城市軌道交通專用軌回流系統直流接地保護方案*

黃 輝

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢∥工程師)

在城市軌道交通牽引供電系統常采用走行鋼軌回流方式。由于鋼軌不能完全絕緣于道床，因此牽引回流電流會通過鋼軌向道床及其他結構泄漏，并產生雜散電流[1]。雜散電流會腐蝕車站及區間主體結構的鋼筋、城市軌道交通內部的金屬管線，以及線路沿線的市政金屬管線。對此，專用軌回流系統提供了更徹底的隔離解決方案。專用軌回流采用絕緣支架安裝在軌道中間或側面，其將列車牽引回流引至變電所負極母線，從而實現電氣與土建結構的有效隔離。

由于專用軌回流對地絕緣良好，接觸網和專用軌回流的對地泄漏電阻極高，故當發生接觸網對鋼軌(或地)短路故障時，故障電流太小，且不在變電所直流接地框架泄漏保護范圍內[2]。因此，有必要對專用軌回流系統的直流接地保護方案進行研究。

1 專用軌回流系統簡介

1.1 專用軌回流與走行軌回流對比

在專用軌回流系統中，絕緣支架的電阻率理論上可達到108Ωkm，這可從根本上解決雜散電流的問題。專用軌回流系統能徹底解決雜散電流對車站及區間結構鋼筋，以及沿線市政金屬管線的腐蝕問題，可有效降低相關專業對雜散電流的防護要求及實施難度，減少后續運營的維護工作量。

使用走行軌回流時，雜散電流對鋼軌、道床和土建建筑結構鋼筋的影響較大；供電系統需設置雜散電流防護工程和安全防護項；鋼軌需絕緣安裝，并設置排流網及雜散電流測防端子及連接端子；站臺門絕緣安裝并設置等電位裝置與鋼軌連接。圖1為走行軌回流系統示意圖。

圖1 走行軌回流系統示意圖

專用軌回流系統不再設置雜散電流防護工程，需設置專用軌回流工程；車輛需增設專用回流器、負極母線；走行軌無需絕緣，直接和接地網連接；站臺門無需絕緣安裝。圖2為專用軌回流系統示意圖。

圖2 專用軌回流系統示意圖

1.2 專用軌回流系統分類

目前，我國的專用軌回流系統主要有接觸網+回流軌牽引供電制式和供電軌+回流軌牽引供電制式兩種。

1.2.1 接觸網+回流軌牽引供電制式

接觸網+回流軌牽引供電制式采用架空接觸網授電、專用軌回流回流的牽引供電制式。架空接觸網采用常規接觸網供電方案，其地下段采用剛性懸掛，地面及高架段采用柔性懸掛。專用軌回流為鋼鋁復合軌，采用常規接觸軌供電方案。我國已開通運營的寧波軌道交通4號線及在建的鄭州市軌道交通港區至許昌市域鐵路工程均采用該類專用軌回流系統。接觸網+回流軌牽引供電系統在圓形盾構區間的斷面示意圖如圖3所示。

圖3 接觸網+回流軌牽引供電系統在圓形盾構區間的斷面示意圖

1.2.2 接觸軌+回流軌牽引供電系統

接觸軌+回流軌牽引供電制式采用接觸軌供電、專用軌回流回流的牽引供電制式，其供電軌和回流軌均采用常規接觸軌供電方案，即鋼鋁復合軌。國內已開通運營的重慶軌道交通跨坐式單軌、長沙磁浮快線工程及在建的清遠市磁浮旅游專線工程、鳳凰磁浮文化旅游項目等工程均采用該方案。供電軌+回流軌牽引供電系統在高架區間的斷面布置示意圖如圖4所示。

圖4 供電軌+回流軌牽引供電系統在高架區間的斷面示意圖

2 接地保護方案

2.1 走行軌回流系統的接地保護方案

為研究專用軌回流系統接地保護方案，本文以傳統走行軌回流系統接地保護方案作為對比方案，對專用軌回流系統的接地保護方案進行研究分析。

對于采用走行軌回流的城市軌道交通牽引供電系統，其接地保護一般通過框架泄漏保護來實現。當直流開關柜、整流器、負極柜或隔離開關柜等直流設備柜內正極對外殼發生絕緣損害時，框架保護快速動作，保證牽引供電系統的安全。框架泄漏保護裝置由電流測量元件和電壓測量元件組成。電流測量元件一端接設備外殼，另一端接地，用于檢測外殼與地之間流過的故障電流；電壓測量元件一端接于負極，另一端接設備外殼，用于測量設備外殼與直流設備負極之間的電壓[3]。

