軌道交通框架保護(hù)及軌電位限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金雪豐 郝德清 張文君

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司七一二研究所，武漢 430064； 2. 武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，武漢 430070)

1 引言

城市軌道牽引供電系統(tǒng)采用直流供電方式，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程經(jīng)常發(fā)生由于鋼軌電位升高導(dǎo)致直流框架保護(hù)動(dòng)作，從而導(dǎo)致大面積停電的事故，如1999年6月廣州地鐵1號(hào)線由于鋼軌電位升高，直流框架保護(hù)動(dòng)作，引起本所 6個(gè)直流開(kāi)關(guān)柜和進(jìn)線2個(gè)35 kV整流變柜跳閘，同時(shí)分別聯(lián)跳相鄰兩個(gè)變電所向故障所方向供電的各 2個(gè)直流開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致接觸網(wǎng)大面積停電；2005年1月3號(hào)，深圳地鐵才開(kāi)通幾天，同樣由于框架保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致深圳地鐵4號(hào)線全線癱瘓近4個(gè)小時(shí)。因此，通過(guò)分析引起框架保護(hù)動(dòng)作原因，動(dòng)作原理，設(shè)計(jì)動(dòng)作配合合適的框架保護(hù)和鋼軌電位限制系統(tǒng)尤為重要。

2 保護(hù)原理

2.1 框架保護(hù)原理

框架保護(hù)有電壓和電流二種方式，電流型框架保護(hù)主要檢測(cè)開(kāi)關(guān)柜外殼對(duì)系統(tǒng)地的電流；電壓型框架保護(hù)檢測(cè)的是設(shè)備外殼對(duì)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(cè)的電壓相當(dāng)于鋼軌和地之間的電壓。

2.2 軌電位限制原理

鋼軌電位限制裝置一端接鋼軌，一端接變電所接地網(wǎng)，檢測(cè)的是鋼軌和地之間的電壓。

當(dāng)供電分區(qū)沒(méi)有車輛行駛時(shí)，或牽引直流系統(tǒng)運(yùn)行正常情況下，鋼軌對(duì)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(duì)地泄漏電阻的存在，鋼軌電位快速升高，為了保護(hù)在鋼軌上行走的人身安全，當(dāng)鋼軌電位達(dá)到一定值時(shí)，鋼軌電位限制裝置迅速動(dòng)作，將鋼軌與接地網(wǎng)短接，從而降低了鋼軌電位，保護(hù)在鋼軌上行走的人的安全。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 框架保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成

框架保護(hù)裝置設(shè)置在負(fù)極柜內(nèi)，由電流保護(hù)和電壓保護(hù)兩部分組成，電壓保護(hù)可本地投入/切除，并可通過(guò) PLC程序修改報(bào)警和跳閘整定值。框架保護(hù)動(dòng)作跳閘后，系統(tǒng)會(huì)閉鎖被跳開(kāi)的斷路器的合閘，只有當(dāng)故障消失后，當(dāng)?shù)貜?fù)歸框架保護(hù)后，斷路器才能合閘。

本保護(hù)邏輯關(guān)系如下：

圖1 框架負(fù)地保護(hù)系統(tǒng)方案

(1)直流系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，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(duì)柜體外殼放電或短路時(shí)，一般電流回路電流達(dá)到保護(hù)繼電器（本方案選用MAS-2過(guò)電流繼電器）整定值（一般設(shè)定為80 A），電流型框架保護(hù)動(dòng)作，向交、直流開(kāi)關(guān)發(fā)出跳閘命令，本所直流柜和整流變柜同時(shí)跳閘，并聯(lián)跳牽引變電所向本區(qū)段雙邊供電左右線開(kāi)關(guān)。

