地鐵直流系統框架保護及其故障應急處理分析

地鐵直流系統框架保護及其故障應急處理分析

汪喜賀

中國鐵建電氣化局集團有限公司北方工程有限公司

【摘要】本文針對城市軌道交通框架保護設置、應急處理、後續故障分析的闡述及分析，改善框架保護動作後故障應急處理，提出預防框架保護動作的發生一些具體措施，結合整定原則分析各設備之間的動作電壓設置和動作時間相互配合關係及其投入運行模式的合理性，為判斷、分析、處理運行中出現的直流疑難故障奠定理論基礎，力求最大限度保證安全供電，並對框架保護的設計提出合理建議。

【關鍵詞】直流框架保護應急處理故障分析合理建議

0.引言

目前我國城市軌道交通直流供電系統主要採用DC750V 或DC1500V 供電。直流牽引供電系統設計為不接地系統，牽引所內的直流設備和供電接觸網絡均採用絕緣安裝。分析直流框架保護、故障處理方法、配合關係，對確保直流牽引供電系統安全可靠運行具有重要作用。

1.框架保護裝置及原理分析

1.1框架保護裝置

城市軌道交通牽引供電系統中，每個牽引降壓變電所設有兩個整流機組（整流變，整流器），把電壓等級為33KV的交流電轉換成直流1500V電源送到直流開關櫃母排，再由饋線斷路器（211，212，213，214）送給上網隔離開關，為接觸軌供電，而接觸軌採用雙邊供電方式為相鄰的兩個區間的機車供電。

廣州地鐵六號線首期電流型和電壓型框架保護的整定值分別是：

過電流保護整定為：I>35A時啟動。

過電壓保護整定為：U>直流95V時報警；U≥直流130V，延時1s後啟動跳閘。

框架保護一旦電壓型動作後，本所的直流牽引系統全部跳閘，並閉鎖本所斷路器；而電流型動作後閉鎖本所斷路器，與本所相鄰的牽引所的直流饋線開關也會跳閘，並閉鎖鄰所開關的重合閘。因此本文重點分析電流型框架保護動作原因及故障應急處理程序及方法。如圖1 所示，直流框架保護裝置主要在直流設備正極對設備外殼發生短路時起動，對應斷路器快速跳閘，切除故障區域，使供電設備免遭損壞。直流框架保護主要由電流測量元件和電壓測量元件構成。電流測量元件一端接設備外殼,另一端接地,用於檢測外殼與大地之間的泄露電流；電壓測量元件用於測量設備結構外殼與直流設備負極之間的電壓,一端接於負及小母線,另一端接設備結構外殼。

1.2框架保護原理分析

①電流型框架保護：直流系統正常運行狀態下，直流設備外殼絕緣良好，電源正極對外殼無泄漏電流，電流檢測元件檢測不到電流，所以保護裝置不動作；當設備絕緣性能降低時，電源正極對外殼放電，產生泄漏電流，當達到整定值（80A，以鄭州地鐵 1 號線為例）時，電流型框架保護裝置動作，本所的直流系統斷路器全部跳閘，並閉鎖本所斷路器、聯跳與本所相鄰牽引所的所有直流饋出斷路器。

②電壓型框架保護：當框架櫃體與直流櫃正極發生短路故障時，電壓檢測元件在負極與外殼之間檢測到電壓，外殼與地之間的小電阻可忽略不計，因為鋼軌與負極相連，所以所監測到的電壓相當於鋼軌與地之間的電壓，當電壓達到90V 時，系統報警，大於 150V時，本所的直流系統斷路器全部跳閘，並閉鎖本所斷路器。

2.框架保護動作分析

機車在正常行駛中，鋼軌中流過牽引電流，造成軌電位對地電壓的升高，會導致框架保護誤動作。因此在討論框架保護動作時，首先要分析軌電位與框架保護的配合關係。由於鋼軌電位限制裝置動作電壓參量，與電流型框架保護動作於泄露電流參量幾乎無關，所以這裏我們只分析電壓型框架保護與鋼軌電位限制裝置這二者之間與各自電壓參量的動作關係。

2.1電壓型框架保護與鋼軌電位限制裝置動作分析及配合關係

電壓型框架保護與鋼軌電位限制裝置都是檢測鋼軌對地電位的，不同的是電壓型框架保護的作用是保護直流設備安全，動作於跳閘，切除直流絕緣泄漏或短路故障；鋼軌電位限制裝置的作用是降低鋼軌對地電壓，保護站車之間工作人員和上下車乘客以及線路巡視人員的人身安全，不動作於跳閘，牽引直流系統迴路不受影響，列車正常運行。

鋼軌電位限制裝置採用三段式保護，電壓型框架保護採用兩段式保護，一段作用於報警，二段作用於跳閘。以廣州地鐵六號線為例：

①當電位大於90V 時，軌電位裝置延時800ms動作，將鋼軌與大地短接來降低電位差，大於95V時電壓型框架保護延時1500ms 報警，為防止快速瞬變的電壓引起接觸器頻繁動作，讓鋼軌電位限制裝置連續動作3次，如果電位仍然大於整定值，則接觸器合閘不再斷開。

