軌道交通車站斷路器與框架保護(hù)的配合與應(yīng)用

周安義

0 引言

上海地鐵作為城市軌道交通發(fā)展最早的城市之一，其牽引供電系統(tǒng)采用DC 1500 V系統(tǒng)向接觸網(wǎng)供電。在地鐵運(yùn)行線路中，發(fā)生了很多由于鋼軌電位升高，直流框架保護(hù)動(dòng)作，從而導(dǎo)致大面積停電的事故，因此，深刻分析引起框架保護(hù)動(dòng)作原因，調(diào)整好框架保護(hù)和車站斷路器裝置動(dòng)作配合關(guān)系顯得尤為重要。

1 直流系統(tǒng)框架保護(hù)的作用

為保護(hù)直流設(shè)備的安全，及時(shí)切除直流設(shè)備內(nèi)的各種短路故障，直流系統(tǒng)設(shè)置了直流框架保護(hù)，一旦發(fā)生直流開關(guān)帶電設(shè)備對直流柜柜體發(fā)生泄漏或絕緣損壞，框架保護(hù)動(dòng)作，使有關(guān)直流開關(guān)跳閘斷電，有效切斷故障，從而保護(hù)設(shè)備安全。

2 直流框架保護(hù)分類及原理

直流框架保護(hù)按動(dòng)作類型分為電流型和電壓型2種。

2.1 框架保護(hù)原理

電流型框架保護(hù)主要檢測設(shè)備外殼對地的電流。電壓型框架保護(hù)檢測的是設(shè)備外殼對直流設(shè)備負(fù)極之間的電壓，由于小電阻可以忽略不計(jì)；設(shè)備外殼可認(rèn)為直接接地，鋼軌是和直流設(shè)備負(fù)母排相連的，所以電壓型檢測的電壓相當(dāng)于鋼軌和地之間的電壓。

2.2 框架保護(hù)動(dòng)作特性

（1）直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，設(shè)備絕緣良好，電流型框架保護(hù)電流回路電流為零，裝置不動(dòng)作。

（2）當(dāng)直流設(shè)備絕緣發(fā)生變化，設(shè)備對柜體外殼放電或短路時(shí)，電流回路電流達(dá)到整定值（約大于 80 A），電流型框架保護(hù)動(dòng)作，向交直流開關(guān)發(fā)出跳閘命令，該所6個(gè)直流柜和2個(gè)35 kV整流變壓柜同時(shí)跳閘，并聯(lián)跳相鄰2個(gè)牽引變電所向本區(qū)段雙邊供電的饋線開關(guān)，共12個(gè)開關(guān)柜跳閘。

（3）由于在城市軌道交通牽引供電直流系統(tǒng)中，直流設(shè)備和鋼軌都是采用絕緣法安裝，其作用是減少雜散電流的泄漏途徑，減少雜散電流對鋼軌、鋼筋等金屬體的電化學(xué)腐蝕，鋼軌對地的絕緣電阻是隨著絕緣材料的性能變化的，所以電流型框架保護(hù)的電流回路的電阻是不確定的，當(dāng)電阻很大時(shí)，可能會(huì)造成電流回路檢測值達(dá)不到動(dòng)作值的要求，從而設(shè)備發(fā)生絕緣下降而電流型框架保護(hù)沒動(dòng)作的情況，而電壓型框架保護(hù)就是為了彌補(bǔ)該缺陷，當(dāng)電壓型框架保護(hù)裝置檢測到設(shè)備外殼對負(fù)極電壓大于95 V時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，大于150 V時(shí)向交直流開關(guān)發(fā)出跳閘命令，聯(lián)跳本所和相鄰2個(gè)牽引變電所的12個(gè)開關(guān)柜。

3 車站斷路器

3.1 車站斷路器保護(hù)原理

車站斷路器一端接鋼軌，一端接變電所接地網(wǎng)，檢測鋼軌和地之間的電壓。通過等電位連接，使人處于等電位狀態(tài)，降低觸電危險(xiǎn)。

為了降低車體與地之間的接觸電壓和跨步電壓，上海地鐵一般在車站設(shè)有車站斷路器，當(dāng)鋼軌對地電位超標(biāo)時(shí)，可將鋼軌與變電所接地母排連接在一起來達(dá)到抑制鋼軌電位的目的。

3.2 車站斷路器的動(dòng)作特性

當(dāng)供電分區(qū)沒有車輛行駛時(shí)，牽引直流系統(tǒng)運(yùn)行正常情況下，鋼軌對地電位為零；當(dāng)供電分區(qū)有車輛行駛或接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，由于鋼軌對地泄漏電阻的存在，鋼軌電位快速升高，危及在鋼軌上行走人員的安全。當(dāng)鋼軌電位達(dá)到一定值時(shí)，車站斷路器迅速動(dòng)作，將鋼軌與接地網(wǎng)短接，從而降低了鋼軌電位，保護(hù)了在鋼軌上行走人員的安全。

