淺析地鐵直流牽引供電系統框架保護原理及保護設置方案

葉 蘢

（廣州地鐵集團有限公司運營事業總部，廣東廣州510380）

1 框架保護的工作原理

地鐵直流牽引供電系統的框架保護裝置設在牽引所的負極柜內，用于在直流供電設備發生絕緣損壞或對設備框架發生閃絡、產生泄漏電流時，能夠及時切除故障，保護供電設備和人員人身的安全。框架保護有兩種類型，分別是電壓型框架保護和電流型框架保護，電壓型保護是電流型保護的后備保護。保護原理如圖1所示。

圖1 框架保護原理接線示意圖

直流牽引供電系統設備（包括DC 1 500 V開關柜、負極柜、整流器柜）的外殼采用對地絕緣安裝方式，其外殼不是直接接地，而是通過電纜連在一起，然后連接至負極柜，經過一個1 000 A/150 mV的分流器（R101）再接到公共地網，泄漏電流從地網經隧道壁、道床再流至鋼軌（負極）。當直流設備絕緣損壞，帶電設備對框架產生泄漏電流時，會在分流器（R101）兩端產生一個電壓，再通過隔離放大器將兩端的電壓信號輸入至保護模塊PLC，以測量框架對地的泄漏電流。

當檢測到泄漏電流達到整定值35 A時，電流型框架保護動作、出口，跳開相應開關，保護動作無延時。

電壓型框架保護是后備保護，由于鋼軌是采用絕緣安裝的，鋼軌對地的絕緣電阻會隨著絕緣材料的性能改變而變化，所以框架泄漏電流的回路電阻是不確定的，當回路電阻很大時，可能造成雖然設備對框架的絕緣損壞，但是泄漏電流檢測值達不到整定值要求，電流型框架保護不動作的情況，電壓型框架保護就是為了彌補這個缺陷而存在的。如圖1所示，它使用一個電壓變送器接在框架和負極之間，不斷將框架與負極（鋼軌）之間的電壓信號轉換成低電壓信號后輸入PLC，以檢測框架對鋼軌電壓（因框架經分流器接地，亦即測量鋼軌對地電壓）。

當PLC檢測到電壓達到或超過整定值時，啟動一段延時，如果在延時時間內，電壓一直大于整定值，則電壓型框架保護動作，跳開相應開關。

2 電流、電壓型框架保護與鋼軌電位限制裝置的匹配

在框架保護系統中有一個非常重要的部分——鋼軌電位限制裝置，它一端接鋼軌，另一端接地網，與電壓型框架保護類似，檢測的是鋼軌對地的電壓，當鋼軌電位達到保護整定值時，鋼軌電位限制裝置會迅速動作，將鋼軌與接地網短接，降低鋼軌電位。

電壓型框架保護與鋼軌電位限制裝置兩者都是檢測鋼軌對地電壓的，不同的是電壓型框架保護的作用是保護直流設備安全，動作于跳閘，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地電壓，保護線路上人員的人身安全，不影響直流牽引供電系統的正常運行。兩種保護的整定值必須相互匹配，以保證它們的選擇性和可靠性。

當發生框架泄漏事故時，故障電流通過電流檢測元件，此時電流元件啟動，同時故障電流通過回路壓降在電壓元件上產生一個高電壓，電壓元件也同時啟動。當故障電流達到電流元件的整定值時，電流型框架保護動作、出口，跳開相應開關；當故障電流沒有達到電流元件的整定值時，由于軌電位升高，達到軌電位限制裝置動作值時合上軌電位，將鋼軌直接接地，降低接地電阻，令電流型框架保護動作；當軌電位限制裝置拒動時，則通過電壓型框架保護作為后備保護跳開相應的開關，切除故障。

3 框架保護動作的原因分析

導致框架保護動作的原因很多，根據故障點的位置可以分為變電所內部故障和變電所外部故障兩類。

3.1 變電所內部故障

直流牽引供電設備內的小動物、絕緣降低、柜頂異物掉落、開關分合閘電弧或帶電導體脫落等情況都有可能導致框架與帶電設備短路，此時電流型框架保護應動作，如果電流未達到整定值，框架電壓升高而軌電位裝置又不能正常動作，則電壓型框架保護可能動作。

根據保護原理，框架保護的電流、電壓檢測回路如發生元器件故障或短路等問題，電流型或電壓型框架保護可能發生誤動。

3.2 變電所外部故障

變電所外部導致鋼軌對地電壓升高的原因有很多，列車啟動制動產生的大電流、負回流系統電阻過高、接觸網斷線對地短路、接觸網絕緣下降對地短路均會導致軌電位異常偏高，此時軌電位限制裝置應首先動作，只有當軌電位限制裝置不能正常動作時，電壓型框架保護會動作。

綜合以上情況，當電流型框架保護動作時，可以初步判斷是所內設備發生故障。電壓型框架保護除了因電壓檢測回路故障導致的誤動之外，多數情況是因為軌電位限制裝置未正常動作而作為后備保護啟動，且多為變電所外部原因所引起的。