②鋼軌電位大於150V時，軌電位裝置無延時永久合閘；若軌電位仍然大於150V，則電壓型框架保護經過1000ms延時，保護跳閘，斷開直流系統所有斷路器。

③鋼軌電位大於600V時，軌電位裝置內部晶閘管快速導通，將鋼軌與地短接，鉗制鋼軌電位，同時將合閘指令發送至接觸器，接觸器無延時永久合閘。框架電壓保護即刻動作，動作結果同上所述。

3.電流型框架保護故障處理

在行車期間，為了儘可能減小框架保護故障對行車的影響，縮短故障處理時間，這裏就要求對框架保護進行應急處理，特別針對電流型框架，由於其動作後，會導致故障所兩端四個供電區全部失電。這對於地鐵運營會產生巨大的影響。

3.1故障處理原則

本着“先通後復”原則，框架保護動作後，造成接觸網上下行四個供電區停電，在運營期間必將造成全線列車中斷行車，因此電調必須儘快恢復接觸網供電，減少停電時間，恢復列車運營。

電流型框架保護動作（有時伴隨饋線開關保護動作）。

（1）復歸框架保護動作信號，拉開故障所饋線隔離開關。

（2）電調遠動分開故障所四個饋線刀閘，合上饋線無保護動作的開關相對應的越區刀閘2113或2124。

（3）先合上相鄰故障所無其他保護動作的相應饋線開關恢復供電。最後對有保護的（△I、Imax、di/dt）動作的開關進行試送電。電調遠動合上相鄰所聯跳饋線開關越區供電後報行調組織行車。

（4）若故障變電所為有人值班，電調命令值班員把饋線開關211、212、213、214櫃內的F12小開關打分位，若值班員不能確認F12小開關，可將櫃內的F10、F11、F12同時打分位；以防故障所再次發生框架保護動作聯跳相鄰所；必要時合上故障所軌電位。

（5）若故障所為無人值班，電調可命令相鄰牽引所的值班員把對應饋線開關櫃內的F13小開關打分位；以防故障所再次發生框架保護動作聯跳相鄰所；必要時合上相鄰所軌電位。

（6）越區供電成功後組織變電及接觸網人員故障搶修，搶修完畢後恢復故障所熱備用。

3.2值班員處理原則

其對變電所值班員應按以下應急處理步驟進行處理，服從電調指揮，在站控PC機或者模擬屏上確認報警信號等有關記錄，到負極櫃確定信號是否同PC機相同，注意觀察保護動作類型，跳閘開關，將情況及時通報相關人員。

電流型保護動作後，對於框架保護主跳所：

本所與及雙邊供電的鄰所開關同時跳開，同時也閉鎖本所直流系統開關，鄰所開關可以通過主控系統遠程控制合閘。（如果由於某種原因不能遠程控制合閘，可以人為解除聯跳，斷開主跳所饋線櫃211、212、213、214，斷開每個饋線櫃聯跳發送控制電源F12，解除鄰所閉鎖信號恢復單邊供電。）

框架動作本所人員記錄有關事件信號，再在負極櫃上按復位。可以通過主控系統遠程控制鄰所開關合閘，恢復單邊供電。（不能遠程控制鄰所開關合閘時，斷開主跳所饋線櫃211、212、213、214，斷開每個饋線櫃聯跳發送控制電源F12，解除鄰所閉鎖信號恢復單邊供電。）

對於被聯跳所，可以通過主控系統遠程控制或站控PC機直接進行合閘。（如果合閘失敗，可通過打下211、212、213、214小車F13，解除聯跳信號後，恢復單邊供電。）

4.結語：

如果發生了框架保護動作的緊急事件，工作人員應立即啟動應急預案，快速處置，調度人員應當快速切斷故障區域，採用越區供電的方式迅速恢復接觸網供電，以確保地鐵運營的安全。另外，針對直流框架保護動作後需現場操作“ 復位按鈕”或本所（ 鄰所）的“ 聯跳轉換開關”，可在設計聯絡時增加遙控功能，使復位操作可由電調通過綜合自動化系統進行遙控復位，由電調進行恢復供電操作，節省值班人員現場復位的時間，待值班人員到達後再對故障原因進行排查。經過上述優化後，可大大提高框架保護動作的恢復供電速度，真證實現變電所無人值班。

參考文獻：

[1] 呂意.直流框架保護與鋼軌電位限制裝置的配合與應用 [D].武漢：中鐵第四勘察設計院集團有限公司電化處，2011.

[2] 劉建華.框架保護與鋼軌電位限制裝置保護的研究 [D].徐州：中國礦業大學信息與電氣工程學院，2009.

[3] 李清華.地鐵直流系統中框架保護原理及故障應急處理.洛陽：中國鐵建電氣化局集團第一工程有限公司電氣試驗中心，2016.

[4] 張華英. 地鐵直流牽引供電系統保護配合的探討[j]. 電氣化鐵道,2001(3).