1 1500V供電系統(tǒng)的構(gòu)成和供電方式

7號線牽引供電網(wǎng)采用DC1500V下接觸軌授電和走行軌回流的方式。DC1500V牽引供電系統(tǒng)主要由整流機(jī)組、直流正負(fù)極開關(guān)設(shè)備、饋線、隧道柜、接觸三軌、走行鋼軌、回流電纜、均流電纜、排流柜和鋼軌電位限制裝置等組成。每座牽引變電所設(shè)兩套整流機(jī)組（變壓器—整流器），牽引變電所10kV側(cè)采用單母線分段接線，兩套AC10kV/DC15000V12脈波整流機(jī)組并連接在同一段10kV 母線上，構(gòu)成等效24 脈波整流向牽引網(wǎng)供電，以減少注入牽引供電系統(tǒng)的高次諧波。牽引變電所DC1500V側(cè)母線為單母線接線方式，標(biāo)準(zhǔn)站每座牽引變電所設(shè)置4 個饋出開關(guān)，分別向上下行接觸軌的左右兩個供電區(qū)段供電，站站相連，最終形成每個供電區(qū)段都有兩個變電站從兩側(cè)同時供電的雙邊供電方式。牽引變電所出口設(shè)縱聯(lián)斷路器，特殊情況下，用于實現(xiàn)跨越變電站的大雙邊供電。

2 框架保護(hù)的原理

在直流牽引系統(tǒng)中，由于設(shè)備框架設(shè)置為對地絕緣安裝，框架泄漏保護(hù)裝置可用來降低直流牽引系統(tǒng)中各設(shè)備框架的對地電壓，限制高壓設(shè)備與框架間絕緣降低或發(fā)生搭接時引起的電壓提升，并實時監(jiān)測設(shè)備框架與接地點(diǎn)之間的電流和設(shè)備框架與直流負(fù)母線之間的電壓。當(dāng)達(dá)到動作定值時，框架泄漏保護(hù)動作切除故障點(diǎn)，從而保證人員和設(shè)備安全。其可分為電壓型和電流型兩種［1］。

2.1 電流型框架保護(hù)

檢測設(shè)備外殼和大地之間的電流值，即直流設(shè)備正極對外殼放電時對地的泄漏電流。當(dāng)達(dá)到動作定值80A、延時超過2ms時，綜合保護(hù)裝置發(fā)出跳閘命令，使直流各分閘開關(guān)、總閘開關(guān)和整流機(jī)組的輸入開關(guān)跳閘，并聯(lián)跳和閉鎖鄰站與故障站對應(yīng)的分閘開關(guān)，閉鎖信號在4s 后自動消失，以徹底切除故障點(diǎn)，保障設(shè)備和人身安全。

2.2 電壓型框架保護(hù)

檢測負(fù)極和設(shè)備外殼之間的電位差（由于設(shè)備外殼單點(diǎn)接地也可視為負(fù)極與地之間的電位差，即“軌電位”），并與軌電位限制裝置相配合，與后備保護(hù)類似，作為軌電位因故障和其他原因不能動作的后備措施。當(dāng)達(dá)到動作定值時（見圖1），綜合保護(hù)裝置發(fā)出跳閘命令，使直流各分閘開關(guān)、總閘開關(guān)和整流機(jī)組的輸入開關(guān)跳閘，但不聯(lián)跳、不閉鎖鄰站分閘開關(guān)，起到限制走行軌與大地之間電壓的作用，以保證人身安全。

圖1 電壓型框架保護(hù)動作定值

3 框架保護(hù)的檢測方式

3.1 電流型框架檢測

當(dāng)牽引變電站框架保護(hù)范圍內(nèi)采用絕緣安裝的設(shè)備，正極對外殼發(fā)生短路時，短路電流流經(jīng)框架外殼、接地電纜及分流器、排流網(wǎng)，最后經(jīng)過列車走行軌（走行軌為了減少雜散電流安裝，有對地的絕緣層，但依然不可避免地存在絕緣泄露電阻）或排流柜，形成回路回到電源的負(fù)極，通過電流變送器配合分流器，將檢測到的電流值傳輸給綜合保護(hù)裝置，如圖2所示。

3.2 電壓型框架保護(hù)的檢測

當(dāng)負(fù)極對地電壓升高，電壓模塊檢測到負(fù)極柜內(nèi)負(fù)母排上的檢測點(diǎn)和設(shè)備外殼之間的電壓時，通過電壓變送器，配合電壓模塊，將檢測到的電壓值傳至綜合保護(hù)裝置，如圖2所示。

