城市軌道交通專用軌回流系統(tǒng)框架泄漏保護(hù)分析

王 龍，劉愛華，劉大偉

0 引言

在城市軌道交通供電系統(tǒng)中，為了保障人身和設(shè)備安全，變電所內(nèi)所有交流系統(tǒng)設(shè)備均接于由接地扁鋼、電纜金屬鎧裝、接觸網(wǎng)架空地線等構(gòu)成的綜合接地系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備可靠接地。而為了減少或控制雜散電流對(duì)地鐵主體結(jié)構(gòu)、道床結(jié)構(gòu)鋼筋等金屬體的電化學(xué)腐蝕，及減少對(duì)沿線其他市政金屬管線的侵蝕，走行軌回流系統(tǒng)中的直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為不接地系統(tǒng)，直流設(shè)備和鋼軌均采用絕緣安裝。為了保證直流設(shè)備正極發(fā)生碰殼故障時(shí)的人身和設(shè)備安全，直流系統(tǒng)中設(shè)置了框架泄漏保護(hù)，該保護(hù)裝置一般由電流元件和電壓元件組成。

近些年，在寧波、紹興等地開始探索負(fù)極采用類似三軌形式的專用軌回流制式，其與大地絕緣，絕緣水平接近正極。

1 走行軌回流系統(tǒng)中的框架泄漏保護(hù)

在走行軌回流系統(tǒng)中，框架泄漏保護(hù)的電流元件和電壓元件接線如圖1所示。

圖1 框架泄漏保護(hù)接線（走行軌回流系統(tǒng)）

電流元件是一個(gè)可承受100 kA短路電流而電阻值只有0.15 mΩ的低阻抗元件，一端接于絕緣安裝的直流設(shè)備外殼，另一端與變電所接地網(wǎng)單點(diǎn)連接，成為絕緣安裝范圍內(nèi)設(shè)備發(fā)生正極對(duì)外殼故障時(shí)泄漏電流的唯一通路。電壓元件是一個(gè)連接于直流設(shè)備負(fù)極與設(shè)備外殼之間的高阻抗元件，由于設(shè)備外殼通過低阻抗電流元件與地網(wǎng)連接，故電壓元件實(shí)時(shí)檢測的是負(fù)極與大地之間的電壓。

框架泄漏保護(hù)是針對(duì)直流正極對(duì)外殼發(fā)生故障時(shí)的保護(hù)措施，同時(shí)對(duì)于接觸網(wǎng)對(duì)架空地線故障時(shí)也能起到保護(hù)作用。

當(dāng)發(fā)生直流正極對(duì)外殼故障（故障1）時(shí)，故障電流的路徑為正極外殼電流元件大地泄漏電阻鋼軌負(fù)極，故障電流經(jīng)過電流元件。若故障電流超過電流元件的電流設(shè)定值，則立刻啟動(dòng)相應(yīng)的斷路器跳閘，切除故障。由于鋼軌與地之間的泄漏電阻具有不確定性，因此故障電流可能達(dá)不到電流設(shè)定值，此時(shí)電流元件不啟動(dòng)。

另外，大地與鋼軌之間還連接著鋼軌電位限制裝置，大地與負(fù)極之間還連接著排流柜。鋼軌電位限制裝置的閉合和排流柜的投入均為大地與鋼軌之間的故障電流提供良好的通路，利于電流元件動(dòng)作。在鋼軌電位限制裝置異常、排流柜退出，大地與鋼軌之間的絕緣也還良好時(shí)，故障電流將無法啟動(dòng)電流元件。此時(shí)，電壓元件將檢測到負(fù)極與大地之間電壓升高，當(dāng)檢測電壓大于設(shè)定值時(shí)，則延遲啟動(dòng)相應(yīng)的斷路器跳閘，切除故障。

當(dāng)發(fā)生接觸網(wǎng)對(duì)架空地線故障（故障2）時(shí)，即直流正極對(duì)地短路，故障電流的路徑為正極接觸網(wǎng)架空地線大地泄漏電阻鋼軌負(fù)極，故障電流不經(jīng)過電流元件。而鋼軌電位限制裝置OVPD和電壓元件將檢測到大地和鋼軌之間的電壓升高。在目前走行軌回流系統(tǒng)中，OVPD的整定曲線一般處于電壓元件的整定曲線之下，二者同時(shí)檢測到電壓時(shí)OVPD先啟動(dòng)。當(dāng)OVPD異常時(shí)，電壓元件延遲啟動(dòng)相應(yīng)的斷路器跳閘，切除故障。

