直流框架保護裝置的功能及動作特性改進建議

張開波

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

對于采用直流牽引供電制式的城市軌道交通工程，包括地鐵、輕軌、跨座式單軌、中低速磁懸浮、現代有軌電車(接觸網供電)等工程，在牽引變電所將外部的AC 35/20/10 kV交流電源通過整流機組或其他變流裝置轉換為DC 1500/750 V直流電源給機車車輛供電，存在較多的直流牽引供電設施，包括直流進線及饋線開關、上網開關及越區開關，根據需求設置車輛再生制動能量吸收裝置(將車輛制動時的能量進行逆變轉換或儲存)，以及為便于檢修維護設置的牽引網可視化接地裝置等設施[1-9]。

1 配置直流框架保護的目的及意義

由于直流牽引供電正線區段基本采用雙邊供電，整個直流供電系統通過直流牽引母線全部串接在一起給牽引網供電。同時考慮雜散電流的危害，直流牽引網包括接觸網及回流軌在內均為不接地系統，要求絕緣安裝[1]。

如牽引變電所內沒有配置框架保護裝置，當發生絕緣故障但故障電流較小時，可能低于開關柜配置保護裝置的動作電流，保護將不會動作，也無法對發生故障的范圍進行定位。

直流框架保護的原理是：當正極對柜體金屬外殼發生絕緣損壞時，通過快速保護動作，切除故障范圍的直流牽引供電，并定位隔離故障范圍，保證系統的安全運行[3]，如圖1所示。

圖1 直流框架保護裝置原理圖 Figure 1 Schematic diagram of DC frame protection

因此，對于牽引變電所內的直流供電設施，設置直流框架保護裝置(包含電流元件及電壓元件)，如果牽引所直流設施內部絕緣故障，出現了框架電流，可以在故障電流較小時，通過框架保護元件的動作，準確及時地實現開關柜跳閘，及時退出故障設施或牽引所，并通過設備維護，及時消除故障隱患，避免出現較大的直流短路電流對直流牽引供電設施帶來更大的危害；如出現了較大的絕緣故障電流，在直流保護裝置動作后，同時結合框架保護裝置的動作情況，也能很好地判斷故障是出現在牽引變電所內的直流供電設施內部，還是牽引網側的相關設施，及時實現故障范圍的區分，便于及時隔離、查找故障并恢復供電。

同時，如果牽引變電所內的直流設施出現框架絕緣故障，其牽引電流泄漏至大地，導致雜散電流的增大，也可及早發現并及時避免。

2 規范的規定及理解

GB50157《地鐵設計規范》指出“15.2.22 直流牽引供電設備應設置框架保護”“15.7.15 直流牽引供電系統應為不接地系統，牽引變電所中的直流牽引供電設備必須絕緣安裝”[1]。

這兩個要求是互為一體的，設置框架保護就需要絕緣安裝，絕緣安裝也就需要設置框架保護。

規范的條文解釋為“為避免直流牽引供電設備絕緣能力降低而造成雜散電流腐蝕，牽引變電所內直流牽引供電設備(整流器、直流牽引配電裝置、再生制動吸收裝置)采用絕緣安裝。為解決設備漏電對人身造成傷害以及避免雜散電流的泄露，要求設置框架保護”[1]。

該條文解釋，相對地強調了雜散電流方面的影響，并沒有對便于發現直流裝置絕緣故障隱患及直流故障保護動作后的故障定位分析等進行更多的說明。

3 框架保護動作的分析及改進建議

3.1 框架保護動作的分析

在實際工程中，基本上是直流框架電流元件保護動作后，跳閘相應保護范圍內的全部直流設施，如涉及直流饋線開關的框架保護，還需同步聯跳相鄰牽引所的相關直流饋線設備，徹底切斷向該保護涉及范圍的直流牽引供電；當電壓元件保護動作后，僅聯跳本牽引變電所相關的直流供電設備，不聯跳相鄰牽引所的直流供電設施[8]。

之前常規的框架保護設置中，僅其中的電壓元件設置了多段保護整定配置，分別實現報警及保護動作功能，且與鋼軌電位限制裝置的整定值進行了匹配；而電流框架保護僅配置了一段保護整定，達到電流整定值立即保護動作出口(如80 A)。

