直流牽引系統(tǒng)電流型框架保護動作故障分析

李 晴 朱慧勇 薛 巖 賀 雯

（1.西安市軌道交通集團有限公司運營分公司，西安 710016；2.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710026；3.中國鐵路西安局集團有限公司西安高鐵基礎(chǔ)設(shè)施段，西安 710064；4.金鉬股份冶煉分公司，渭南 714100）

在地鐵供電系統(tǒng)中，直流牽引供電系統(tǒng)故障可能直接影響正常的雙邊供電方式，會對運營造成嚴(yán)重影響。為防止直流設(shè)備內(nèi)部絕緣效果降低對設(shè)備造成危害，需要設(shè)置直流牽引系統(tǒng)框架保護[1]。當(dāng)電流型框架保護動作時，如何快速處理直流牽引供電系統(tǒng)故障并恢復(fù)供電，是每個地鐵供電人應(yīng)該考慮和解決的問題。

1 電流型框架保護故障案例介紹

2021年4 月，供電專業(yè)在某車輛段4D1—4D6供電分區(qū)上網(wǎng)對隔離開關(guān)進行檢修作業(yè)。接觸網(wǎng)和變電專業(yè)地線接掛完成后，作業(yè)組開始作業(yè)，接觸網(wǎng)專業(yè)將2151隔離開關(guān)合閘后，啟動電流型框架保護動作。

2 電流型框架保護

2.1 《地鐵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定

《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157—2013）指出，直流牽引供電設(shè)備應(yīng)設(shè)置框架保護。規(guī)范中解釋“為解決設(shè)備漏電對人身造成傷害以及避免雜散電流的泄漏，要求設(shè)置框架保護。使用一套框架保護的直流牽引供電設(shè)備的外殼應(yīng)連接電氣并采用一點接地”[2-3]。

2.2 框架保護裝置

為減少雜散電流對金屬管道的腐蝕，地鐵直流供電設(shè)備均采用不接地設(shè)計，整流器和直流開關(guān)柜全部采用絕緣安裝。直流負極柜設(shè)置框架保護，可以實時監(jiān)測直流供電設(shè)備正極與單點接地的柜體之間的絕緣狀況。在絕緣效果嚴(yán)重下降甚至短路時，與其相關(guān)的斷路器會全部跳閘。

2.3 電流型框架保護原理

直流牽引系統(tǒng)正常運行時，設(shè)備絕緣良好，電流型框架保護不動作。如果直流設(shè)備發(fā)生正極對設(shè)備外殼泄漏（或正極與柜體之間絕緣下降）的情況，泄漏電流大于設(shè)定值，那么電流型框架保護動作，向35 kV的整流饋線柜和直流開關(guān)柜發(fā)出聯(lián)跳命令。這里所有直流開關(guān)柜和兩個35 kV的整流饋線柜同時跳閘，此時與同一供電臂供電的所有直流斷路器聯(lián)跳。泄漏電流流向分別為設(shè)備外殼、分流器、大地、鋼軌對地的泄露電阻、鋼軌以及負極，如圖1所示。直流框架保護電流元件一端連接絕緣安裝的設(shè)備外殼，另一端連接變電所接地網(wǎng)單點。若不及時切除故障，可能將故障擴大為直流1 500 V電壓正極，通過設(shè)備外殼與負極間發(fā)生短路事故，這時直流短路電流較大，可達到幾萬安，將嚴(yán)重損壞直流設(shè)備，甚至可造成工作人員觸電事故。

框架泄漏電流保護具有電流保護特性和時間保護特性。大地和直流開關(guān)柜設(shè)備框架之間測量電流可作為框架泄漏電流[4]。當(dāng)測量的電流值大于設(shè)定值時，保護出口，需要在設(shè)定延時內(nèi)泄漏電流持續(xù)大于設(shè)定值，以保護動作跳閘。先查找所有直流絕緣安裝設(shè)備有無正極碰殼故障，打開直流開關(guān)柜、負極柜以及整流器柜門，做到徹底檢查直到找到短路點，并在處理后按下負極柜柜面上的復(fù)歸按鈕。另外，臨站可直接遠方合閘，無須復(fù)歸。

電流型框架保護動作時，兩臺交流35 kV饋線斷路器106、107跳閘并閉鎖，直流饋線斷路器211、212、213、214跳閘并閉鎖，如圖2所示。聯(lián)跳鄰所同一供電臂的直流饋線斷路器，故障排除后，就地手動復(fù)歸解除本站所有斷路器閉鎖。

當(dāng)整流器和負極柜發(fā)生框架保護動作時，只聯(lián)跳并閉鎖兩臺交流35 kV饋線斷路器106、107和進線開關(guān)柜201、202，退出整流機組，不聯(lián)跳本所和鄰所饋線斷路器，可通過直流母排越區(qū)供電，減小對地鐵運營的影響。當(dāng)直流開關(guān)柜發(fā)生框架保護動作時，導(dǎo)致兩臺交流35 kV饋線斷路器106、107跳閘并閉鎖，直流饋線斷路器211、212、213、214跳閘并閉鎖，如圖3所示。排除故障后，就地手動復(fù)歸解除本站所有斷路器閉鎖[3]。設(shè)置2套直流框架保護裝置，可精確定位故障范圍。當(dāng)整流器與負極柜發(fā)生框架保護動作時，可縮小故障范圍[5]。

