中低速磁浮牽引供電系統(tǒng)接地保護(hù)方案探析

孫才勤

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中低速磁浮牽引供電系統(tǒng)接地保護(hù)方案探析

孫才勤

對中低速磁浮牽引供電系統(tǒng)正極發(fā)生接地故障時(shí)多個(gè)（大于2個(gè)）牽引變電所64D保護(hù)同時(shí)跳閘現(xiàn)象進(jìn)行分析，并提出了解決方案。

中低速磁浮；接地故障；保護(hù)方案

0 引言

中低速磁浮軌道交通是指運(yùn)行速度不超過120 km/h的磁浮軌道交通，在我國長沙和北京已經(jīng)建成投運(yùn)。我國目前正在研究的中速磁浮軌道交通其最高行車速度可以達(dá)到160 km/h，是在中低速磁浮技術(shù)基礎(chǔ)上的升級和提高，兩者的牽引和供電原理相同。

1 中低速磁浮牽引供電系統(tǒng)

中低速磁浮軌道交通采用直流1 500 V牽引供電制式。牽引網(wǎng)系統(tǒng)由正極接觸軌和負(fù)極接觸軌組成，正、負(fù)極接觸軌分布在軌道兩側(cè)，與地絕緣，通過正極接觸軌向車輛供電，負(fù)極接觸軌回流。牽引變電所直流饋線柜采用斷路器柜，并設(shè)置了大電流短路斷路器直接跳閘保護(hù)、過電流保護(hù)、電流變化率及其增量保護(hù)、雙邊聯(lián)跳保護(hù)、直流設(shè)備框架泄漏保護(hù)等，對直流牽引饋線的短路故障及異常運(yùn)行進(jìn)行判斷和保護(hù)。

2 中低速磁浮接地保護(hù)方案及存在問題

中低速磁浮軌道交通正極接觸軌和負(fù)極接觸軌通過絕緣子安裝固定在軌道梁兩側(cè)，絕緣子安裝底座金屬構(gòu)件未與專用接地線連接；列車懸浮運(yùn)行，金屬車輛本體與地絕緣。

由于中低速磁浮軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，正極直接對負(fù)極發(fā)生短路故障的可能性較小，而正極對地發(fā)生接地故障的可能性會因絕緣子的質(zhì)量和老化等原因而增加。

接地故障的主要形式有牽引變電所內(nèi)直流設(shè)備正極母線接地、列車正極回路與列車框架（地）短路、正極接觸軌對橋梁短路等。當(dāng)牽引變電所內(nèi)直流設(shè)備正極母線接地時(shí)，由于直流設(shè)備設(shè)置了框架泄漏保護(hù)，框架保護(hù)的電流元件檢測到短路電流時(shí)發(fā)出跳閘信號，啟動交流斷路器和直流饋線斷路器跳閘；當(dāng)列車線路斷路器以下的正極回路與車輛框架（地）發(fā)生短路時(shí)，列車泄漏電流保護(hù)裝置檢測到短路電流，啟動線路斷路器跳閘，切斷故障回路；當(dāng)列車線路斷路器以上的正極回路與車輛框架（地）發(fā)生短路時(shí)，短路電流最終通過列車框架接地刷流入大地，但大地與負(fù)極是絕緣的，沒有回流通路，因此，采取了在負(fù)極與地之間設(shè)置電壓繼電器接地保護(hù)裝置（簡稱64D）的措施。系統(tǒng)接線如圖1所示。

圖1 64D保護(hù)下的系統(tǒng)一次接線圖

每個(gè)牽引變電所均設(shè)置64D保護(hù)裝置。64D保護(hù)裝置由逆流二極管、接地電阻（5W）、電壓傳感器、電流傳感器、電源及微機(jī)控制系統(tǒng)組成，其保護(hù)啟動電壓可在90～300 V內(nèi)設(shè)定，一般設(shè)定為200 V。當(dāng)發(fā)生正極回路與車輛框架（地）接地故障時(shí)，列車到站后每個(gè)牽引變電所均產(chǎn)生短路電流，短路電流流經(jīng)各牽引變電所的64D保護(hù)裝置。

中低速磁浮軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)接觸軌安裝在橋梁兩側(cè)，接觸軌通過絕緣子與結(jié)構(gòu)底座絕緣，結(jié)構(gòu)底座之間未設(shè)置貫通地線。當(dāng)接觸軌絕緣子損壞，接觸軌電壓直接加載于結(jié)構(gòu)底座上，造成電流泄漏，在該故障情況下，64D保護(hù)裝置可能檢測不到電壓，無法實(shí)現(xiàn)保護(hù)，形成安全隱患。而當(dāng)結(jié)構(gòu)鋼筋連接成一個(gè)很好的通路時(shí)，多個(gè)牽引變電所64D保護(hù)裝置檢測到故障而啟動饋線斷路器跳閘，出現(xiàn)大范圍停電。