目前上海地鐵車站斷路器由晶閘管和接觸器等元件組成，屬當(dāng)今最新技術(shù)。當(dāng)鋼軌電位大于90 V時(shí)車站斷路器延時(shí)800 ms動(dòng)作，使鋼軌與地相連，降低鋼軌電位，在連續(xù)動(dòng)作3次后鋼軌電位仍然高于整定值，合閘后不再斷開；當(dāng)鋼軌電位大于120 V時(shí)車站斷路器在100 ms之內(nèi)合閘；當(dāng)鋼軌電位大于 240 V時(shí)車站斷路器晶閘管無延時(shí)永久導(dǎo)通，抑制鋼軌對地電位，向接觸器發(fā)出閉鎖命令。

4 斷路器與框架保護(hù)的配合及改進(jìn)

4.1 車站斷路器與直流框架保護(hù)配合關(guān)系

牽引變電所直流1500 V設(shè)備框架對地絕緣，框架集中在一點(diǎn)接地，一方面框架保護(hù)監(jiān)視直流1500 V一次正極系統(tǒng)帶電部分對框架（一般正極對框架放電為電流型）泄漏，一旦牽引變電所直流電流型框架保護(hù)動(dòng)作，直流框架保護(hù)裝置發(fā)出跳閘命令，該所4臺(tái)直流1500 V饋線柜開關(guān)和2臺(tái)35 kV整流變壓柜開關(guān)同時(shí)跳閘，并聯(lián)跳相鄰2座牽引變電所向該區(qū)段接觸網(wǎng)（上下行）雙邊供電的直流1500 V饋線柜開關(guān)，共10臺(tái)開關(guān)柜跳閘。另一方面監(jiān)視直流1500 V一次負(fù)極回流系統(tǒng)對地（一般負(fù)極對地電勢差為電壓型）電壓升高，鋼軌為電動(dòng)列車回流系統(tǒng)的一部分，電動(dòng)列車在運(yùn)行中制動(dòng)等可能產(chǎn)生鋼軌對地電壓升高，電壓型框架保護(hù)能防止所內(nèi)工作人員及乘客接觸過高跨步電壓。對于鋼軌對地電壓升高限制處理，車站斷路器為主保護(hù)，直流電壓型框架保護(hù)為后備保護(hù)。一旦牽引變電所直流電壓型框架保護(hù)動(dòng)作，直流框架保護(hù)裝置發(fā)出跳閘命令，該所4臺(tái)裝置直流1500 V饋線柜開關(guān)和2臺(tái)35 kV整流變壓柜開關(guān)同時(shí)跳閘，共6臺(tái)開關(guān)柜跳閘。

4.2 車站斷路器與框架保護(hù)的改進(jìn)

針對上海地鐵1號(hào)線和深圳地鐵4號(hào)線發(fā)生的框架保護(hù)裝置動(dòng)作情況分析，當(dāng)時(shí)均沒有發(fā)生短路故障，而是由于車輛運(yùn)行和其他原因?qū)е落撥夒娢簧撸瑧?yīng)該由車站斷路器動(dòng)作，但由于車站斷路器與電壓型框架保護(hù)裝置匹配存在問題，從而導(dǎo)致電壓型框架保護(hù)裝置動(dòng)作。

根據(jù)長期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，電壓型框架保護(hù)裝置與車站斷路器具體配合參數(shù)應(yīng)設(shè)置為動(dòng)作于報(bào)警：車站斷路器動(dòng)作電壓≥95 V，t = 800 ms，電壓型框架保護(hù)裝置動(dòng)作電壓≥95 V，t = 1500 ms；動(dòng)作于跳閘：車站斷路器動(dòng)作電壓≥120 V，t = 100 ms，電壓型框架保護(hù)裝置動(dòng)作電壓≥120 V，t = 900 ms?？蚣鼙Ｗo(hù)裝置與車站斷路器之間設(shè)置了充足的延時(shí)以保證電壓型框架保護(hù)裝置正確可靠動(dòng)作。

5 結(jié)束語

目前由于車站鋼軌電位的升高除了與供電回流系統(tǒng)，負(fù)回流是否暢通有關(guān)外，還和客運(yùn)車輛運(yùn)行工況、軌道絕緣泄漏電阻、雜散電流防護(hù)等很多因素有關(guān)，一旦鋼軌電位升高到整定值，車站斷路器應(yīng)該首先動(dòng)作，只要調(diào)整好車站斷路器和電壓型框架保護(hù)裝置時(shí)間配合關(guān)系，就可以有效避免電壓型框架保護(hù)裝置誤動(dòng)作。一旦發(fā)生框架保護(hù)裝置動(dòng)作，供電人員應(yīng)立即按照事故搶修預(yù)案，啟動(dòng)應(yīng)急處理程序及時(shí)恢復(fù)接觸網(wǎng)供電，確保地鐵正常運(yùn)行。

[1]于松偉，楊興山，韓連祥.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.

[2]黃德勝.地鐵牽引供電系統(tǒng)保護(hù)[J].都市快軌交通，2005（6）.

[3]城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng) GB/T10411-2005.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.