3 故障原因分析

隔離開關(guān)檢修作業(yè)屬于接觸網(wǎng)和變電專業(yè)聯(lián)合作業(yè)。當(dāng)接觸網(wǎng)專業(yè)在直流1 500 V接觸網(wǎng)上按作業(yè)要求掛接地線時，相當(dāng)于將接觸網(wǎng)和鋼軌短接，如圖4所示。因此，變電專業(yè)需要在直流1 500 V饋線柜饋線母排掛接地線。

由于直流饋線開關(guān)柜饋線母排與框架距離過近，因此接地線掛接饋線母排后，接地線夾短接饋線母排與直流框架，如圖5所示。作業(yè)前已將35 kV的地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）饋線斷路器106和107、直流1 500 V饋線開關(guān)柜、進線柜停電，所以無任何故障信息。當(dāng)2111上網(wǎng)隔離開關(guān)瞬間合閘時，接觸網(wǎng)存留的殘壓和鋼軌電流反送至直流饋線母排，直流接地線的接地線夾短接饋線柜母排與設(shè)備框架。當(dāng)泄漏電流值大于電流型框架保護定值時，觸發(fā)保護出口，電流框架保護動作。

車輛段鋼軌均采用絕緣安裝，但是實際工作時部分電流通過鋼軌回流至負極柜，剩余部分電流會通過絕緣薄弱處泄漏至大地。電荷普遍存在于變電所接地網(wǎng)系統(tǒng)。當(dāng)變電專業(yè)檢修時，裝設(shè)接地線連接變電所地網(wǎng)，這些泄漏電流引至直流開關(guān)母排后短接設(shè)備外殼。若電流值大于電流型框架保護定值，則觸發(fā)保護出口。

4 電流型框架保護故障原因和預(yù)防措施

4.1 電流型框架保護動作原因

電流型框架保護動作原因具體如下：框架電流元件和分流器故障，導(dǎo)致保護誤動作；電流采集回路二次接線松動，導(dǎo)致保護誤動作；框架多點接地，直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障，導(dǎo)致保護動作；直流設(shè)備一次回路與框架絕緣性不良，柜內(nèi)接線搭接在框架，老鼠或其他動物的行為可能會造成框架和正極短路；檢修作業(yè)掛地線，地線接地線夾誤將框架和正極短接。

4.2 解決措施

第一，檢修直流開關(guān)柜一次作業(yè)過程中，不僅需要檢查絕緣子（隔離開關(guān)支撐絕緣子）有無放電和裂紋、有無嚴(yán)重積塵或污漬，并對其進行擦拭。還需要檢查絕緣子安裝是否牢固。第二，檢修直流開關(guān)柜二次作業(yè)的過程中，需要檢查分流器、變送器是否燒傷，裂紋是否安裝平整，并與銅排緊密接觸。電流采集回路二次接線需要緊固，同時需檢查避雷器是否出現(xiàn)裂紋、放電及污損等情況。第三，涉及場/段直流牽引設(shè)備檢修作業(yè)時，需要在安全措施中增加軌電位裝置合閘項。第四，正線在運營期間若有整流器或直流開關(guān)柜退出運行，應(yīng)退出其對應(yīng)的聯(lián)跳把手。第五，為防止直流開關(guān)柜檢修接掛地線、直流母排與外殼框架的短接風(fēng)險，需要采取積極有效的措施避免發(fā)生框架保護誤動作。例如，改造直流母排接地線位置或在易發(fā)生碰觸的設(shè)備框架處加裝絕緣保護措施等。第六，新建地鐵直流設(shè)備安裝絕緣后，由于潮濕問題，在設(shè)備帶電前應(yīng)使用吹風(fēng)機干燥絕緣板，同時要求絕緣值達到驗收標(biāo)準(zhǔn)[6]。

5 應(yīng)急處置流程

首先，當(dāng)末端牽混所（段/場）和牽引降壓所發(fā)生直流1 500 V電流型框架保護動作時，需要專業(yè)攜帶應(yīng)急工具立即趕往現(xiàn)場確認，同時通知應(yīng)急搶險隊人員，到達故障地點后第一時間向調(diào)度報備。調(diào)度判斷是否通過正線支援車輛段，從而確定是否恢復(fù)接觸網(wǎng)供電。供電專業(yè)人員需做好倒閘配合和設(shè)備確認工作。

其次，當(dāng)正線牽引降壓所發(fā)生直流1 500 V電流型框架保護動作時，供電專業(yè)人員攜帶應(yīng)急工具立即趕往現(xiàn)場確認，同時通知應(yīng)急搶險隊人員，到達故障地點后第一時間向調(diào)度報備。供電人員初步判斷故障原因，可申請復(fù)歸按鈕，退出本站聯(lián)跳開關(guān)，配合調(diào)度命令做好鄰所相應(yīng)的饋出開關(guān)、試送電準(zhǔn)備及確認送電后設(shè)備狀態(tài)等工作。

最后，申請計劃，制定故障搶修方案和準(zhǔn)備搶修物資，待運營結(jié)束后，根據(jù)電力和防災(zāi)調(diào)度檢查并處理整流機組故障。故障處理過程中，供電人員按要求執(zhí)行調(diào)度命令，確認并制定安全措施。

6 結(jié)語

直流開關(guān)柜是地鐵牽引供電的核心。文章研究電流型框架保護原理，總結(jié)直流開關(guān)柜每次故障產(chǎn)生的原因，并制定相應(yīng)的預(yù)防措施，可提高運營供電人員處理故障的效率，對地鐵安全運營具有重要意義。