浅析轨电位与框架保护的配合关系

摘要：对框架故障保护和轨电位限制装置保护动作原理、结构进行了剖析，提出了二者之间的配合方案。在城市轨道交通的直流设备和电力监控系统技术方案确定过程中，经常会遇到框架故障保护系统和轨电位限制装置保护之间的配合问题。本文对框架故障保护和轨电位限制装置的保护原理及二者之间的配合方案进行了理论与实际配备上的讨论。

关键字：框架 保护轨电位 配合 动作

1 轨电位与框架保护设置目的

正常运行状态下,供电区段内列车运行时,钢轨中流过牵引负荷电流,造成钢轨对地电位的升高(正值或负值)。钢轨对地电位的大小，主要与线路上机车的数量、负荷电流、牵引所间距、钢轨 地间的过渡电阻等因素相关。

当发生以下故障时，引起钢轨对电位的陡升：①接触网与钢轨发生短路；②接触网对架空地线(地)发生短路故障；③直流设备发生柜架泄漏故障；④牵引变电所整流变压器二次侧交流系统发生单相接地短路。

直流系统发生故障时，必须在短时间内切除故障或降低钢轨对地电位，以保证人身及设备安全。直流框架保护的设置是由于直流开关带电设备对直流柜柜体发生泄漏或绝缘损坏闪络时，原有的直流保护起不到应有的作用，为保护直流设备的安全，及时切除直流设备内的各种短路故障，直流系统设置了直流框架保护，一旦发生直流开关带电设备对直流柜柜体发生泄漏或绝缘损坏，框架保护动作，使有关直流开关跳闸断电，有效切断故障，从而保护设备安全。

2 框架保护装置特性

框架保护装置主要用于当直流设备正极对设备外壳发生短路时，起动相应断路器跳闸,快速切除故障，使供电设备免遭损坏。它主要由电流、电压测量元件组成。电流测量元件一端接设备外壳，另一端接地，用于检测外壳与地之间流过的故障电流。电压测量元件用于测量设备外壳与直流设备负极之间的电压，一端接于负极，另一端接设备外壳。

当任意一个直流设备内正极对外壳短路时，接地电流通过电流测量元件流入地网，再通过钢轨与地之间的过渡电阻(或排流柜)回到钢轨(负极)。当接地电流达到整定值时,框架保护的电流元件动作； 同时电压测量元件检测负极与设备外壳间的电压值，当电压大于整定值时，电压元件在整定的时间内动作，使相应的交、直流断路器跳闸，切除故障。框架保护装置及OVPD接线如图1所示。

3 OVPD与框架保护动作时间配合及存在问题分析

3.1动作时间的配合

OVPD主要用于保护人身安全,其动作特性应能满足EN50122-1标准中规定的的人体耐受电压-时间特性曲线的要求。如表1所示。

列车的正常起动及运行时，钢轨-地电位升高。当OVPD测出钢轨-地电位超过整定值时，OVPD动作,将钢轨与地短接。由图1可知, OVPD与框架保护的电压元件测量基本上是同一个电压值。此时框架保护不应动作。目前采取的配合方式是框架保护电压元件动作时间整定值比OVPD动作时间整定值长(相同的测量电压条件下)，或电压整定值比OVPD要高。

当直流设备的正极对设备外壳发生短路故障时，OVPD和框架保护的电压元件均检测到一个瞬时的高电压。此时要求框架保护应先于OVPD动作。

3.2 框架保护存在问题分析

(1)轨道交通投入运行初期,钢轨对地绝缘性能较好，当牵引所直流设备发生框架泄漏故障时，流过电流元件中的电流很小，框架保护电流元件不动作。当电压元件检测到钢轨和地之间的电压大于整定值时，框架保护在整定的时间内动作,整流机组交、直流侧断路器跳闸。当某一个牵引变电所发生框架泄漏故障时，整条线路的钢轨对地电位都会升高。即各个牵引变电所框架保护电压元件会检测到负极与地之间较高的电压值，并同时起动框架保护。如此,其它未发生框架泄漏故障的牵引变电所框架保护产生误动作,扩大了事故停电范围。当接触网对架空地线发生短路时，其动作情况与其相同。

(2)经过一段时间运行之后，钢轨对地绝缘性能下降，过渡电阻减小,发生框架故障时框架保护电流元件能够可靠动作,并作用于相应的断路器跳闸。但此时钢轨与地之间的电位差值减小，当整定值过高时，框架保护的电压元件不动作。

(3)直流设备发生框架泄漏故障时,本所的直流断路中没有电流或很小的电流流过(邻所贡献,如图1中I1/2、I2/2),直流快速开关不能在短时间内切除故障,即使直流断路器能快速跳闸,框架泄漏故障也未切除。只有当整流机组交流侧断路器跳闸后，才能切除框架泄漏故障。在故障切除之前，OVPD两端的电压与框架保护电压元件测量的电压相同,若OVPD不能在要求的时间内闭合，则可能导致电击伤人事件的发生。当OVPD动作后,形成了一个金属性的近端通路，通过OVPD的短接作用使框架保护电流元件中流过较大的短路电流，框架保护装置能够可靠动作,迅速切除故障。

当接触网对架空地线发生短路时，OVPD的快速动作使架空地线与负极间形成了一个金属性的通路，馈线断路器及架空地线中流过较大的短路电流，可使本所馈线断路器中的大电流脱扣，保护/定时限过电流保护动作快速跳闸，切除故障。

从以上分析可知，框架保护电压元件在实际使用过程中存在误动和拒动的可能性，有时不但起不到保护设备的作用,反而会造成事故障范围的扩大。因此建议框架保护中取消电压元件。

结论：通过以上阐述，可以得出

(1)当直流设备发生框架泄漏故障或接触网与架空地线短路时,为保证人身安全, OVPD动作时间应满足EN50122-1标准的要求。

(2) OVPD装置工作的最严重工况为发生框架泄漏故障或接触网与架空地线短路时。此时OVPD承受短路电流最大,持续时间最长,选择的OVPD应能承受最严重故障情况下的短路电流,而不致损坏设备。

(3)应依据供电计算得出的最大短路电流值,选取OVPD设备。

(4)当发生框架泄漏故障或接触网与架空地线短路故障时,导致整个线路钢轨(负极)与地电位差的陡升,引起其它牵引所的框架保护电压元件的误动,扩大事故范围。因此在采用晶闸管接触器型OVPD后,建议框架保护中取消电压元件。否则只会增加设备的跳闸次数,进而影响牵引系统的正常运行。

参考文献

1万千云 梁惠盈 电力系统运行实用技术问答，2005

2于松伟 杨兴山 城市轨道交通供电系统，2008.6

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