3 問題分析

當(dāng)發(fā)生列車線路斷路器以上的正極回路與車輛框架（地）短路或正極軌絕緣損壞后的正極接地時(shí)，短路電流通路如圖2所示。

圖2 正極對地短路示意圖

當(dāng)發(fā)生正極對地金屬性短路時(shí)（如圖2中的短路方式①），短路回路上的電阻包括正極軌電阻、列車框架回路電阻、接地網(wǎng)電阻、64D保護(hù)回路電阻，其中工型正極軌單位電阻為0.008 5W/km、接地網(wǎng)電阻1W/處，64D保護(hù)回路電阻5W。按10 km外的牽引變電所考慮，粗略計(jì)算64D保護(hù)電阻上的電壓約為900 V。因此，相鄰多個(gè)牽引所的64D保護(hù)裝置均可檢測到大于設(shè)定值的電壓，造成兩側(cè)各10 km范圍甚至更遠(yuǎn)的牽引變電所跳閘。

當(dāng)接觸軌絕緣子損壞，接觸軌電壓直接加載至結(jié)構(gòu)底座上，形成電流泄漏。泄漏電流沒有金屬通路，64D保護(hù)裝置檢測不到泄漏電流，不會啟動報(bào)警，更不會啟動跳閘。當(dāng)金屬底座與結(jié)構(gòu)鋼筋最終連接在一起時(shí)，形成正極軌金屬性短路，如圖2中的短路方式②。短路回路上的電阻包括電氣結(jié)構(gòu)鋼筋電阻、接地網(wǎng)電阻、64D保護(hù)回路電阻。結(jié)構(gòu)鋼筋較短，焊接數(shù)量多，電阻也較小，分析過程同短路方式①，也會造成兩側(cè)各10 km范圍甚至更遠(yuǎn)的牽引變電所跳閘。

4 解決方案

為了為絕緣子泄漏電流提供一個(gè)通路，將沿線所有絕緣子金屬底座用接地扁銅進(jìn)行連接，接地扁銅全線連通，并在橋墩和車站變電所接地。當(dāng)正極接觸軌發(fā)生對地短路，短路電流由正極流出，通過正極接觸軌-短路點(diǎn)-貫通地線-地網(wǎng)-變電所單向?qū)ń拥乇Ｗo(hù)裝置回到變電所負(fù)極。當(dāng)列車線路斷路器以上的正極對車輛框架短路時(shí)，短路電流從牽引變電所流出，通過正極接觸軌-車輛正極母線-短路點(diǎn)-車輛框架-接地軌-地網(wǎng)-變電所單向?qū)ń拥乇Ｗo(hù)裝置回到變電所負(fù)極。牽引變電所饋線斷路器KB（相鄰牽引所及遠(yuǎn)端牽引所）可采集到相應(yīng)的短路電流，短路電流大小及暫態(tài)過程由回路的短路阻抗決定，特別是變電所接地保護(hù)裝置回路電阻。

當(dāng)接地保護(hù)裝置回路設(shè)置5W電阻時(shí)，短路時(shí)最大電流只有約600 A，保護(hù)裝置不能判斷是短路電流還是正常運(yùn)行負(fù)荷電流，將無法啟動保護(hù)跳閘。

通過模擬計(jì)算，當(dāng)取消接地保護(hù)裝置回路電阻時(shí)，雙邊供電時(shí)遠(yuǎn)端（3 km）和近端短路電流達(dá)到12 000和57 000 A左右，相鄰牽引變電所均能判別短路電流，啟動保護(hù)跳閘。而更遠(yuǎn)端（遠(yuǎn)端鄰所）的牽引變電所測得的短路電流在6 000 A以下，通過大電流保護(hù)設(shè)置，可以不啟動保護(hù)跳閘。通過該設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了跳閘的選擇性，縮小了事故范圍，也為事故的定位和處理提供了方便。此時(shí)，64D已變成了一個(gè)單向?qū)ń拥乇Ｗo(hù)裝置，流過較大的短路電流，因此該裝置的耐電流能力需要大大增強(qiáng)。其系統(tǒng)接線如圖3所示。

圖3 新型保護(hù)下的系統(tǒng)一次接線圖

5 結(jié)語

本文對中低速磁浮牽引供電系統(tǒng)64D保護(hù)方案下的故障及保護(hù)進(jìn)行了分析， 指出了64D保護(hù)存在的問題，并提出了新的保護(hù)方案。該方案可以在既有運(yùn)營線路中改造使用，也可在新建中低速磁浮或中速磁浮工程中采用。

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The paper analyzes the simultaneous tripping of 64D protection in several (more than two) traction substations when there are earthing failures occurred at the positive polar of traction power supply system for medium and low speed magnetic levitation, and puts forward the scheme for the solution.

Medium and low speed magnetic levitation; earthing fault; protection scheme

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.020

U237

B

1007-936X(2018)06-0081-02

2018-06-25

孫才勤.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化設(shè)計(jì)院分公司，教授級高級工程師。