地鐵牽引變電所直流框架電壓保護頻繁報警分析與對策

劉建華

（深圳市地鐵集團有限公司，廣東 深圳 510840）

隨著城市的擴容發(fā)展，將地鐵作為民眾出行的公共交通方式已成為一種主流的發(fā)展模式和趨勢，實踐證明其優(yōu)勢是顯著的。地鐵供電系統(tǒng)采取直流牽引供電方式，利用接觸網(wǎng)-受電弓為機車提供取流，并利用鋼軌作為機車負荷電流回流路徑，這種供電制式具有很多優(yōu)越性，但同時也存在一定的運營風險，需要設置一系列安全保護防范措施。

1 直流框架保護的原理與功能

1.1 保護原理

牽引變電所是地鐵中至關重要的系統(tǒng)，與地鐵運營安全息息相關，為保障變電所供電運維人員安全及設備安全，直流一次設備柜外殼設置框架保護，具體分為框架電流保護和框架電壓保護?？蚣茈娏鞅Ｗo和框架電壓保護通過不同的工作原理，共同完成直流框架保護任務，其保護原理見圖1。

圖1 直流框架保護原理

如圖1所示，直流一次設備柜所有外殼框架連為一體，采取對地絕緣安裝[1]，框架通過串聯(lián)的T20分流器與大地相連。當發(fā)生異常時，一次設備帶電部分與設備柜外殼碰殼短路，設備柜外殼帶電，大電流則經(jīng)T20分流器流入大地，大地與鋼軌之間存在過渡電阻，此大電流從大地通過過渡電阻流入鋼軌，經(jīng)鋼軌和回流電纜最終回流到負極柜，形成直流框架電流一個完整的回流通路。具體電流路徑可描述為：直流一次設備正極、柜殼框架、T20分流器、地、軌地過渡電阻、鋼軌、負極柜；直流框架電壓保護的路徑為：直流柜框架外殼、U02電壓變送器、鋼軌及負極母排。通過電壓變送器對框架電壓進行采樣，采取直流一次設備柜框架外殼與鋼軌之間的電位差作為框架電壓測量值，U02電壓變送器把采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后輸入框架電壓保護裝置，當框架電壓超過定值，框架電壓保護裝置則輸出相應的框架電壓保護動作指令[2]?？蚣茈妷罕Ｗo根據(jù)電壓大小和時間不同分段設定定值，實現(xiàn)框架電壓保護報警功能或跳閘功能。

1.2 功能及影響

直流框架電流保護和直流框架電壓保護因保護原理不同，動作機制不同，其功能和影響也不同，二者既有相同之處，又有不同之處，既相互影響又相互聯(lián)系?？蚣茈娏鞅Ｗo是通過采樣設備外殼框架對地的故障泄漏電流作為采樣參數(shù)，框架對地泄漏電流的大小決定框架電流保護是否啟動。當一次設備對框架外殼碰殼時，設備框架外殼帶電，框架電流流過柜體框架、分流器、地、過渡電阻、鋼軌，然后流回負極，上述部件的電阻大小影響框架電流的大小，并最終影響框架電流保護是否正常啟動。

在實際應用中，直流框架電流保護動作引發(fā)的事故影響較大，直接作用于一次設備跳閘，且跳閘設備范圍較大。當故障變電所發(fā)生直流柜框架電流保護動作，本所6臺直流斷路器跳閘，2臺35 kV整流機組斷路器跳閘，并聯(lián)跳2鄰站對應的4臺直流饋線斷路器，共計12臺斷路器跳閘?？蚣茈妷罕Ｗo分為框架電壓報警功能和框架電壓跳閘功能，當采樣元件采樣到框架電壓達到報警定值，框架電壓保護啟動報警指示功能，對外起到預警作用，只報警不跳閘；當框架電壓達到保護跳閘定值，框架電壓保護啟動跳閘功能。具體的直流框架電壓保護跳閘方案為：本所6臺直流斷路器跳閘，2臺35 kV整流機組斷路器跳閘，共計8臺斷路器跳閘。由此可見，直流框架電壓保護和直流框架電流保護都啟動本所共8臺相同的斷路器跳閘；不同之處為直流框架電流保護跳閘啟動鄰站對應的4臺直流饋線斷路器跳閘，直流框架電壓保護跳閘不啟動鄰站對應的斷路器跳閘?？蚣茈娏鞅Ｗo和框架電壓保護的核心共同作用是及早預防，及時發(fā)現(xiàn)框架帶電泄漏事故，一旦發(fā)生嚴重的框架帶電泄漏事故，立即跳開相關一次設備開關，切斷框架電壓和框架電流來源，防范事故的發(fā)生和蔓延[3]。

2 頻繁報警的原因分析

某地鐵牽引變電所頻繁報直流柜框架電壓報警U＿warn報文，框架電流保護無動作記錄。組織人員對現(xiàn)場采取以下檢查措施：（1）經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)直流一次設備柜外殼框架對地電位為0且正常，可排除直流一次設備對框架碰殼的情況；（2）解開直流系統(tǒng)框架一點接地處電纜，用絕緣電阻測試儀測試框架對地電阻，大于4 MΩ，符合標準值要求，框架對地絕緣良好；（3）查看牽引變電所直流框架電壓保護整定值（見表1）。

