地铁直流框架泄漏保护的优化设计

王小峰

地铁直流框架泄漏保护的优化设计

王小峰

通过对一套框架泄漏保护方案的分析，提出设置2套、3套框架泄漏保护的优化方案，该方案缩小了框架泄漏保护故障影响的范围，故障定位与查找更加迅速、准确，供电恢复快，提高了直流供电系统的可靠性和灵活性，减轻了运营风险和压力。

地铁；框架泄漏保护；优化设计

0 引言

为了防止杂散电流对结构和设备的腐蚀，牵引变电所直流设备均采用绝缘安装，直流设备设置专门的框架泄漏保护装置，避免直流设备正极对设备外壳发生泄漏时由初期泄漏电流（小电流）发展为正极通过外壳对负极间的短路事故，从而起到保护直流设备和人身安全的作用。但是，一旦直流框架泄漏保护装置动作，将引起多处直流断路器跳闸，造成接触网大范围停电，影响列车的正常运行，不但增加了运营风险和压力，而且给广大市民的出行造成不便。本着迅速查找故障，快速恢复供电，减少停电范围的目的，本文结合近年来地铁的设计经验，针对目前工程中设置1套框架泄漏保护方案的分析，提出了设置2套或3套直流框架泄漏保护的优化方案。

1 设置框架泄漏保护的必要性

牵引变电所直流设备均采用绝缘安装，当直流设备正极对外壳发生泄漏时，一般初期电流都不大，但如不及时清除，容易将故障扩大为正极通过外壳对负极间的短路事故，短路电流可能由最初的几十安培上升至几万安培，对直流设备将造成严重危害。因此，需要专门设置具有高灵敏度的框架泄漏保护来检测并快速清除这种泄漏故障。直流牵引供电系统示意图如图1所示。

图1 直流牵引供电系统示意图

2 框架泄漏保护的一般设置方案

框架泄漏保护方案是将牵引变电所内的所有直流设备对地绝缘安装，框架通过电缆连接后设置一套框架泄漏保护装置（即：1个电流检测元件+1个电压检测元件）。其接线如图2所示。

图2 1套框架泄漏保护设置方案示意图

保护装置中检测元件的功能如下：

（1）电压检测元件。该元件接于直流负极和设备外壳之间，测量设备外壳与直流设备负极之间的电压。电压Ⅰ段用于报警（通常整定值设为U＞110 V，t = 1.5 s），Ⅱ段用于跳闸（通常整定值设为U＞170 V，t = 0.5 s）。当直流设备内正极对外壳短路时，电压检测元件检测到的电压值大于电压元件整定值时，电压检测元件应在整定的时间内报警或动作（仅本牵引变电所内的整流机组中压断路器和所有直流断路器跳闸）。电压检测元件作为电流检测元件的后备，当钢轨对地的绝缘性好，绝缘泄漏电阻大，不利于电流检测元件检测到电流时，电压元件可以检测到异常的电压，从而报警或动作。

（2）电流检测元件。绝缘安装的直流开关柜外壳通过一个能承受100 kA短路电流，电阻为0.15 mΩ的分流器与变电所接地网单点相连，即作为电流检测回路的分流器一端接设备外壳，另一端接地。当直流设备内正极对外壳短路时，流过电流检测元件的接地电流达到整定值时（通常整定值设为I≥80 A），框架泄漏保护装置的电流检测元件动作。使本牵引变电所内的整流机组交流中压断路器及所有直流断路器跳闸，联跳相邻牵引变电所向同一供电区段供电的直流馈线断路器并闭锁断路器合闸。此时必须及时进行倒闸作业，通过接触网越区隔离开关实现越区供电。故障排除后，须人工复归框架泄漏保护装置，断路器才能重新投入。

以牵引变电所B为例：当本牵引变电所发生框架泄漏故障，故障电流I1达到整定值时，保护装置发出跳闸命令，跳开本所所有直流断路器（201、202、211、213、212、214），同时联跳本所交流中压断路器（121、123）和牵引变电所A的直流馈线断路器（213、214）及牵引变电所C的直流馈线断路器（211、212），并闭锁断路器合闸。该方案造成牵引变电所B的左、右供电臂的接触网停电，倒闸操作恢复送电时间长，对运营影响较大。

3 框架泄漏保护装置的优化

据统计，整流器是直流设备中故障率相对较高的设备。为了缩小整流器框架故障的跳闸范围，尽量不影响列车运行，可以为整流器单独设置1套框架泄漏保护装置。为此，提出2种优化设计方案，即设2套框架泄漏保护装置或3套框架泄漏保护装置。