(3)由于直流設(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(duì)鋼軌、鋼筋等金屬體的電化學(xué)腐蝕，鋼軌對(duì)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(cè)值達(dá)不到整定值的要求，從而設(shè)備會(huì)發(fā)生絕緣下降而電流型框架保護(hù)不動(dòng)作的情況。電壓型框架保護(hù)就是為了彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。當(dāng)電壓型框架保護(hù)裝置檢測(cè)到設(shè)備外殼對(duì)負(fù)極電壓超過(guò)整定值時(shí)，一般大于95 V時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，大于150 V時(shí)向交直流開(kāi)關(guān)發(fā)出跳閘命令，聯(lián)跳本所和相鄰兩個(gè)牽引變電所的開(kāi)關(guān)。

3.2 軌電位限制裝置設(shè)計(jì)

鋼軌電位限制裝置由復(fù)合開(kāi)關(guān)（常閉的MS接觸器及反向并聯(lián)晶閘管）、監(jiān)控單元、信號(hào)接口端子、保護(hù)裝置、防凝露加熱器、狀態(tài)顯示設(shè)備及金屬氧化鋅避雷器等組成。

主要功能如下：

（1）由直流接觸器與高性能的反向并聯(lián)晶閘管并聯(lián)的復(fù)合開(kāi)關(guān)能保證接地系統(tǒng)中正極性和負(fù)極性過(guò)電壓下都能提供有效保護(hù)。接觸器的整個(gè)合閘時(shí)間小于100 ms。

（2）當(dāng)鋼軌電位限制裝置通過(guò)電壓變送器檢測(cè)到鋼軌與保護(hù)地之間的電壓差小于電壓元件的整定動(dòng)作值時(shí)，鋼軌電位限制裝置處于斷開(kāi)狀態(tài)。

（3）當(dāng)鋼軌電位限制裝置檢測(cè)到鋼軌與保護(hù)地之間的電壓差大于裝置一段動(dòng)作電壓時(shí)，經(jīng)過(guò)一段可調(diào)整的延時(shí)后，接觸器合閘將鋼軌與大地有效短接，經(jīng)一定時(shí)間恢復(fù)開(kāi)斷，同時(shí)確保較低的快速瞬變電壓值不會(huì)引起接觸器的頻繁動(dòng)作。合閘后到恢復(fù)開(kāi)斷前的時(shí)間間隔可用時(shí)間繼電器進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整范圍為 0～120 s。當(dāng)連續(xù)動(dòng)作 3次后，短路裝置將不再恢復(fù)開(kāi)斷，而處在恒定合閘狀態(tài)。裝置的一段動(dòng)作電壓可在 DC40 V～DC200 V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)（本方案動(dòng)作電壓設(shè)置為大于90 V時(shí)，鋼軌電位限制裝置延時(shí)800 ms動(dòng)作）。

（3）當(dāng)鋼軌電位限制裝置檢測(cè)到鋼軌與保護(hù)地之間的電壓差大于150 V（二段動(dòng)作電壓，動(dòng)作值可調(diào)）時(shí)，接觸器將無(wú)延時(shí)地永久合閘，不再恢復(fù)開(kāi)斷。接觸器的合閘時(shí)間小于100 ms。

（4）當(dāng)鋼軌電位限制裝置檢測(cè)到鋼軌與保護(hù)地之間的電壓差大于600 V（三段動(dòng)作電壓，動(dòng)作值可調(diào)）時(shí)，復(fù)合開(kāi)關(guān)將通過(guò)晶閘管元件加速合閘，晶閘管回路首先在0.2 ms內(nèi)導(dǎo)通，使鋼軌與地連接，直流接觸器也將無(wú)延時(shí)合閘。晶閘管電路在直流接觸器合閘后將被復(fù)位。

在檢測(cè)到過(guò)電壓和接觸器在合閘位置后，監(jiān)控裝置（S7200）將自動(dòng)在事先設(shè)定的延時(shí)期限后斷開(kāi)接觸器，以減少雜散電流對(duì)土建結(jié)構(gòu)的影響。如果過(guò)電壓繼續(xù)存在，監(jiān)控裝置會(huì)立即檢測(cè)到并且接觸器將重新合閘。