圖2 框架保護(hù)檢測原理示意圖

4 電壓型框架保護(hù)與軌電位的關(guān)系

電壓型框架檢測的是電源負(fù)極對設(shè)備外殼之間的電壓，設(shè)備外殼同時通過分流器接地；鋼軌電位限制裝置檢測的是鋼軌對地的電壓?？蚣鼙Ｗo(hù)裝置與軌電位裝置的檢測方式相同，只是檢測的接線略有不同。在保護(hù)定值的設(shè)置上，電壓型框架保護(hù)要滯后于鋼軌電位限制裝置，正常情況下，軌電位裝置優(yōu)先動作。當(dāng)其發(fā)生故障不能動作，檢測電壓升高到電壓型框架保護(hù)的定值時，電壓型框架保護(hù)再進(jìn)行報警、動作跳閘，此時，電壓型框架保護(hù)可視為鋼軌電位限制裝置的后備保護(hù)［2］。

5 框架泄漏保護(hù)在實際運(yùn)行中的缺點(diǎn)

當(dāng)電流型框架保護(hù)動作后，故障所在的變電站的兩臺整流機(jī)組交流進(jìn)線開關(guān)、兩臺直流進(jìn)線開關(guān)、四臺直流饋線開關(guān)全部跳閘，且分別聯(lián)跳相鄰變電站與之相對應(yīng)的4 個直流饋線開關(guān)并閉鎖。一旦出現(xiàn)此故障，會立即致使故障變電站所涉及的兩個牽引供電區(qū)段中止供電，雖然能有效地切除故障點(diǎn)，但其停電范圍之廣、影響范圍之大、恢復(fù)時間之長，對于運(yùn)營壓力日益增加的北京地鐵無疑會產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。

6 解決方案

目前，框架泄漏保護(hù)的電壓和電流值的檢測是全部匯集到負(fù)極柜一處進(jìn)行的，再通過電壓和電流變送器傳導(dǎo)至保護(hù)裝置，即將兩臺整流柜和直流開關(guān)、柜負(fù)極柜、端子柜用電纜相連形成一個整體框架進(jìn)行檢測。為了減少框架保護(hù)動作造成的影響，同時又能更好地達(dá)到有選擇性地切除故障點(diǎn)的繼電保護(hù)作用，可以將原整體框架分開形成3 個獨(dú)立的框架，并增加兩套電流互感器和電流變送器，對框架分別進(jìn)行檢測［3-4］，如圖3所示。

圖3 框架保護(hù)檢測回路示意圖

6.1 改變框架結(jié)構(gòu)

將原來由兩臺整流柜和直流進(jìn)線及饋線開關(guān)柜、負(fù)極柜及端子柜（以下簡稱直流開關(guān)柜）通過電纜連接做成的整體框架分割為1#整流柜、2#整流柜、直流開關(guān)柜3部分。

6.2 增加檢測點(diǎn)和檢測設(shè)備

給兩臺整流柜分別加裝分流器和電流變送器，形成兩套獨(dú)立的電流型框架保護(hù)用的檢測單元，但在實際的安裝中，需將兩套檢測單元設(shè)置在負(fù)極柜內(nèi)而非整流柜，主要出于以下3個原因。

6.2.1 安裝成本

原設(shè)備有兩條電纜，將兩臺整流柜分別與直流開關(guān)柜的框架相連并最終接地。若將新增檢測單元設(shè)置在整流柜內(nèi)，需要拆除電纜，增加兩處接地點(diǎn)，增加二次接線至負(fù)極柜的保護(hù)裝置；若設(shè)置在負(fù)極柜內(nèi)，僅需拆下負(fù)極柜內(nèi)電纜，增加檢測單元，最終接至負(fù)極柜內(nèi)原接地點(diǎn)接地，相對于前者，極大地減少了施工量和降低了施工難度，并減少成本。

6.2.2 對原設(shè)備影響及施工風(fēng)險

將新增檢測單元設(shè)置在負(fù)極柜內(nèi)，原整流柜處設(shè)備無須新增或減少，無須大范圍拆除、新增電纜，也無須增加接地點(diǎn)，極大地減少了對原設(shè)備的影響和施工過程中產(chǎn)生的安全和運(yùn)營風(fēng)險。

