地鐵牽引所單所供電調試中防止電壓型框架保護動作導致送電失敗的措施

彭兵生

摘要：本文針對地鐵牽引供電所初期調試時，在直流饋線不與接觸網線路連接，且直流電源負極與鋼軌（回流軌）未連接或雙邊供電鋼軌（回流軌）未接通時，直流母排帶電瞬間電壓型框架保護動作，致使送電調試失敗的問題，從直流框架保護的原理出發，提出了一種有效的解決方案，該方案已經現場多次使用，收到了預想效果。

關鍵詞：地鐵供電調試；框架保護

引 言

城市軌道交通的牽引供電系統因其工況要求及地理條件的特殊性而采用直流電源供電模式。由于直流電源具有較強的電鍍、電解、電腐蝕特性，所以為保護地下及地面金屬物免遭破壞，直流牽引供電系統設計為不接地系統。牽引所內的直流設備和供電接觸網路均采用絕緣安裝，鋼軌（回流軌）通過絕緣墊與大地絕緣，以減少雜散電流的泄漏。

為了防止直流帶電設備對直流柜柜體發生泄漏或絕緣損壞，基于直流供電系統人身安全和設備安全考慮，將直流設備內發生的電源泄露或短路故障迅速切除，所以在直流系統中特別設置了直流框架保護，即直流供電系統的室內設備采用框架安裝方式，利用絕緣底板使框架對地絕緣，通過低阻抗的電流元件單點接地，并設置電流型框架保護；采集設備框架（大地）與電源負極之間的電壓，設置電壓型框架保護；用此兩種不同類型的框架保護來共同保護人身安全和設備安全。

在單所供電初期調試送電時，由于沒有帶上接觸網線路供電，且直流電源負極與鋼軌（回流軌）未連接或雙邊供電鋼軌（回流軌）未接通時，由于軌地之間等效電阻較大，送電時柜體（框架）內的電源正極對柜體（框架）之間的電容效應使柜體（框架）瞬間帶正電，由于柜體（框架）采用一點接地，所以此時大地亦帶正電，此時電壓型框架保護采集到了高于定值的框架電壓，致使電壓型框架保護動作導致送電失敗，本文通過分析框架保護的原理，提出一有效的解決辦法。

框架保護裝置及工作原理分析

直流供電系統中的框架保護分為電流型框架保護和電壓型框架保護兩種，如圖1所示，框架保護裝置主要用于當直流設備正極對設備外殼發生泄露或短路時，起動相應斷路器跳閘，快速切除故障，使供電設備免遭損壞。它主要由電流測量元件和電壓測量元件構成。電流測量元件一端接設備外殼，另一端接地，用于檢測框架（外殼）與地之間泄露電流；電壓測量元件用于測量設備外殼與直流電源負極之間的電壓，一端接設備框架（外殼）另一端接于電源負極。

電流型框架保護：

直流系統正常運行狀態下，直流設備外殼絕緣良好，電源正極對外殼無泄漏電流，電流檢測元件檢測不到電流，所以保護裝置不動作；當設備絕緣性能降低時，電源正極對框架（外殼）等效絕緣電阻減小，相對絕緣距離縮短，從而引起放電，產生泄漏電流，當達到整定值80A時（以蘇州地鐵4號線為例），電流型框架保護裝置動作，本所的直流系統斷路器全部跳閘，并閉鎖本所斷路器合閘、聯跳與本所相鄰牽引所的所有直流饋出斷路器。

電壓型框架保護：

當框架（外殼）與直流柜正極發生高阻性穿透故障時，電流型框架保護裝置檢測到的電流遠小于電流型框架保護定值而不動作，此時電壓檢測元件在框架（外殼）與負極之間將檢測到框架對電源負極的電壓（因為鋼軌經軌地間過度電阻與地相連、鋼軌又與電源負極相連，所以所監測到的電壓相當于鋼軌與地之間的電壓）。當電壓達到90V時，系統報警，大于150V時（以蘇州地鐵4號線為例），本所的直流系統所有進出線斷路器（包括35kV整流變饋線）斷路器全部跳閘，并閉鎖本所斷路器合閘。