這種電流框架保護配置在工程實際的應用中，能保證直流設施的運行安全，但存在一定的運營安全隱患。比如與直流開關柜對應的框架電流元件一旦動作后，涉及相鄰的2～3個牽引變電所，其事故跳閘影響范圍太大，且因其直接動作于直流牽引供電設施，一定程度上會嚴重影響線路的正常運營；而現場設備的運行環境并非認為的那么理想，安裝環境條件較差；或者后期長期運營過程中如出現絕緣安裝環境的污損，導致直流設備的設備框架與大地之間的絕緣措施完備性下降，可能會有一定的雜散電流從大地進入設備框架，并流過該框架設施對應安裝的電流保護元件，導致電流框架保護的誤動作。在部分城市的軌道交通工程運營過程中，就多次出現了直流設備框架與地之間的絕緣性能完備性下降，電流框架保護誤動作導致牽引網短時大范圍停電，并影響線路正常運營的嚴重情況。

一個不算太嚴重的直流設備框架與大地之間的絕緣安裝性能下降，且不會影響正常牽引供電的小故障或者小隱患，完全可以通過及時的后續維護進行消除，結果卻可能導致在運營時段內線路短時停運的大事故，人為擴大了事故影響范圍及事故的嚴重程度。

該隱患問題日益成為各地運營單位在保障工程長期安全可靠運營過程中的一個痛點。

因此，在部分城市的工程中，有的甚至將框架保護的電壓元件的多段動作特性全部設置為報警，避免其保護動作后對牽引變電所正常供電的影響；同時為進一步保證牽引所直流設備框架絕緣安裝的絕緣性能，部分工程中甚至還采用了造價較高、施工較為復雜的整體絕緣地坪的安裝方式，如圖2所示。

圖2 整體絕緣地坪現場圖 Figure 2 Insulation floor

3.2 直流框架保護的改進建議

相比早期在整個牽引所內，僅設置一套直流框架保護對整個直流供電設施(除再生制動能量吸收裝置外)進行保護的模式，在后續的工程實踐中，為減少故障的影響范圍及事故的嚴重程度，基本采用了分設備種類配置框架保護的改進措施。

在一個牽引變電所內，將整流機組、直流開關柜設備、再生制動能量吸收裝置等均單獨絕緣安裝，并單獨配置相應的框架保護裝置。該方式一定程度上能減少其事故的影響范圍，但如果是直流開關柜設備對應的電流框架保護動作，其事故影響范圍仍然較大，仍直接影響線路的正常運營。由于框架保護裝置的電壓元件大多實現了多段動作特性的整定，基本能滿足工程需求，因此現主要對其電流元件進一步提出改進建議：

1)電流框架保護配置多段動作特性。將之前的電流框架保護動作由一段動作調整為多段動作，比如可以調整為三段，按動作電流的大小及嚴重程度，分別設置為一段報警，二段延時動作及三段瞬時動作。

該方式相當于實現了框架絕緣狀況的在線監測，在故障電流較小的情況下，便可及時發出預警信息，提醒運營維護人員及時進行框架絕緣狀況的檢測并消除隱患，在一定程度上可以減少框架電流保護的非必要動作，避免出現較為嚴重的大范圍跳閘停電事故，影響線路的正常行車。

2)電流框架保護的配置方向判斷動作特性?？蚣茈娏鞅Ｗo的目的是防止直流正極對柜體金屬外殼發生絕緣故障，因此電流的方向是框架指向大地。如不能區分框架電流的方向，當設備框架與地之間的絕緣下降時，仍有可能出現一個較大的反向電流流過框架保護的電流元件，導致保護誤動作的情況。

引入電流框架保護的方向判斷功能，如果是正向電流，由設備框架流向大地，電流框架保護正常動作；如果電流是反向，由大地流向框架，則僅進行預警，不動作出口跳閘。

該動作特性的改進，可實現絕緣狀況的在線監測預警功能，并徹底消除電流框架保護元件誤出口動作，最大限度地保證線路的運營安全。

3.3 直流框架保護在實際工程中的改進應用

以某城市為例，在其地鐵1、2號線工程中，采用的直流框架保護電流元件僅有一段電流整定，且無法實現電流方向判斷，由于現場施工安裝及后期維護的原因，出現了框架絕緣安裝后與大地之間的絕緣能力下降的現象，導致了框架保護電流元件多次誤動作出口，嚴重影響了線路的正常運營。因此在其后期部分工程中有針對性地進行了改進運用，采用了帶方向的電流元件判斷檢測回路，并要求能夠進行多段動作值的整定。