3.1 设2套框架泄漏保护装置

该方案两面整流器和负极柜合设1套框架泄漏保护装置，直流进线柜和馈线柜单独设1套框架泄漏保护装置。其接线如图3所示。

图3 2套框架泄漏保护设置方案示意图

当整流器发生框架泄漏故障时，本牵引变电所内仅整流机组交流中压断路器和直流进线断路器跳闸，直流馈线断路器不跳闸。可以通过本牵引变电所的直流母线实现大双边供电，接触网不停电，不影响列车正常运行。当直流开关柜发生框架泄漏故障时，除本牵引变电所交流中压断路器及所有直流断路器跳闸外，同时联跳相邻牵引变电所对应的直流馈线断路器并闭锁合闸。此时故障牵引变电所解列，须通过越区隔离开关实现大双边供电，故障排除以后，须人工复归框架泄漏保护装置，断路器才能重新投入。

以牵引变电所B为例：当本牵引变电所整流器（Rt1或Rt2）发生框架泄漏故障，故障电流I1达到整定值时，保护装置发出跳闸命令，跳开本所直流进线断路器（201、202），仅同时联跳本所交流中压断路器（121、123）。当直流开关柜发生框架泄漏时，故障电流I2达到整定值时，保护装置发出跳闸命令，跳开本所所有直流断路器（201、202、211、213、212、214），同时联跳本所交流中压断路器（121、123）和牵引变电所A的直流馈线断路器（213、214）及牵引变电所C的直流馈线断路器（211、212），并闭锁断路器合闸。该方案可以区分整流器框架故障，从而缩小故障停电范围。

3.2 设3套框架泄漏保护装置

该方案为每面整流器分别设置1套框架泄漏保护装置，直流开关柜与负极柜共用1套框架泄漏保护装置。其接线如图4所示。

图4 3套框架泄漏保护设置方案示意图

当单台整流器发生框架泄漏故障时，相应的整流机组交流中压断路器和直流进线断路器跳闸，根据运营需求，可采用1套整流机组运行，也可使2套整流机组均退出运行，通过故障牵引变电所的直流母线实现大双边供电，不影响列车正常运行。当直流开关柜发生框架泄漏故障时，其故障和操作模式与设置2套框架泄漏保护装置的方案相同。

实际设计中，为了解决整流器和负极柜分开布置导致设备房的长度增加的问题，可以在设备之间固定聚碳酸酯板，以达到框架相互隔离的效果。其接线和设备布置方案如图5所示。

图5 3套框架泄漏保护设置优化方案示意图

以牵引变电所B为例：当本牵引变电所整流器Rt1（Rt2）发生框架泄漏故障，故障电流I2（I3）达到整定值时，保护装置发出跳闸命令，可仅联跳本套整流器Rt1（Rt2）的直流进线断路器201（202）和交流中压断路器121（123），允许另1台整流机组正常运行。当直流开关柜发生框架泄漏故障时，故障电流I1达到整定值时，保护装置发出跳闸命令，跳开本所所有直流断路器（201、202、211、213、212、214），同时联跳本所交流中压断路器（121、123）和牵引变电所A的直流馈线断路器（213、214）及牵引变电所C的直流馈线断路器（211、212），并闭锁断路器合闸。该方案可以区分每套整流器的框架故障，缩小了故障停电范围，故障定位和查找范围也更加准确。

3.3 3种保护方案的对比分析

上述3种保护方案分析对比见表1。

表1 3种保护方案的对比分析表

4 结论

综上可见：1套框架泄漏保护方案的故障影响范围最大，故障查找及恢复供电所需的时间最长，对列车运行造成的影响也最大；设置2套和设置3套框架泄漏保护方案在缩小接触网停电范围及恢复供电方面的效果相差无几，只是设置3套框架泄漏保护方案在故障定位与查找方面更迅速、准确，从而确保直流系统持续供电，使系统运行更加可靠、灵活，同时减轻了运营风险和压力。

On basis of analyzing a scheme for a set of frame leakage protection, it proposes an optimum design scheme for leakage protection of 2 sets and 3 sets of frames, which narrows scope of influence caused by frame leakage protection failures, enables prompt and accurate fault location and trouble shooting, fast power supply recovery, heightens reliability and flexibility of DC power supply system, lessens operation risks and pressure.

Subway; frame leakage protection; optimum design

U231.8

B

1007-936X(2015)02-0031-04

王小峰.上海市隧道工程轨道交通设计研究院，工程师，电话：18602193695。