框架電壓的監(jiān)測實質(zhì)為設備柜外殼與鋼軌的電位差，即框架電壓的大小與設備柜外殼電位、鋼軌電位都相關，并取決于二者的差值，設備柜外殼或鋼軌電位過高，都有可能引發(fā)框架電壓采樣值超限。正常狀況下，設備柜外殼與地等電位，當鋼軌電位異常時，框架電壓采樣裝置U02電壓變送器采樣到鋼軌與設備柜外殼的電位差超過框架電壓保護定值，則可能觸發(fā)框架電壓保護啟動。但在實際設計中，鋼軌設置了軌電位限制保護裝置，以防止鋼軌電位出現(xiàn)異常偏高的情況。在現(xiàn)場應用中，一旦鋼軌電位異常，軌電位限制保護裝置監(jiān)測到鋼軌電位偏高時，發(fā)出指令對鋼軌先行強制接地，從而使鋼軌電位下降，框架電壓保護不能進一步啟動[4-6]。軌電位限制裝置保護整定值見表2。

表1 直流框架電壓保護整定值

由表1、表2可知，框架電壓的報警電壓整定值（U＿warn）與軌電位的保護電壓整定值（U1）相等，都為120 V，報警時間整定值（t＿warn）為2 s，軌電位限制裝置動作時間整定值（t1）為0.6 s，即當軌電位達到120 V時，軌電位限制裝置先動作，使鋼軌接地，軌電位降為0，U＿warn不能觸發(fā)。二者通過1.4 s時間級差配合，以滿足繼電保護的選擇性原則。

牽引變電所頻繁產(chǎn)生框架電壓報警，軌電位無動作記錄，說明可能有2種情況：（1）鋼軌電位限制裝置存在問題，當鋼軌電位超限，軌電位限制裝置未動作，導致觸發(fā)框架電壓保護報警；（2）框架電壓保護裝置存在問題，框架電壓采樣不準，與軌電位限制裝置電壓采樣不一致，二者存在誤差，導致二者在時間配合上無法形成級差。經(jīng)過現(xiàn)場定量測試校驗，在負極柜-鋼軌處加電壓，框架電壓保護裝置、軌電位限制裝置測試顯示數(shù)據(jù)見表3。

由表3可知，框架電壓采樣值與實際值存在誤差，誤差為+2 V，軌電位限制裝置電壓采樣與框架電壓采樣不一致，導致二者在時間上無法配合?，F(xiàn)場實際中，軌電位未達到120 V，框架電壓裝置已采樣到鋼軌對框架電壓為120 V，達到框架電壓保護報警的整定值，框架電壓保護報警動作，而軌電位限制裝置未能動作?？蚣茈妷翰蓸诱`差值為+2 V，此測量誤差在框架電壓保護報警整定值120 V的±5%之內(nèi)，屬于允許誤差（±6 V）之內(nèi)，符合繼電保護校驗工藝規(guī)程要求[7-9]。

表2 軌電位限制裝置保護整定值

表3 框架電壓保護裝置、軌電位限制裝置測試數(shù)據(jù) V

3 處理對策

通過上述分析可知，框架電壓保護裝置與軌電位限制保護裝置二者的電壓采樣測量存在誤差，采樣數(shù)據(jù)不一致，使二者在動作時間上無法配合，導致失去繼電保護選擇性，是框架電壓保護頻繁誤報警的根本原因。而上述誤差又在設備測量誤差允許范圍內(nèi)，因此在現(xiàn)場實際中，上述問題很難歸結(jié)為設備質(zhì)量問題，屬于設計要求與設備制造水平之間存在差距的矛盾[10]。在現(xiàn)場應用中，框架電壓保護裝置采樣測量元件難以調(diào)整，但可以對軌電位限制裝置的電壓采樣測量進行調(diào)整，充分利用允許誤差，使軌電位限制裝置采樣誤差與框架電壓采樣誤差偏差同向，人為調(diào)整軌電位限制裝置的電壓采樣零飄值為+2 V，此時，軌電位限制裝置與框架電壓保護裝置的電壓采樣數(shù)據(jù)同步一致。重新設置后，用繼保儀在負極柜-鋼軌加壓，當加到120 V時，軌電位限制裝置立即先動作，軌電位降為0，框架電壓保護報警未能啟動，軌電位限制裝置動作時間比框架電壓保護報警動作快1.4 s，實現(xiàn)了二者在動作時間上的配合。至此，圓滿解決了當鋼軌電位偏高時框架電壓保護頻繁誤報警的問題。

4 結(jié)束語

闡述地鐵牽引變電所直流框架保護的電路原理與功能，分析框架保護的工作機制及影響因素；對直流框架電流保護和框架電壓保護的跳閘動作特點進行比較，并重點對直流框架電壓保護頻繁報警的原因進行研究，通過理論分析和現(xiàn)象排除，結(jié)合現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，得出直流框架電壓保護頻繁誤報警的原因：軌電位限制裝置和框架電壓數(shù)據(jù)采樣值不一致，導致二者在動作時間上無法配合。通過運用設備允許誤差概念，調(diào)節(jié)軌電位限制裝置的電壓采樣零飄值，使上述2種電壓采樣值保持一致，解決了直流框架電壓保護頻繁報警的問題，提高了供電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，并進一步保障了供電運維人員的安全。