6.2.3 減少可能出現(xiàn)的故障

鑒于運(yùn)行中的整流柜內(nèi)發(fā)熱量大、變送器設(shè)計精密對環(huán)境溫度要求較高，設(shè)置在整流柜內(nèi)，會影響檢測設(shè)備的安全、有效運(yùn)行。

6.3 調(diào)整電流型框架泄漏保護(hù)的動作范圍

6.3.1 一臺整流柜故障

當(dāng)某一臺整流柜出現(xiàn)電流型框架保護(hù)達(dá)到定值時，保護(hù)裝置發(fā)出命令，斷開此整流柜的AC10KV三相交流進(jìn)線開關(guān)和DC1500V 直流進(jìn)線總開關(guān)，此時，變電所暫時單機(jī)組運(yùn)行，由另一臺整流機(jī)組帶本站全部直流負(fù)荷，待檢修人員到達(dá)現(xiàn)場，根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整運(yùn)行方式。

6.3.2 兩臺整流柜故障

當(dāng)兩臺整流柜在某一時間段內(nèi)先后或同時發(fā)生電流型框架動作時，兩臺交流進(jìn)線開關(guān)和兩臺直流進(jìn)線總開關(guān)全部斷開，但直流饋線斷路器不跳閘，此時，故障站通過直流正母線形成越區(qū)供電的運(yùn)行方式，達(dá)到接觸網(wǎng)不間斷供電，不影響列車運(yùn)行的目的［5］。

6.3.3 直流開關(guān)柜故障

當(dāng)直流開關(guān)柜發(fā)生電流型框架動作時，保護(hù)裝置發(fā)出命令，斷開兩臺整流柜的10kV三相交流進(jìn)線開關(guān)和兩臺1500V 直流饋線總開關(guān)及各直流饋線開關(guān)，同時聯(lián)跳兩邊臨站對應(yīng)的直流饋線開關(guān)并閉鎖，4s后，通往臨站的閉鎖信號自動返回，此時，可以退出故障站各上網(wǎng)隔離開關(guān)柜，投入越區(qū)開關(guān)柜和臨站各饋線開關(guān)，實現(xiàn)大雙邊供電，恢復(fù)區(qū)間牽引網(wǎng)供電，待電流框架故障修復(fù)后，方可重新投入恢復(fù)雙邊供電［6］。

當(dāng)整流柜處出現(xiàn)電流型框架動作時，相對于原檢測方式，通過對框架保護(hù)設(shè)置的改進(jìn)，減少了停電范圍，能更好地滿足地鐵的運(yùn)營要求，如表1所示。

表1 跳閘范圍對比表

7 結(jié)語

本文通過分析框架泄漏保護(hù)的設(shè)置原理、檢測方式、和跳閘范圍，并加以調(diào)整和改進(jìn)，最終形成了可以有效減少框架保護(hù)動作對牽引網(wǎng)產(chǎn)生影響的改進(jìn)方案。

改進(jìn)方案對原設(shè)備框架進(jìn)行分割并隨之增加檢測點(diǎn)，當(dāng)故障產(chǎn)生時，用以縮小故障范圍，并相對應(yīng)地將電流型框架保護(hù)的動作范圍進(jìn)行了調(diào)整。相對于原電流型框架保護(hù)一經(jīng)動作即會導(dǎo)致故障站左、右兩個直流牽引區(qū)段同時失電，造成接觸網(wǎng)大面積停電列車無法運(yùn)行，本方案大大減少了整流柜處出現(xiàn)電流型框架保護(hù)動作時對區(qū)間供電的負(fù)面影響，保障了牽引網(wǎng)的不間斷供電，能夠達(dá)到減少框架泄漏保護(hù)動作對地鐵列車運(yùn)行影響的目的。

由于等效24 脈波機(jī)組是由兩套12 脈波整流變壓器機(jī)組并聯(lián)形成，當(dāng)其中一套整流機(jī)組退出運(yùn)行形成單機(jī)組供電時，會對供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響。考慮到此影響，可以將兩臺整流柜合并成一個框架，采用兩臺整流柜同時故障動作的運(yùn)行方式。但短時間的單機(jī)組運(yùn)行和兩臺機(jī)組同時退出通過直流正母線越區(qū)供電，這兩種運(yùn)行方式在同時滿足設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行和保障牽引網(wǎng)供電能力上應(yīng)如何選擇，還需未來繼續(xù)分析研究。