地鐵供電系統(tǒng)保護(hù)裝置探討

湯 海

(北京地鐵供電公司，北京 100088)

北京地鐵始建于1965-07-01，采用第三軌與走行軌共同構(gòu)成直流牽引供電回路，其中第三軌連接直流牽引供電系統(tǒng)正極，走行軌連接直流牽引供電系統(tǒng)負(fù)極。因此，第三軌、走行軌以及直流牽引供電設(shè)備都采取對(duì)地(結(jié)構(gòu)地)絕緣方式安裝；同時(shí)走行軌還要具備承受和傳遞荷載以及導(dǎo)向的作用，因此走行軌還必須要牢固固定在路基上。

走行軌通常采用在走行軌與路基之間加裝絕緣墊的方式安裝。這種安裝方法較容易實(shí)現(xiàn)，并且能夠滿足走行軌對(duì)結(jié)構(gòu)地的絕緣要求和牢固強(qiáng)度。一般絕緣墊的厚度為1.5 cm，故走行軌與建筑結(jié)構(gòu)地之間的絕緣距離非常小，這使得走行軌對(duì)結(jié)構(gòu)地絕緣水平較易受各方面因素的影響。如地鐵列車行進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的導(dǎo)電粉塵、閘瓦灰、地面的積水、堆積的雜物等，均能夠降低走行軌與結(jié)構(gòu)地的絕緣水平。一般地鐵開(kāi)通運(yùn)行一段時(shí)間后，走行軌與結(jié)構(gòu)地之間的絕緣水平將會(huì)逐漸下降，泄漏電流(又稱迷流或雜散電流)隨之產(chǎn)生。特別是在直流牽引供電系統(tǒng)中出現(xiàn)負(fù)荷過(guò)大、有直流接地故障或短路故障時(shí)，走行軌與結(jié)構(gòu)地之間的過(guò)渡電阻的過(guò)電壓現(xiàn)象和走行軌自身電阻的過(guò)電壓現(xiàn)象將更為明顯，并危及人員和設(shè)備的安全。

目前，地鐵直流牽引系統(tǒng)中普遍采用鋼軌電位限制裝置與直流設(shè)備的框架保護(hù)共同完成對(duì)人員和設(shè)備的保護(hù)。為減少兩種保護(hù)裝置的誤動(dòng)，保證直流牽引供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和人員與設(shè)備的安全，需對(duì)以上兩種保護(hù)裝置的參數(shù)進(jìn)行合理整定，從而避免裝置誤動(dòng)。

1 框架保護(hù)與鋼軌電位限制裝置的特性

1.1 鋼軌電位限制裝置的特性

鋼軌電位限制裝置在直流牽引供電系統(tǒng)中，位于走行軌和結(jié)構(gòu)地之間(見(jiàn)圖1)，其內(nèi)主要短接裝置是接觸器支路和雙方晶閘管支路共同組成的并聯(lián)電路，是用來(lái)短接結(jié)構(gòu)地和走行軌的。由于迷流散布于大地，在走行軌和結(jié)構(gòu)地之間會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)的電位差(簡(jiǎn)稱軌電位電壓)。在地鐵車站和停車場(chǎng)內(nèi)，如果鋼軌電位限制裝置監(jiān)測(cè)到該電壓超過(guò)整定值時(shí)即動(dòng)作，將結(jié)構(gòu)地和走行軌短接，使得鋼軌電位被鉗制在安全范圍內(nèi)，此時(shí)直流牽引供電系統(tǒng)仍能維持運(yùn)行；同時(shí)鋼軌電位限制裝置還監(jiān)測(cè)流經(jīng)自身的結(jié)構(gòu)地和走行軌的短路電流值。當(dāng)電流值低于整定值時(shí)，鋼軌電位限制裝置自動(dòng)將短接裝置在設(shè)定時(shí)間到達(dá)后分?jǐn)?，恢?fù)至正常狀態(tài)；當(dāng)電流值達(dá)到或高于整定值時(shí)，鋼軌電位限制裝置自動(dòng)將短接裝置保持在短接狀態(tài)。