圖2為地鐵1500V直流部分供電主接線圖，在正常運行模式下，變電所內直流饋線斷路器211、213、212、214，與上網隔開2111、2131、2121、2141對應相連并送至接觸網線路；其負極柜隔開2012、2022下端均已與回流箱、鋼軌（回流軌）相連，即在線路施工完成并校驗合格后送電，由于鋼軌對地等效電阻最小，相對于送電時柜體（框架）內的電源正極對柜體（框架）之間的等效電容容抗效應阻值可以忽略不計電壓型框架保護裝置所采集到的框架對電源負極電壓遠小于電壓型框架保護定值，所以電壓型框架保護不會動作。

由于地鐵施工條件特殊，施工難度較大，因此，各專業施工進度可能并不一致。在變電所所內設備安裝調試完成后達到本所對外送電條件之前，往往地鐵線路上接觸網以及鋼軌（回流軌）并沒有完全施工完成。因此，此時所內直流電源無法送到所外的線路上，尤其是直流電源負極與鋼軌（回流軌）未連接或雙邊供電鋼軌（回流軌）未接通時，鋼軌（負極）對地等效電阻最大，相當于直流電源負極與鋼軌（回流軌）開路，相對于送電時柜體（框架）內的電源正極對柜體（框架）之間的等效電容容抗效應阻值不可忽略。電源正極對柜體（框架）之間的等效電容容抗與鋼軌（負極）對地等效電阻串聯并分壓1500V直流電源電壓，電壓型框架保護裝置所采集到的框架對電源負極電壓遠大于電壓型框架保護定值，所以電壓型框架保護會動作，所內相關設備跳閘，致使變電所直流部分局部送電失敗。

此時電壓型框架保護動作原理如圖3所示，

避免電壓型框架保護動作的措施

前文有述，電壓型框架保護主要側重于保護框架（大地）與鋼軌（回流軌）之間的電壓不意外升高，從而保護站車之間的人身安全和設備安全。在不帶線路送電，且直流電源負極與鋼軌（回流軌）未連接或雙邊供電鋼軌（回流軌）未接通時，由于軌地之間等效電阻較大，送電時柜體（框架）內的電源正極對柜體（框架）之間的電容效應使柜體（框架）瞬間帶正電，使框架電壓抬升這一問題是一定存在的。在電壓型框架保護無法且不能直接退出的情況下，直接對所內直流設備送電必定會因電壓型框架保護動作而失敗。若要送電成功，需要設法使框架與負極之間的電壓差降低。

依據上述理論分析，筆者先后在蘇州地鐵4號線、3號線調試送電中，在負極柜內，利用一根較細的短接線將直流負極母排與地網臨時短接（相當于框架與負極短路），如圖4中所示。加接此短接線后，在送電之時可以有效的拉低框架與負極之間的壓差，電壓型框架保護不動作，送電可以一次成功。

需要說明的是，之所以強調用細線短接，這主要是為了使等效框架與負極（鋼軌）等電位，同時該細短線還兼顧保險絲功效，一旦大電流（如母排對框架有嚴重放電、漏電）且電流值又小于電流型框架保護動作定值時，細的短線可及時熔斷，保障電壓型框架保護及時動作，從而保障人生安全和設備安全。

在接觸網及鋼軌（回流軌）完全安裝調試完工之后，即正式向接觸網路送電前應當將此短接細線去除，屆時是完整的供電主回路，電壓型框架保護應恢復正常狀態，保護線路站車之間人身及設備安全。

參考文獻

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[2]牛二兵.直流框架保護故障恢復方式優化[J].電氣化鐵道；2018.（3）：48-50.

（作者單位：中國鐵建電氣化局集團第一工程有限公司）