2.2 專用軌回流系統的接地保護方案

在專用軌回流系統中，走行鋼軌不再是直流供電系統中的回流通路。為保證區間檢修和疏散的安全，全線走行軌應直接接地。當專用軌回流系統中牽引網對走行軌(大地)短路時，由于專用軌回流系統的牽引網和回流軌對地絕緣好，對地泄漏電阻大，此時直流故障短路電流小，直流斷路器無法動作切除故障，將對軌道交通運營產生嚴重影響。

在走行軌直接接地的前提下，通過在直流負極母線與走行軌(大地)之間設置接地漏電保護裝置作為牽引網對走行軌(大地)短路時的電流通路，減小短路時的系統阻抗，增大直流故障短路電流，利用直流饋線斷路器動作跳閘切除故障。

接地漏電保護裝置由單向導通二極管與泄漏電流檢測元件共同組成，其中二極管在電流由大地流向負極母線時導通，在反向時截止。

對于接觸網+回流軌牽引供電系統和供電軌+回流軌牽引供電系統，二者的接地保護方案略有不同。

2.3 接觸網+回流軌牽引供電制式的接地保護方案

2.3.1 故障類型

常見的接觸網+回流軌牽引供電制式直流短路故障類型主要有：Ⅰ類，接觸網對走行鋼軌或架空地線短路故障；Ⅱ類，變電所直流設備內部正極對設備外殼短路故障；Ⅲ類，接觸網對地或列車外殼短路故障，Ⅳ類，車輛內部的正極對殼體短路故障；Ⅴ類，車輛內部的正、負極對車輛外殼絕緣不良故障。

2.3.2 接地漏電保護裝置的設置

采用專用軌回流系統方案后，走行鋼軌在車站內均已可靠接地，牽引網與地、車輛外體均良好絕緣。為增加直流系統保護選擇性，減小發生故障后的停電范圍，專用軌回流系統直流牽引供電繼電保護設置方案與走行軌回流系統基本保持一致，通過設置框架保護元件對一般的接地故障進行保護，并在鋼軌(地)和直流系統負極母線之間設置接地漏電保護裝置(單相導通裝置+泄漏電流監測元件)，為牽引網正極對地短路電流提供電流通路，如圖5所示。

注：M為電客車牽引電極；KB為直流斷路器。

當城市軌道交通線路中發生Ⅰ類—Ⅳ類接地故障時，專用軌回流系統直流相關的繼電保護方案與常規方案保持一致。

當發生Ⅴ類故障時，正極或負極出現絕緣降低或損壞，設置在車輛內部正負極與車輛殼體間的絕緣檢測裝置會檢測到絕緣降低或損壞，對應的繼電保護方案為：

1)車輛內部正極出現接地短路故障時，短路電流流向為正極→地→接地漏電保護裝置→負極，相當于正負極之間短路。此時電客車正極接地保護方案與傳統走行軌保護方案一致。電客車殼體通過鋼輪、鋼軌和車站內接地網相連，車內乘客和電客車殼體等電位，即可完全保證車上乘客人身安全。同樣，車輛內部負極出現接地短路故障時，電客車內乘客人身安全也可以得到保障。

2)車輛內部正極或負極出現絕緣降低或損壞時，絕緣檢測裝置能及時檢測到泄漏電流，同時發出報警信息并存儲故障信息，以便列車回場段后檢修排查故障。

3)當直流正極接觸網或直流負極專用軌回流發生非金屬性接地短路時，設置在變電所內的接地漏電保護裝置均能檢測到泄漏電流。裝置內部的泄漏電流檢測元件會報警并上傳信號至變電所電力監控后臺，以方便運營維護人員尋找泄漏點并解決故障。