電壓型框架保護作為軌電位后備啟動的同時也擴大了對行車造成的影響。如1999年6月，廣州地鐵1號線由于鋼軌電位升高，直流框架保護動作，導致公園前和長壽路區間接觸網大面積停電，影響行車42 min；2005年1月3號，深圳地鐵同樣由于軌電位升高，電壓型框架保護動作，導致4號線全線癱瘓，影響行車近4 h。兩次事件當時均沒有發生短路故障，而是由于車輛運行和其他原因導致鋼軌電位升高，應該由鋼軌電位限制裝置動作，避免電壓型框架保護動作。因此，設計時確保軌電位限制裝置與框架保護相互匹配，并在運行、維護中確保軌電位限制裝置可靠啟動、接觸器可靠動作是非常重要的。

4 框架保護聯跳、復歸、閉鎖設置方案

由于框架保護動作后會造成接觸網多個供電分區停電，影響區間內列車停運，而如果區間內列車不能盡快恢復運行，車站和列車內乘客的情緒會受影響，甚至產生恐慌情緒，從而進一步影響客運服務的組織和恢復。因此，框架保護故障的處理通常采用先通后復的原則，而框架保護聯跳、復歸、閉鎖的設置方案對故障的準確隔離和迅速恢復接觸網供電起著重要的作用。隨著地鐵公司運營經驗的積累和地鐵線網的發展，地鐵公司各條線路的框架保護設置方案也有了不同的方向。

4.1 聯跳功能設置方案對比

框架保護啟動后，統一出口跳本所兩臺整流機組33 kV斷路器和所有DC 1 500 V直流開關，聯跳方式有聯跳鄰所開關和只跳本所不聯跳鄰所兩種方式，前者影響兩個區間的接觸網停電，后者鄰所開關正常運行，繼續以大雙邊方式對接觸網供電。

電流型框架保護作為主保護，如果動作，所內設備通常存在明確的故障點，因此在實際應用中普遍采用動作后聯跳鄰所開關的方式，這樣可以確保第一時間切除所內設備的故障點，如果只跳本所開關，則本所饋線開關出線端以下設備的故障點不能被有效切除，可能造成故障進一步擴大。

電壓型框架保護作為后備保護，在實際應用中兩種聯跳方式都有，聯跳鄰所開關能可靠地斷開故障點，保證設備及人身安全；只跳本所開關則縮小了故障影響范圍，接觸網不失壓，不影響列車正常運行，但如果故障點在變電所外部，則故障點不能第一時間被切除，如軌電位電壓異常而軌電位限制裝置未能可靠動作，可能導致故障影響進一步擴大，此種方式建議謹慎使用。具體采用哪種方式需要綜合考慮線路客流量、鋼軌電位運行情況、線路框架保護與軌電位的匹配情況等。

4.2 復歸功能設置方案對比

框架保護的復歸方案目前也有本地復歸和遠程復歸兩種，框架保護動作后如聯跳鄰所，相應供電區段接觸網失電，區間列車停運，且保護動作閉鎖開關合閘，此時要恢復大雙邊供電需要先對保護模塊進行復歸。

舊線路框架保護一般采用本地復歸方式，框架保護動作后搶險人員要先趕到故障所對設備進行復歸后，電調才能通過合鄰所開關對接觸網送電，這種方式在恢復供電的及時性方面存在缺陷。

新線路逐漸開始設置遠方復位功能，電調可以遠控對保護模塊進行復歸，然后通過拉開本所饋線的上網隔離開關對所內故障進行隔離，接著就可以遠動操作合閘鄰所開關，對接觸網恢復供電，所有步驟均由電調遠方操作，縮短了恢復時間，節省了人力成本，這種方式在運營實踐中帶來了很好的效果。

4.3 合閘閉鎖功能設置方案對比

框架保護的合閘閉鎖方案目前有本所、鄰所開關全部閉鎖合閘和只閉鎖本所合閘兩種，舊線路框架保護采用本所、鄰所開關全部閉鎖合閘的方案，而后期新線路設計開始逐漸轉變為不閉鎖鄰所開關的方案。后者對鄰所開關只聯跳和閉鎖自動重合閘，不閉鎖開關再次合閘，電調可以不用對保護進行復歸，直接操作鄰所開關合閘，第一時間恢復受影響區段的接觸網供電，即使接觸網不具備恢復送電條件，也可以通過試合開關，啟動檢測回路，確定故障點范圍。不閉鎖鄰所開關的方案進一步提升了故障處理效率。

5 結語

由于框架保護在直流牽引供電系統中的重要性和特殊性，保證框架保護系統各級保護的可靠性、選擇性，提升故障分析能力及故障處理效率顯得尤為重要。本文通過對框架保護系統中各種保護的工作原理和相互匹配關系進行梳理，分析總結了框架保護的故障原因，提出了預防保護誤動和故障點初步判斷的方法，結合實際運行經驗，對比了幾種保護設置方案的優劣，歸納了在不擴大故障影響范圍的前提下縮短接觸網恢復供電時間的保護設置方案，對框架保護的故障預防、處理和邏輯功能設置或許有一定的參考作用。