城市軌道交通專用軌回流系統框架泄漏保護分析

王 龍，劉愛華，劉大偉

0 引言

在城市軌道交通供電系統中，為了保障人身和設備安全，變電所內所有交流系統設備均接于由接地扁鋼、電纜金屬鎧裝、接觸網架空地線等構成的綜合接地系統，實現設備可靠接地。而為了減少或控制雜散電流對地鐵主體結構、道床結構鋼筋等金屬體的電化學腐蝕，及減少對沿線其他市政金屬管線的侵蝕，走行軌回流系統中的直流供電系統設計為不接地系統，直流設備和鋼軌均采用絕緣安裝。為了保證直流設備正極發生碰殼故障時的人身和設備安全，直流系統中設置了框架泄漏保護，該保護裝置一般由電流元件和電壓元件組成。

近些年，在寧波、紹興等地開始探索負極采用類似三軌形式的專用軌回流制式，其與大地絕緣，絕緣水平接近正極。

1 走行軌回流系統中的框架泄漏保護

在走行軌回流系統中，框架泄漏保護的電流元件和電壓元件接線如圖1所示。

圖1 框架泄漏保護接線（走行軌回流系統）

電流元件是一個可承受100 kA短路電流而電阻值只有0.15 mΩ的低阻抗元件，一端接于絕緣安裝的直流設備外殼，另一端與變電所接地網單點連接，成為絕緣安裝范圍內設備發生正極對外殼故障時泄漏電流的唯一通路。電壓元件是一個連接于直流設備負極與設備外殼之間的高阻抗元件，由于設備外殼通過低阻抗電流元件與地網連接，故電壓元件實時檢測的是負極與大地之間的電壓。

框架泄漏保護是針對直流正極對外殼發生故障時的保護措施，同時對于接觸網對架空地線故障時也能起到保護作用。

當發生直流正極對外殼故障（故障1）時，故障電流的路徑為正極外殼電流元件大地泄漏電阻鋼軌負極，故障電流經過電流元件。若故障電流超過電流元件的電流設定值，則立刻啟動相應的斷路器跳閘，切除故障。由于鋼軌與地之間的泄漏電阻具有不確定性，因此故障電流可能達不到電流設定值，此時電流元件不啟動。

另外，大地與鋼軌之間還連接著鋼軌電位限制裝置，大地與負極之間還連接著排流柜。鋼軌電位限制裝置的閉合和排流柜的投入均為大地與鋼軌之間的故障電流提供良好的通路，利于電流元件動作。在鋼軌電位限制裝置異常、排流柜退出，大地與鋼軌之間的絕緣也還良好時，故障電流將無法啟動電流元件。此時，電壓元件將檢測到負極與大地之間電壓升高，當檢測電壓大于設定值時，則延遲啟動相應的斷路器跳閘，切除故障。

當發生接觸網對架空地線故障（故障2）時，即直流正極對地短路，故障電流的路徑為正極接觸網架空地線大地泄漏電阻鋼軌負極，故障電流不經過電流元件。而鋼軌電位限制裝置OVPD和電壓元件將檢測到大地和鋼軌之間的電壓升高。在目前走行軌回流系統中，OVPD的整定曲線一般處于電壓元件的整定曲線之下，二者同時檢測到電壓時OVPD先啟動。當OVPD異常時，電壓元件延遲啟動相應的斷路器跳閘，切除故障。

由分析可知：在走行軌回流系統中，框架泄漏保護是正極對外殼故障時的保護措施，電流元件是主保護，電壓元件是后備保護；電壓元件也是接觸網對架空地線故障時的必要保護，不可以取消。

2 專用軌回流系統對比走行軌回流系統的主要變化

專用軌回流系統與走行軌回流系統相比，最大的差異是增加了1條對地絕緣（與正極對地絕緣水平相當）安裝的專用回流軌，專門用于牽引電流向變電所負極的回流；原來兼作回流的走行軌只提供車輛的走行和導向功能，由此不僅沒有必要因防止回流泄漏而進行絕緣安裝，而且還需為保證人身安全而在變電所內進行接地連接。在此變化之下，接地的走行軌與大地之間也沒有設置OVPD的需求，徹底杜絕雜散電流后也沒有設置排流柜的必要。同時，為了提供大地向負極方向的短路電流通路，牽引所在大地與負極之間增設單向導通裝置[1]。此外，為防止發生車輛故障停運而其他區間仍有車輛運行時專用回流軌因可能存在低電位對乘客疏散或人員搶修造成觸電風險，車站變電所內增設回流軌接地裝置，實現故障區間回流軌的短時接地，以保證人身安全。

除此之外，車輛外殼仍通過鋼制車輪接觸鋼軌后直接與走行軌接觸，在走行軌回流系統中車輛外殼與負極等電位，而專用軌回流系統中車輛外殼與大地等電位。

兩種回流系統方案如圖2、圖3所示。

圖2 走行軌回流系統

圖3 專用軌回流系統

3 專用軌回流系統中接地故障短路電流路徑分析

由于框架泄漏保護僅與接地故障（包括正極對設備外殼故障）密切相關，故下文只對各種類型的接地故障（包括正極對設備外殼故障）進行分析。分析中，專用軌回流系統的框架泄漏保護接線方式按與走行軌回流系統相同考慮。