圖1 鋼軌電位限制裝置(VLD)結(jié)構(gòu)示意

鋼軌電位限制裝置通常提供三段電壓保護(hù)設(shè)置，由低到高分別是一段動(dòng)作電壓(U＞)，二段動(dòng)作電壓(U＞＞)，三段動(dòng)作電壓(U＞＞＞)。當(dāng)鋼軌電位限制裝置監(jiān)測(cè)到走行軌與結(jié)構(gòu)地之間的電壓差大于裝置U＞時(shí)，接觸器合閘，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)保持合閘狀態(tài)，之后恢復(fù)成斷開(kāi)狀態(tài)；當(dāng)鋼軌電位限制裝置監(jiān)測(cè)到走行軌與結(jié)構(gòu)地之間的電壓差大于U＞＞時(shí)，接觸器永久合閘，不再恢復(fù)成斷開(kāi)狀態(tài)；當(dāng)鋼軌電位限制裝置監(jiān)測(cè)到走行軌與結(jié)構(gòu)地之間的電壓差大于U＞＞＞時(shí)，因接觸器的合閘時(shí)間不能夠滿足消除此電壓的時(shí)限，由鋼軌電位限制裝置內(nèi)部與接觸器并聯(lián)的含觸發(fā)電路的雙反晶閘管回路在1 ms內(nèi)導(dǎo)通，使走行軌與結(jié)構(gòu)地連接，同時(shí)接觸器也啟動(dòng)合閘，將在100 ms內(nèi)完成合閘。接觸器合閘后，晶閘管回路立即斷開(kāi)，而接觸器會(huì)自動(dòng)閉鎖在合閘狀態(tài)。直至維護(hù)人員到現(xiàn)場(chǎng)查看設(shè)備，排除故障，將鋼軌電位限制裝置復(fù)位后，鋼軌電位限制裝置才返回正常運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 框架保護(hù)的特性

當(dāng)直流開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部正極對(duì)柜體發(fā)生短路故障時(shí)，為保護(hù)直流設(shè)備的安全，及時(shí)清除直流設(shè)備內(nèi)的短路故障，框架保護(hù)裝置動(dòng)作使對(duì)應(yīng)交、直流斷路器跳閘，直流牽引供電被中斷，故障被迅速切除，從而保護(hù)供電設(shè)備及人員安全。框架保護(hù)主要由電流、電壓兩部分元件構(gòu)成(見(jiàn)圖2)。電流元件監(jiān)測(cè)設(shè)備外殼與結(jié)構(gòu)地之間的唯一連接電纜中流過(guò)的故障電流。電壓元件測(cè)量直流設(shè)備外殼與直流負(fù)極之間的電壓，通過(guò)圖2可以看到直流設(shè)備外殼是通過(guò)單點(diǎn)與結(jié)構(gòu)地短接，而直流負(fù)極又與走行軌短接，因此電壓元件的兩端電纜分別是連接到結(jié)構(gòu)地與走行軌，所以電壓元件是監(jiān)測(cè)走行軌與結(jié)構(gòu)地之間的電壓，與鋼軌電位限制裝置監(jiān)測(cè)相同設(shè)備的電壓，僅僅是測(cè)量點(diǎn)不同而已。因此，可以得出框架保護(hù)的電壓元件與鋼軌電位限制裝置是監(jiān)測(cè)同一對(duì)象的兩種裝置。

框架保護(hù)的動(dòng)作過(guò)程：當(dāng)任意一個(gè)直流設(shè)備內(nèi)部發(fā)生正極與外殼短路時(shí)，接地電流通過(guò)電流元件流入地網(wǎng)。再以兩種方式回到負(fù)極，一種方式是通過(guò)走行軌至負(fù)極；另一種方式是通過(guò)走行軌與結(jié)構(gòu)地之間的過(guò)渡電阻及排流柜回到負(fù)極。此時(shí)電流元件監(jiān)測(cè)到大于整定值的電流時(shí)啟動(dòng)時(shí)間計(jì)數(shù)器，在設(shè)定時(shí)限到達(dá)時(shí)動(dòng)作，將相應(yīng)交、直流斷路器跳閘，框架保護(hù)電流元件可以保證切除故障。而與此同時(shí)電壓元件也監(jiān)測(cè)到結(jié)構(gòu)地與走行軌之間的電壓，當(dāng)電壓大于整定值時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間計(jì)數(shù)器，在設(shè)定時(shí)限到達(dá)時(shí)動(dòng)作，并對(duì)相應(yīng)交、直流斷路器發(fā)出跳閘命令，切除故障。