框架保護電流元件設置了兩段帶方向的電流整定，當正向電流和反向電流達到40 A的時候延時500 ms報警，在正向電流達到80 A的時候延時5 ms出口跳閘(注：整定電流可根據工程實際情況調整)，其出口動作后開關跳閘的聯鎖、聯動關系可仍按常規配置方案保持不變。僅涉及本牽引變電所的整流機組、再生制動能量吸收裝置等設施的框架保護電流元件，動作出口后僅聯跳本裝置前后的相應開關，隔離相應的故障設施即可；對于涉及牽引網供電直流開關柜設置的框架保護電流元件，動作出口后仍需聯跳相鄰牽引變電所的相應直流饋線，徹底隔離該故障直流牽引供電區段。

按該方案設置整定后的框架電流保護，在后期的長期運行過程中，未出現框架電流保護誤出口動作跳閘的情況，也實現了早期的絕緣故障預警功能。

由于軌道交通行業對框架保護裝置目前并無統一的要求，各方對該問題的認識也不統一，因此不同城市各工程框架保護裝置的功能配置及性能各異，差異較大，有的框架電流沒有多段保護功能，有的沒有電流的正反向判斷功能，甚至有的動作電流根本就無法整定(固定值)等，給后期的長期運營維護帶來了一定的麻煩。

以上改進，建議在各地的工程應用中進行明確要求，進一步保證工程的長期運營安全。

4 與鋼軌電位限制裝置的配合

在工程正線的各變電所內，均設置了鋼軌電位限制裝置，對鋼軌與大地之間的電位進行限制。該電位與直流框架電壓保護元件監測的電位關系基本是一致的，由于框架電壓保護動作后仍然會跳閘本牽引所內的直流開關，影響牽引變電所的正常供電：因此為避免鋼軌電位上升，框架電壓保護誤動作的情況，各工程中均與鋼軌電位限制裝置的動作進行匹配。

但在部分工程中，對鋼軌電位的嚴重程度，以及其影響認識不足，對車輛段及停車場這種牽引變電所，認為沒有乘客上下列車，臨近牽引所庫外區段的鋼軌就沒有設置鋼軌電位限制裝置，僅在庫內有人員安全要求的區段設置了鋼軌電位限制裝置。由于沒有鋼軌電位限制裝置的提前鉗制，在某些特殊情況下，車場庫外的鋼軌電位會出現瞬時抬高，甚至到達直流電壓框架元件的動作整定值，導致車場牽引變電所全部退出運行的事故。

因此，為保證工程的安全運營，如車場的直流框架電壓元件有保護動作出口跳閘的功能時，建議車場的牽引變電所內也均配置鋼軌電位限制裝置，并與直流框架電壓元件的動作特性進行配合，避免其誤出口動作影響車場的正常牽引供電。

5 柜體安裝方式及框架保護配置建議

在牽引變電所直流饋線開關之后，還有包括上網開關、越區開關、分段開關，以及接觸網可視化接地裝置等相關直流供電設施。類似牽引網的上網開關及越區開關，有的工程采用的是單獨設置電動隔離開關，在區間隧道內或者設備房間內部進行安裝[6]；有的工程將這三個開關進行整合，采用上網隔離開關柜或者上網組合開關柜柜體的形式，在單獨的設備房間內部安裝，或者與牽引變電所的其他直流設施整合安裝在同一個設備房間內[7]，如圖3所示。

圖3 上網及越區開關在變電所室內安裝圖 Figure 3 Installation of on grid and over-zone switch indoors