在專用軌回流系統中，發生如前述走行軌回流系統中的2種故障時：

（1）直流正極對外殼發生故障（故障1）。故障電流的路徑為正極外殼電流元件大地單向導通裝置負極，故障電流經過電流元件，連接外殼和負極之間的電壓元件檢測到的電壓為單向導通裝置的導通電壓。

（2）接觸網對架空地線發生故障（故障2）。故障電流的路徑為正極接觸網架空地線大地單向導通裝置負極，故障電流不經過電流元件，電壓元件同故障1。

在專用軌回流系統中，還存在由于車輛與大地等電位而導致的如下接地故障：

（1）接觸網對車輛外殼故障（故障3）。故障電流的路徑為正極接觸網車輛外殼鋼制車輪走行軌大地單向導通裝置負極，故障電流不經過電流元件，電壓元件同故障1。

（2）車輛內正極對車輛外殼故障。當故障點發生在車內直流斷路器的上口時（故障4），故障電流的路徑與接觸網對車輛外殼故障（故障3）時的路徑相同，故障電流同樣不經過電流元件，電壓元件同故障1；當故障點發生在車內直流斷路器的下口時（故障5），故障電流的路徑為正極接觸網車內直流斷路器車輛外殼鋼制車輪走行軌大地單向導通裝置負極，故障電流也不經過電流元件，電壓元件同故障1。

（3）在走行軌回流系統中最常見的接觸網斷線搭在走行軌上正負極之間的短路故障，在專用軌回流系統中，也由于走行軌在每個變電所內接地而實質為直流正極的接地故障（故障6）。此時故障電流的路徑為正極接觸網走行軌大地單向導通裝置負極，故障電流也不經過電流元件，電壓元件同故障1。

4 專用軌回流系統中接地故障的保護措施

通過對上述6種接地故障的故障電流路徑分析不難發現，只有直流正極對外殼發生故障（故障1）時故障電流流過電流元件，且回路中除正極對外殼之間有可能出現非金屬性短路的絕緣閃絡外，短路通路均為低阻抗通路。由此，短路路徑的回路電阻值可基本確定，并能夠保證電流元件啟動，觸發相應斷路器跳閘以切除故障。

而故障3至故障6，由于在專用軌回流系統中車輛外殼、走行軌與大地等電位，短路電流路徑均與接觸網對架空地線的故障2類似，從正極出發經接觸網到車輛外殼、鋼制車輪、走行軌至大地，或直接經走行軌到大地，或經架空地線到大地，最后通過單向導通裝置回到負極。此時，正負極之間形成完整的短路回路，且不流經電流元件。正負極之間短路電流啟動故障區間兩端饋線斷路器的保護，觸發斷路器跳閘切除故障。其中對于故障5，車輛內正極直流斷路器下口對車輛外殼短路時，短路電流同樣啟動車內直流斷路器跳閘切除故障。因此，變電所內饋線斷路器除在發生故障5時會由于車輛內直流斷路器跳閘切除故障而通過線路測試、重合閘成功恢復供電外，發生其余4種故障（故障2、故障3、故障4、故障6）時均無法重合閘。

至于連接于設備外殼和負極之間的電壓元件，在故障1至故障6中，檢測電壓均被鉗制為單向導通裝置的導通電壓，不會啟動。

5 專用軌回流系統中框架泄漏保護分析

通過以上分析可以看出，專用軌回流系統中大地與負極之間的單向導通裝置，一方面解決了走行軌回流系統中大地與鋼軌之間不可確定的泄漏電阻導致電流回路電阻偏大、不利于電流保護啟動的問題，使得大地與負極之間形成了單向可控的低阻抗通路，為短路電流提供了通暢的流通路徑，另一方面造成了大地與負極之間的電壓被鉗制，不容易被識別的問題。換一種解釋，專用軌回流系統類似于排流柜投入運行的走行軌回流系統，其單向導通裝置等同于走行軌回流系統中的排流柜。

由此，專用軌回流系統中，只有變電所內直流正極對外殼的故障才會由框架泄漏保護的電流元件動作，啟動相關斷路器跳閘切除故障，而接觸網的各種接地故障均與框架泄漏保護無關，只能由直流饋線的電流保護完成。框架泄漏保護的電壓元件由于被單向導通裝置鉗制而失去作用，故在專用回流軌系統中無需設置電壓元件。在專用軌回流系統中，框架泄漏保護接線見圖4。

圖4 框架泄漏保護接線（專用軌回流系統）

6 結語

專用軌回流系統中，框架泄漏保護無需設置電壓元件，只保留電流元件，保護類型也只針對變電所內直流正極對外殼的故障。換言之，在專用軌回流系統中，保留設置的框架泄漏保護電流元件是更純粹的“框架泄漏電流保護”。