圖2 框架保護(hù)裝置示意

2 框架保護(hù)電壓元件與鋼軌電位限制裝置的差異

2.1 動(dòng)作后的結(jié)果不同

框架保護(hù)電壓元件一般設(shè)置兩段保護(hù)，當(dāng)走行軌對(duì)結(jié)構(gòu)地的電壓值達(dá)到框架保護(hù)電壓元件定值，并超過(guò)預(yù)設(shè)時(shí)間后，框架保護(hù)電壓元件會(huì)報(bào)警并跳本站所有直流牽引網(wǎng)的直流開(kāi)關(guān)，本站直流牽引系統(tǒng)退出運(yùn)行，中斷地鐵運(yùn)營(yíng)，會(huì)造成很大影響。鋼軌電位限制裝置在監(jiān)測(cè)到走行軌與結(jié)構(gòu)地之間的電壓達(dá)到保護(hù)定值后，只會(huì)采取短接走行軌與結(jié)構(gòu)地，消除這個(gè)危險(xiǎn)電壓，但并不會(huì)跳開(kāi)任何直流牽引網(wǎng)的直流開(kāi)關(guān)，影響較小。

2.2 使用差異

鋼軌電位限制裝置動(dòng)作后將走行軌與結(jié)構(gòu)地短接，是通過(guò)接觸器或雙反晶閘管短接，這種短接是沒(méi)有方向性的。因此，鋼軌電位限制裝置作為一種臨時(shí)措施用來(lái)消除走行軌與結(jié)構(gòu)地之間出現(xiàn)的這種危及人身安全的電壓。如果鋼軌電位限制裝置動(dòng)作頻繁，會(huì)對(duì)地鐵土建結(jié)構(gòu)預(yù)防雜散電流起到一定的負(fù)面作用，造成的影響是不易引起地鐵維護(hù)人員重視的。因此，發(fā)生鋼軌電位限制裝置頻繁動(dòng)作時(shí)，必須及時(shí)安排工作人員檢查直流牽引系統(tǒng)的整個(gè)回路是否存在接觸不良或是回流電纜損壞等情況。框架保護(hù)電壓元件如果發(fā)生動(dòng)作，會(huì)將本站直流牽引網(wǎng)的直流開(kāi)關(guān)全部斷開(kāi)，必將影響到地鐵正常運(yùn)營(yíng)，造成的影響是顯而易見(jiàn)的。

3 兩種保護(hù)裝置的配合

鋼軌電位限制裝置與框架保護(hù)在直流牽引系統(tǒng)中的位置如圖3所示。

圖3 兩種保護(hù)裝置在直流牽引系統(tǒng)中的位置

正常運(yùn)行狀態(tài)下，鋼軌電位限制裝置內(nèi)的接觸器保持?jǐn)嚅_(kāi)，雙反晶閘管元件也處于不導(dǎo)通狀態(tài)，框架保護(hù)電壓和電流元件則處于監(jiān)測(cè)狀態(tài)。當(dāng)?shù)谌壒╇妳^(qū)段內(nèi)有地鐵列車運(yùn)行時(shí)，牽引電流通過(guò)走行軌回流到直流牽引供電負(fù)極。走行軌對(duì)結(jié)構(gòu)地電位的大小主要取決于牽引電流、地鐵機(jī)車的位置、測(cè)量點(diǎn)的位置、走行軌與結(jié)構(gòu)地之間的過(guò)渡電阻等因素。

圖4為單列列車運(yùn)行時(shí)的鋼軌電位分布圖。

圖4 列車運(yùn)行時(shí)的鋼軌電位分布

如：走行軌的電阻值約為30 mΩ/km，當(dāng)合理設(shè)置均流電纜后，此數(shù)值將減小為20 mΩ/km，理想情況下，3 500 A的牽引電流引起的鋼軌壓降僅有70 V/km。