5.1 柜體安裝方式分析

以上網及越區開關柜為例進行分析說明。在既有工程的實施中，主要有以下兩種方式且均有工程采用。

1)絕緣安裝。上網隔離(或組合)開關柜，對其進行絕緣安裝，并與其他直流開關柜設施的柜體連接在一起，配置一套框架保護裝置。

上網隔離(或組合)開關柜因為集成了上網隔離開關及越區供電開關，絕緣安裝并配置框架保護裝置后，如果出現對應的框架保護動作，一方面將本牽引所及相鄰的兩個牽引所全部退出運行，故障沒有明確之前，有可能不能實現越區的大雙邊供電，導致線路停運，結果也是可能因為一個小故障，導致了線路停運的大事故，人為擴大了故障范圍；另外一方面，如果不單獨設置一套框架保護裝置，在出現保護動作后，也無法準確定位故障是出現在什么柜體范圍內，導致故障查找及恢復供電的時間延長。

因此，該安裝方式在一定程度上對工程的安全可靠運營帶來隱患，存在一定的爭議。

2)不絕緣安裝。從電氣回路供電范圍來理解，因為柜體內存在越區開關的緣故，也可視該柜體屬于牽引網的一個部分。開關柜采用直接接地方式安裝，通過牽引所直流饋線的保護裝置保證其運行安全。如出現內部絕緣損壞的小概率事件，更換相關設施即可，最大限度地實現牽引網的上網供電以及越區供電，保證運營安全。

但因該柜體理論上也是屬于直流牽引配電裝置，如僅從目前《地鐵設計規范》的文字要求來理解，對于是否也需要采用絕緣安裝并配置框架保護裝置，在各地的實施過程中也存在一定的爭議。

5.2 柜體安裝方式建議

1)不絕緣安裝，裝置直接接地。因上網隔離(或組合)開關柜與牽引網的運行方式直接相關，從供電范圍考慮，最大限度保證工程運營安全，簡化系統保護配置，結合較多工程的實際運營情況，可以采用直接接地的安裝方式。其常規的絕緣狀況檢查，視其為牽引網的一部分，同步進行常規的巡檢測試，保證設施安全。

為進一步避免爭議，建議將其安裝位置與牽引變電所的其他設備分開，設置在車站端頭上網點附近獨立的房間內，與接觸網可視化接地裝置等設施安裝在一起。

當上網隔離(或組合)開關柜內部出現絕緣故障，盡管通過各地運行情況的調研，該類型絕緣故障出現的概率極低，如發生直流正極與殼體短路的嚴重故障，作為牽引網故障，保護裝置動作后，正?？焖偬幚砼懦收霞纯桑粚τ谘b置內部有可能出現的絕緣性能下降的故障隱患，因不會直接影響牽引網的正常供電，可以采用超聲波和地電波檢測法對局部放電進行檢測，通過正常的狀態巡檢以及絕緣測試去發現。

2)絕緣安裝，獨立配置框架保護裝置。針對目前規范的條文及解釋，為避免爭議，該柜體也可以采用絕緣安裝；但應盡量與牽引變電所內的其他直流供電設施分開，獨立配置一套框架保護裝置。

為最大限度地保證線路的運營安全，該套框架保護裝置可僅作為裝置絕緣狀況在線監測的報警使用，不參與保護出口跳閘；如出現類似直流正極與殼體短路的嚴重故障，可視為牽引網側故障，由相應直流饋線開關的保護裝置來實現保護選擇性的動作功能，避免故障范圍及影響程度的人為擴大。

上述建議，同樣適合目前工程現場廣泛安裝的接觸網可視化接地裝置。

6 結論

城市軌道交通的客流強度很大，對運營安全的要求越來越高，如因為牽引供電系統的非嚴重故障或者保護裝置的誤動作，導致線路短時的中斷，也會給運營帶來巨大的壓力。

在實際工程的長期運行中，因為框架保護動作導致牽引所及牽引網出現短時停電，影響運營的情況時有發生，但究其原因，因為變電所內設備直流正極與框架之間出現絕緣故障導致的案例極少出現，大多是因為其他原因導致的誤動作。

因此，在保證人員及設備、線路運營安全的前提下，對框架保護的功能配置及動作特性進行適當的改進，對各廠家裝置的技術規格要求進行統一明確，并做好與鋼軌電位限制裝置的配合，認真研究部分特殊柜體的安裝方式及其相應的框架保護功能配置，對于工程的長期持續穩定運行很有必要。