根據前文分析，接觸網+回流軌系統直流牽引供電系統繼電保護設置方案與走行軌回流系統保持一致。通過在變電所直流負極與地之間設置接地漏電保護裝置，接觸網+回流軌牽引供電制式的直流保護方案在發生正極對負極、正極對架空地線、正極對鋼軌、正極對車輛殼體等各種短路故障時，均能起到選擇性保護的作用。

2.4 接觸軌+回流軌牽引供電制式的接地保護方案

目前，在我國已開通運營的、采用接觸軌+回流軌制式的跨座式單軌線路及中低速磁浮快線中，大部分采用64D接地漏電保護裝置(以下簡稱“64D裝置”)。該裝置原理圖如圖6所示。64D裝置對直流系統正極對地短路故障的判斷依據為：測量負極母線對地電壓達到整定值后即跳閘。全線牽引變電所的正極母線及負極母線均通過接觸網和回流軌貫通，其實際為并聯運行方式。在正常運行期間，若某區間發生牽引網正極對地短路故障，則通過大地及64D裝置接地電阻后流回負極的電流增大，導致負極對地電壓升高到整定值，全線牽引變電所內64D裝置動作，進而使全線直流饋線斷路器跳閘，從而導致牽引網大面積停電，嚴重影響線路正常運營。為了避免這一問題，需對原有的64D裝置進行第一次改進。

注：VD為電壓測量裝置。

第一次改進后的64D裝置將檢測牽引網負極對地電壓值調整為檢測負極對地電流值。一旦檢測到的電流值達到整定出口值，64D裝置就會給直流饋線斷路器發出跳閘命令，切斷故障回路。此時，第一次改進后的64D裝置仍不能檢測出故障具體發生位置。

為進一步提高直流系統保護動作的選擇性，在牽引變電所每個上網隔離開關柜內增加設置電流傳感器，對每一路直流饋線電流進行測量。對64D裝置進行了第二次改進，第二次改進后的64D接線如圖7所示。

圖7 改進后的64D裝置接線圖

由基爾霍夫電流定律可知：理論上，供電系統正常運行時直流正極饋出電流(Is+)與直流負極回流電流(Is-)相等；當牽引網正極對地短路時，Is+測量值大于Is-測量值，當二者差值大于報警閾值或者跳閘整定值時，則64D會對對應的直流饋線斷路器發出報警或跳閘命令，從而切斷故障回路。

改進后，各牽引變電所64D裝置內的控制單元通過光纖進行實時通信，對全線各牽引變電所直流饋線電流Is+和Is-的最大差值進行比較，確定差值最大的直流饋線回路。根據反時限跳閘曲線，差值電流與跳閘時間成反比：差值電流值越小，對應的跳閘時間越長；差值電流值越大，對應的跳閘時間越短。此外，第二次改進還在每個保護中加入了一定的延時：離故障點最近的直流饋線斷路器檢測到的差值電流最大，最先動作；離故障點越遠的直流饋線檢測到的電流差值也越小，對應的保護裝置出口跳閘時限更長。利用這種時間級差的配合，可進一步實現保護功能的選擇性，避免故障擴大化。

改進后的64D裝置通過檢測大地至負極的漏電流及直流饋線正負極電流差值，能準確地定位故障發生區段，并通過邏輯判斷快速切除故障回路，不會影響其他區間正常供電，徹底解決了保護選擇性的問題。改進后的64D裝置在清遠市磁浮旅游專線工程、武漢光谷生態旅游專線等項目均有應用。

3 結論

1)采用接觸網+回流軌牽引供電制式的專用軌回流系統的直流接地保護方案與走行軌回流制式的接地保護方案基本一致，僅在發生正極對地短路時略有不同。通過在變電所直流負極與地之間設置接地漏電保護裝置，牽引變電所直流保護方案可在直流系統發生正極對負極、正極對架空地線、正極對鋼軌、正極對車輛殼體等各種短路故障時均起到選擇性保護的作用。

2)接觸軌+回流軌牽引供電制式與接觸網+回流軌制式的專用軌回流系統直流接地保護方案保護原理基本相同，均通過接地漏電保護裝置對短路電流形成通路引起斷路器動作。由于缺少走行鋼軌，需對接地漏電保護裝置進行改進。通過檢測大地至負極的泄漏電流，并對直流饋線正負極電流差值進行綜合判斷，可精準切斷故障回路，實現選擇性保護。