3.1 列車負(fù)荷過(guò)大

區(qū)段內(nèi)同時(shí)有多列列車運(yùn)行，列車負(fù)荷過(guò)大時(shí)，第三軌中的牽引電流瞬間增大且維持在高位，框架保護(hù)的電壓元件與鋼軌電位限制裝置同時(shí)都監(jiān)測(cè)到鋼軌電位上升。由于此時(shí)直流牽引供電系統(tǒng)仍屬正常運(yùn)行情況，不允許中斷地鐵機(jī)車直流牽引電源，因此不允許框架保護(hù)電壓元件動(dòng)作。但是為了周圍人員的安全，必須要將鋼軌電位控制在允許范圍內(nèi)。根據(jù)EN50122-1《鐵路應(yīng)用-固定設(shè)備有關(guān)電氣安全和接地裝置的保護(hù)規(guī)定》（Protective Provisions Relating to Electrical Safety and Earthing)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的人體耐受電壓-時(shí)間特性曲線的要求，鋼軌電位限制裝置的U＞可以設(shè)定為90 V。此時(shí)為了防止框架保護(hù)的電壓元件誤動(dòng)作，通常調(diào)整框架保護(hù)電壓元件的整定值與鋼軌電位限制裝置的U＞＞＞一致或略高，并且框架保護(hù)電壓元件動(dòng)作時(shí)間的整定應(yīng)長(zhǎng)于鋼軌電位限制裝置的動(dòng)作時(shí)間。這樣就可以保證鋼軌電位限制裝置在框架保護(hù)的電壓元件之前動(dòng)作。在鋼軌電位限制裝置動(dòng)作后，即將走行軌與結(jié)構(gòu)地短接，走行軌與結(jié)構(gòu)地之間的電壓被降至0 V附近，框架保護(hù)電壓元件就監(jiān)測(cè)不到超過(guò)定值的電壓值，不會(huì)發(fā)出跳閘信號(hào)，就不會(huì)中斷直流牽引供電。這樣的配置關(guān)系既保證了人身的安全，同時(shí)又避免了因牽引網(wǎng)斷電引發(fā)地鐵運(yùn)營(yíng)中斷的重大事件發(fā)生。

如果在列車負(fù)荷過(guò)大時(shí)，走行軌與結(jié)構(gòu)地之間的電壓上升達(dá)到并超過(guò)鋼軌電位限制裝置的U＞，而此時(shí)鋼軌電位限制裝置的PLC死機(jī)，接觸器拒動(dòng)，當(dāng)走行軌與結(jié)構(gòu)地之間的電壓繼續(xù)快速上升達(dá)到雙反晶閘管自行導(dǎo)通的電壓值時(shí)，雙反晶閘管支路導(dǎo)通，同樣將走行軌與結(jié)構(gòu)地之間的電壓被降至0 V附近，框架保護(hù)電壓元件就監(jiān)測(cè)不到超過(guò)定值的電壓值，不會(huì)發(fā)出跳閘信號(hào)，就不會(huì)中斷直流牽引供電。這樣既保證了人身的安全，同時(shí)又避免了因直流牽引網(wǎng)斷電引發(fā)中斷地鐵運(yùn)營(yíng)的重大事件發(fā)生。因此框架保護(hù)的電壓元件的作用完全可以不計(jì)。

3.2 第三軌對(duì)結(jié)構(gòu)地或?qū)ψ咝熊壈l(fā)生短路故障

第三軌對(duì)結(jié)構(gòu)地或?qū)ψ咝熊壈l(fā)生短路故障時(shí)，結(jié)構(gòu)地與走行軌之間的電壓被迅速抬升，框架保護(hù)的電壓元件與鋼軌電位限制裝置同時(shí)都監(jiān)測(cè)到鋼軌電位上升。無(wú)論直流斷路器的保護(hù)裝置是否動(dòng)作，鋼軌電位限制裝置因監(jiān)測(cè)到過(guò)電壓而動(dòng)作，短接走行軌與結(jié)構(gòu)地，不僅保證了軌道附近人員的安全，而且將短路效果進(jìn)行了放大，形成了一個(gè)金屬性的近端短路，使短路電流得到加強(qiáng)，促使直流斷路器的保護(hù)裝置加速動(dòng)作。

如果第三軌對(duì)結(jié)構(gòu)地或?qū)ψ咝熊壈l(fā)生短路故障時(shí)，而此時(shí)鋼軌電位限制裝置的PLC死機(jī)，接觸器拒動(dòng)，當(dāng)走行軌與結(jié)構(gòu)地之間的電壓繼續(xù)快速上升達(dá)到雙反晶閘管自行導(dǎo)通的電壓值時(shí)，雙反晶閘管支路導(dǎo)通，短接走行軌與結(jié)構(gòu)地。不僅保證了軌道附近人員的安全，而且將短路效果進(jìn)行了放大，形成了一個(gè)金屬性的近端短路，使短路電流得到加強(qiáng)，促使直流斷路器的保護(hù)裝置加速動(dòng)作。框架保護(hù)的電壓元件的作用完全可以不計(jì)。