想要獲得志愿服務(wù)證書。在587名調(diào)查對(duì)象中僅有52名調(diào)查對(duì)象以獲得志愿服務(wù)證書為目的而選擇參加志愿服務(wù)活動(dòng)，據(jù)了解，國(guó)內(nèi)有不少大學(xué)評(píng)定獎(jiǎng)助學(xué)金的標(biāo)準(zhǔn)中的一條，就是該生的德育教育成績(jī)，而德育教育成績(jī)則是以參加各類課外活動(dòng)并獲得證書作為德育教育的成績(jī)（筆者的學(xué)校就是如此），所以，這一部分大學(xué)生參加志愿服務(wù)活動(dòng)的主觀原因是排除在以上幾種原因之外而單獨(dú)獨(dú)立出來(lái)的，大學(xué)生參加志愿服務(wù)活動(dòng)就只沖著志愿者證書去的。

圖3 晶閘管組件放電波形

（5）監(jiān)控單元通過(guò)電流變送器監(jiān)視流過(guò)鋼軌電位限制裝置的電流。當(dāng)接觸器合閘時(shí)，監(jiān)控單元能保證流經(jīng)接觸器的電流降低到其預(yù)先設(shè)定的安全值之前，接觸器不會(huì)重新分閘。預(yù)先設(shè)定的安全值同時(shí)保證接觸器僅能在其開(kāi)斷容量范圍內(nèi)分閘。當(dāng)檢測(cè)到超過(guò)最大限制電流時(shí)鎖定接觸器，同時(shí)發(fā)出牽引系統(tǒng)跳閘命令（用戶根據(jù)實(shí)際情況確定是否連接）。

（6）控制電源失電時(shí)，直流接觸器自動(dòng)強(qiáng)制將走行軌與大地短接以確保人員和設(shè)備的安全。鋼軌電位限制裝置檢測(cè)到軌電位異常、接觸器故障和晶閘管故障，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

（7）報(bào)警信號(hào)的顯示及聯(lián)鎖輸出須經(jīng)本地復(fù)歸后才會(huì)消失。

3.3 保護(hù)配合關(guān)系

電壓型框架保護(hù)與鋼軌電位限制裝置兩者都是檢測(cè)鋼軌電位對(duì)地電壓，不同的是電壓型框架保護(hù)的作用是保護(hù)直流設(shè)備安全，動(dòng)作于跳閘，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(duì)地電壓，保護(hù)線路上行走的人的人身安全，不動(dòng)作跳閘，牽引直流系統(tǒng)不受影響，列車正常運(yùn)行。

由于電壓型框架保護(hù)整定時(shí)間大于鋼軌電位限制裝置，正常情況下當(dāng)發(fā)生鋼軌電位升高時(shí)，應(yīng)由鋼軌電位限制裝置首先動(dòng)作，使鋼軌與地連通，保證線路上人身安全。當(dāng)鋼軌電位限制裝置拒動(dòng)時(shí)，電壓型框架保護(hù)動(dòng)作于跳閘。本系統(tǒng)具體參數(shù)如下：當(dāng)負(fù)極電位大于95 V時(shí)電壓型框架保護(hù)延時(shí)1500 ms發(fā)出報(bào)警信號(hào)；當(dāng)負(fù)極電位大于150 V時(shí)電壓型框架保護(hù)將延時(shí)900 ms發(fā)出跳閘信號(hào)。

4 總結(jié)

通過(guò)調(diào)整軌電位限制和框架保護(hù)時(shí)間配合關(guān)系，就可以有效避免電壓型框架保護(hù)誤動(dòng)作情況的發(fā)生，一方面可以有效減少由于框架保護(hù)誤動(dòng)作造成的大面積接觸網(wǎng)停電，影響行車。另一方面可以有效保護(hù)直流設(shè)備安全和線路上人的生命安全。

該套系統(tǒng)已在武漢軌道直流供電系統(tǒng)應(yīng)用，運(yùn)行情況良好。

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