由分析可知：在走行軌回流系統(tǒng)中，框架泄漏保護(hù)是正極對(duì)外殼故障時(shí)的保護(hù)措施，電流元件是主保護(hù)，電壓元件是后備保護(hù)；電壓元件也是接觸網(wǎng)對(duì)架空地線故障時(shí)的必要保護(hù)，不可以取消。

2 專用軌回流系統(tǒng)對(duì)比走行軌回流系統(tǒng)的主要變化

專用軌回流系統(tǒng)與走行軌回流系統(tǒng)相比，最大的差異是增加了1條對(duì)地絕緣（與正極對(duì)地絕緣水平相當(dāng)）安裝的專用回流軌，專門用于牽引電流向變電所負(fù)極的回流；原來兼作回流的走行軌只提供車輛的走行和導(dǎo)向功能，由此不僅沒有必要因防止回流泄漏而進(jìn)行絕緣安裝，而且還需為保證人身安全而在變電所內(nèi)進(jìn)行接地連接。在此變化之下，接地的走行軌與大地之間也沒有設(shè)置OVPD的需求，徹底杜絕雜散電流后也沒有設(shè)置排流柜的必要。同時(shí)，為了提供大地向負(fù)極方向的短路電流通路，牽引所在大地與負(fù)極之間增設(shè)單向?qū)ㄑb置[1]。此外，為防止發(fā)生車輛故障停運(yùn)而其他區(qū)間仍有車輛運(yùn)行時(shí)專用回流軌因可能存在低電位對(duì)乘客疏散或人員搶修造成觸電風(fēng)險(xiǎn)，車站變電所內(nèi)增設(shè)回流軌接地裝置，實(shí)現(xiàn)故障區(qū)間回流軌的短時(shí)接地，以保證人身安全。

除此之外，車輛外殼仍通過鋼制車輪接觸鋼軌后直接與走行軌接觸，在走行軌回流系統(tǒng)中車輛外殼與負(fù)極等電位，而專用軌回流系統(tǒng)中車輛外殼與大地等電位。

兩種回流系統(tǒng)方案如圖2、圖3所示。

圖2 走行軌回流系統(tǒng)

圖3 專用軌回流系統(tǒng)

3 專用軌回流系統(tǒng)中接地故障短路電流路徑分析

由于框架泄漏保護(hù)僅與接地故障（包括正極對(duì)設(shè)備外殼故障）密切相關(guān)，故下文只對(duì)各種類型的接地故障（包括正極對(duì)設(shè)備外殼故障）進(jìn)行分析。分析中，專用軌回流系統(tǒng)的框架泄漏保護(hù)接線方式按與走行軌回流系統(tǒng)相同考慮。

在專用軌回流系統(tǒng)中，發(fā)生如前述走行軌回流系統(tǒng)中的2種故障時(shí)：

（1）直流正極對(duì)外殼發(fā)生故障（故障1）。故障電流的路徑為正極外殼電流元件大地單向?qū)ㄑb置負(fù)極，故障電流經(jīng)過電流元件，連接外殼和負(fù)極之間的電壓元件檢測到的電壓為單向?qū)ㄑb置的導(dǎo)通電壓。

（2）接觸網(wǎng)對(duì)架空地線發(fā)生故障（故障2）。故障電流的路徑為正極接觸網(wǎng)架空地線大地單向?qū)ㄑb置負(fù)極，故障電流不經(jīng)過電流元件，電壓元件同故障1。

在專用軌回流系統(tǒng)中，還存在由于車輛與大地等電位而導(dǎo)致的如下接地故障：

（1）接觸網(wǎng)對(duì)車輛外殼故障（故障3）。故障電流的路徑為正極接觸網(wǎng)車輛外殼鋼制車輪走行軌大地單向?qū)ㄑb置負(fù)極，故障電流不經(jīng)過電流元件，電壓元件同故障1。

（2）車輛內(nèi)正極對(duì)車輛外殼故障。當(dāng)故障點(diǎn)發(fā)生在車內(nèi)直流斷路器的上口時(shí)（故障4），故障電流的路徑與接觸網(wǎng)對(duì)車輛外殼故障（故障3）時(shí)的路徑相同，故障電流同樣不經(jīng)過電流元件，電壓元件同故障1；當(dāng)故障點(diǎn)發(fā)生在車內(nèi)直流斷路器的下口時(shí)（故障5），故障電流的路徑為正極接觸網(wǎng)車內(nèi)直流斷路器車輛外殼鋼制車輪走行軌大地單向?qū)ㄑb置負(fù)極，故障電流也不經(jīng)過電流元件，電壓元件同故障1。