3.3 直流設(shè)備內(nèi)部發(fā)生短路故障

直流設(shè)備內(nèi)部發(fā)生短路故障時(shí)，接地電流通過(guò)框架保護(hù)的電流元件流入結(jié)構(gòu)地，再通過(guò)走行軌與結(jié)構(gòu)地之間的過(guò)渡電阻回到走行軌(負(fù)極)。當(dāng)接地電流達(dá)到整定值時(shí)啟動(dòng)時(shí)間計(jì)數(shù)器，在設(shè)定時(shí)限到達(dá)時(shí)動(dòng)作，框架保護(hù)的電流元件動(dòng)作將相應(yīng)交、直流斷路器跳閘，切除故障；同時(shí)鋼軌電位限制裝置也監(jiān)測(cè)到負(fù)極與設(shè)備外殼間的電壓值，鋼軌電位限制裝置動(dòng)作，短接走行軌與結(jié)構(gòu)地。不僅保證了附近人員的安全，而且將短路效果進(jìn)行了放大，形成了一個(gè)金屬性的近端短路，使短路電流得到加強(qiáng)，促使直流斷路器的保護(hù)裝置加速動(dòng)作?？蚣鼙Ｗo(hù)的電壓元件在當(dāng)電壓大于整定值時(shí)啟動(dòng)時(shí)間計(jì)數(shù)器，在設(shè)定時(shí)限到達(dá)時(shí)動(dòng)作，此時(shí)故障已被框架保護(hù)的電流元件切除。因此框架保護(hù)的電壓元件的作用完全可以不計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中，鋼軌電位限制裝置完全可以替代框架保護(hù)的電壓元件的功能。因此，設(shè)置有采用負(fù)邏輯控制、內(nèi)含觸發(fā)電路雙反晶閘管的鋼軌電位限制裝置的地鐵牽引變電站內(nèi)完全不必重復(fù)安裝框架保護(hù)的電壓元件。這樣，既可以降低投資，還可以簡(jiǎn)化保護(hù)定值的設(shè)置，避免由于兩種保護(hù)定值配合不好或是框架保護(hù)電壓元件誤動(dòng)作造成直流牽引系統(tǒng)供電中斷而引發(fā)地鐵停運(yùn)的惡性事件，避免給地鐵運(yùn)營(yíng)方帶來(lái)巨大的社會(huì)負(fù)面影響。

1 黃偉光.地鐵牽引所框架保護(hù)的優(yōu)化方案[J].世界軌道交通，2010(4)：54-55.

2 Robles Hernández F.C，Plascencia G，Koch Kevin.Rail base corrosion problem for North American transit systems[J].Engineering Failure Analysis，2009，16(1)：281-294.

3 呂偉杰.地鐵雜散電流的防護(hù)方案研究與設(shè)計(jì)[D].西南交通大學(xué)：高電壓與絕緣技術(shù)，2007.

4 KieBling，Puschmann，Schmieder.電氣化鐵道接觸網(wǎng).中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司譯.北京：中國(guó)電力出版社，2004：505.

5 李 威.地鐵雜散電流的監(jiān)測(cè)與防治[J].城市軌道研究，2003(4).

6 周 偉.直流牽引供電系統(tǒng)雜散電流分布與防護(hù)研究[D].西南交通大學(xué)：電磁懸浮與超導(dǎo)工程，2007.

7 Wei L，Yuqiao W，Lianjun G.Study on Fuzzy Control Methods of Metro Stray Current Drainage Device.2006-the First International Symposium on Test Automation& Instrumentation，Jan 1 2006.

8 Cotton I，Charalambous C，Aylott P，Ernst P.Stray current control in the DC mass transit system. IEEE Trans Vehicle Technol，2005，5(4)：2.

9 Chen SL，Hsu SC，Tseng CT，Yan KH，Chou HY，Too TM. Analysis of rail potential and stray current for Taipei metro.IEEE Trans Vehicle Technol，2006，55(1).