（3）在走行軌回流系統(tǒng)中最常見的接觸網(wǎng)斷線搭在走行軌上正負(fù)極之間的短路故障，在專用軌回流系統(tǒng)中，也由于走行軌在每個(gè)變電所內(nèi)接地而實(shí)質(zhì)為直流正極的接地故障（故障6）。此時(shí)故障電流的路徑為正極接觸網(wǎng)走行軌大地單向?qū)ㄑb置負(fù)極，故障電流也不經(jīng)過電流元件，電壓元件同故障1。

4 專用軌回流系統(tǒng)中接地故障的保護(hù)措施

通過對(duì)上述6種接地故障的故障電流路徑分析不難發(fā)現(xiàn)，只有直流正極對(duì)外殼發(fā)生故障（故障1）時(shí)故障電流流過電流元件，且回路中除正極對(duì)外殼之間有可能出現(xiàn)非金屬性短路的絕緣閃絡(luò)外，短路通路均為低阻抗通路。由此，短路路徑的回路電阻值可基本確定，并能夠保證電流元件啟動(dòng)，觸發(fā)相應(yīng)斷路器跳閘以切除故障。

而故障3至故障6，由于在專用軌回流系統(tǒng)中車輛外殼、走行軌與大地等電位，短路電流路徑均與接觸網(wǎng)對(duì)架空地線的故障2類似，從正極出發(fā)經(jīng)接觸網(wǎng)到車輛外殼、鋼制車輪、走行軌至大地，或直接經(jīng)走行軌到大地，或經(jīng)架空地線到大地，最后通過單向?qū)ㄑb置回到負(fù)極。此時(shí)，正負(fù)極之間形成完整的短路回路，且不流經(jīng)電流元件。正負(fù)極之間短路電流啟動(dòng)故障區(qū)間兩端饋線斷路器的保護(hù)，觸發(fā)斷路器跳閘切除故障。其中對(duì)于故障5，車輛內(nèi)正極直流斷路器下口對(duì)車輛外殼短路時(shí)，短路電流同樣啟動(dòng)車內(nèi)直流斷路器跳閘切除故障。因此，變電所內(nèi)饋線斷路器除在發(fā)生故障5時(shí)會(huì)由于車輛內(nèi)直流斷路器跳閘切除故障而通過線路測試、重合閘成功恢復(fù)供電外，發(fā)生其余4種故障（故障2、故障3、故障4、故障6）時(shí)均無法重合閘。

至于連接于設(shè)備外殼和負(fù)極之間的電壓元件，在故障1至故障6中，檢測電壓均被鉗制為單向?qū)ㄑb置的導(dǎo)通電壓，不會(huì)啟動(dòng)。

5 專用軌回流系統(tǒng)中框架泄漏保護(hù)分析

通過以上分析可以看出，專用軌回流系統(tǒng)中大地與負(fù)極之間的單向?qū)ㄑb置，一方面解決了走行軌回流系統(tǒng)中大地與鋼軌之間不可確定的泄漏電阻導(dǎo)致電流回路電阻偏大、不利于電流保護(hù)啟動(dòng)的問題，使得大地與負(fù)極之間形成了單向可控的低阻抗通路，為短路電流提供了通暢的流通路徑，另一方面造成了大地與負(fù)極之間的電壓被鉗制，不容易被識(shí)別的問題。換一種解釋，專用軌回流系統(tǒng)類似于排流柜投入運(yùn)行的走行軌回流系統(tǒng)，其單向?qū)ㄑb置等同于走行軌回流系統(tǒng)中的排流柜。

由此，專用軌回流系統(tǒng)中，只有變電所內(nèi)直流正極對(duì)外殼的故障才會(huì)由框架泄漏保護(hù)的電流元件動(dòng)作，啟動(dòng)相關(guān)斷路器跳閘切除故障，而接觸網(wǎng)的各種接地故障均與框架泄漏保護(hù)無關(guān)，只能由直流饋線的電流保護(hù)完成?？蚣苄孤┍Ｗo(hù)的電壓元件由于被單向?qū)ㄑb置鉗制而失去作用，故在專用回流軌系統(tǒng)中無需設(shè)置電壓元件。在專用軌回流系統(tǒng)中，框架泄漏保護(hù)接線見圖4。

圖4 框架泄漏保護(hù)接線（專用軌回流系統(tǒng)）

6 結(jié)語

專用軌回流系統(tǒng)中，框架泄漏保護(hù)無需設(shè)置電壓元件，只保留電流元件，保護(hù)類型也只針對(duì)變電所內(nèi)直流正極對(duì)外殼的故障。換言之，在專用軌回流系統(tǒng)中，保留設(shè)置的框架泄漏保護(hù)電流元件是更純粹的“框架泄漏電流保護(hù)”。