地铁直流系统中框架保护原理及处理程序

摘要：分析城市轨道交通直流系统设置框架保护的原因及动作原理，阐述直流框架保护电流保护、电压保护及钢轨电位限制装置动作配合关系，了解直流系统框架保护应急处理程序。

关键词：直流框架保护 钢轨电位限制 处理程序

1 概述

在地铁直流牵引供电系统中，为了给机车提供直流1500V电源，每个牵引降压变电所内有两个整流机组，将电压等级为35kV的交流电源转换为直流1500V电源送到直流母排，直流母排通过馈线断路器向接触网供电；而接触网采用双边供电方式，在每个区间内的接触网由两个变电所供电。当直流带电设备对直流柜柜体发生泄漏或绝缘损坏闪络时，基于直流设备安全供电的考量，将直流设备内发生的短路故障迅速切除，直流系统设置了直流框架保护，如果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，框架保护动作切断直流开关，防止故障点以外的部位受牵连，确保设备安全。

2 框架保护原理

框架保护分为电流型框架保护和电压型框架保护两种。直流牵引供电设备内部绝缘材料一旦失去功效，便可能危及人身安全，为防止人身伤害事故发生，可将直流系统框架泄漏保护装置安装在牵引降压变电所内，该保护主要包括反映直流泄漏电流的过电流保护以及反映接触电压的过电压保护，而过电压保护还作为钢轨电位限制装置的后备保护与车站的钢轨电位限制装置相配合。MB型直流开关柜・框架泄漏保护・电流元件：直流开关柜柜底安装有绝缘垫，从而保证直流开关柜与大地绝缘。将低阻抗电流继电器两端分别与直流开关柜柜体和系统地相连接，当柜体对地故障泄漏电流大于整定值（80A）时，继电器发出动作信号，从而保证人和设备的安全。MB 型直流开关柜・框架泄漏保护・电压元件：在直流牵引系统中，由于运行和短路电流，回流轨和框架接地系统之间可能会产生泄露电压。因此，在回流轨与框架接地系统之间安装一个限压装置，可以防止过高泄露电压的产生。90V报警；150V跳闸。电压型框架保护判断整流器负极与整流机组外壳之间的电压，当测量的电压值大于定值时判断为外壳带电，保护跳开所有整流机组的交流进线开关和直流进出线开关。框架保护一旦电压型动作后，本所的直流牵引系统全部跳闸，并闭锁本所断路器；电流型动作后闭锁本所断路器，与本所相邻的牵引所的直流馈线开关也会跳闸，并闭锁邻所开关的重合闸。

3 钢轨电位限制装置保护原理

在直流牵引系统中，由于操作电流和短路电流的存在，可能会引起回流回路和大地间产生超过安全许可的接触电压。在此情况下，就需要在回流回路与大地间装设一套钢轨电位限制装置，检测的是钢轨和地之间的电压。以限制运行轨电位，避免超出安全许可的接触电压的发生。当发生超出安全许可的接触电压时，此钢轨电位限制装置就将钢轨与大地快速短接，从而保证人员和设施的安全。

3.1 钢轨电位限制装置动作特性 在供电分区无车辆通行，且牵引直流系统状态稳定时，钢轨对地电位是零；当供电分区接触网短路或有车辆通行时，受钢轨对地泄漏电阻的影响，钢轨电位被迅速抬高，在钢轨电位达到上限值后，钢轨电位限制装置随即动作使钢轨接地以降低钢轨的电位，以免电位过高伤及钢轨上的作业人员。西安地铁主要采用接触器、晶闸管等元件来制造钢轨电位限制装置。钢轨电位>90V，装置延时800ms后随即动作，使接地网与钢轨连接来降低电位，装置连续动作3次，钢轨电位仍大于限定值，电闸闭合后不再断开；钢轨电位>150V，钢轨电位限制装置无延时永久合闸；钢轨电位>600V，100ms之内晶闸管导通，钳制钢轨对地电位，同时将合闸指令发送至接触器。

3.2 钢轨电位限制装置与电压型框架保护动作分析 虽然电压型框架保护和钢轨电位限制装置都能用于钢轨电位对地电压的检测，但二者在适用范围、功能等方面也存在明显的区别。比如电压型框架保护是以动作跳闸的形式应用于直流设备的保护，跳闸后将设备短路故障以及直流绝缘泄漏故障切除，引起本所6个直流开关柜和进线两个35kV整流变柜跳闸，在单边供电区间会短暂影响运行；而钢轨电位限制装置不动作跳闸就能降低钢轨对地电压，且不会妨碍牵引直流系统正常工作，既能避免钢轨电位过高危害钢轨上的作业人员，又可确保正常通车。

一般情况下，电压型框架保护装置比钢轨电位限制装置的整定时间长，一旦钢轨电位急剧升高，通常整定时间较短的钢轨电位限制装置率先动作，使钢轨连接接地网，从而避免钢轨作业人员的生命安全受到威胁；一旦钢轨电位限制装置拒动，电压型框架保护装置随即动作于跳闸，其动作参数包括：①钢轨电位>90V，电压型框架保护装置延时1500ms后预警。②钢轨电位>150V，电压型框架保护装置延时900ms发出动作信号。

4 故障举例

注意：电压型框架保护动作后，只跳开本所的直流牵引系统的所有开关；而电流型框架保护一旦动作后，除了本所的直流牵引系统全部跳闸，与该所相邻的牵引所的部分直流馈线开关也会跳闸。以下以永宁门站为例：

如图：若永宁门站的负极对框架的电压升高到150V时，已经达到框架保护的启动电压，永宁门站的框架电压型保护动作，永宁门站的106、107、201、202、211、212、213、214开关跳闸；当永宁门站当框架对地故障泄漏电流大于整定值80A时，电流型框架保护动作，永宁门站的106、107、201、202、211、212、213、214开关跳闸；同时永宁门站会同时向安远门站、小寨站发联跳信号，安远门站的213、214开关、小寨站的211、212开关也跳闸。这样一来，从安远门到小寨区段的接触网都会停电，从而使有故障的设备与有电区域彻底隔离，保证了人身及设备的安全。

5 应急处理程序

①电调通过PC机确认故障类型及开关动作情况。②如果是电压型框架保护动作，通知值班主任、行调、发生电压型框架保护，故障所退出运行，故障所相对应供电分区目前为单边供电。要求维调立即派人到故障牵混所检查处理故障。③如果电流型框架保护动作，通知值班主任、行调：正线接触网事故停电，停电区段；要求维调立即派人到故障牵混所检查处理故障。④电流型框架保护动作，要求值班员打开负极柜后门，按下柜内电流继电器，继电器上的红色按钮复位继电器复位，然后在直流开关柜侧面板处，按下“复归按钮”进行复位。⑤如果能复归：分该所馈线上网隔离开关进行越区供电。⑥如果不能复归：要求值班员解除发至邻所的联跳信号，相邻牵混所直流馈线开关将自动重合闸，电调确认开关动作正常；如果没有自动合闸，电调则立即操作合闸，确认开关合闸成功。⑦故障检查完毕，可以恢复运行时，待非运营时间恢复至正常运行方式。

6 结论与建议

①框架保护的必要性。经过上述对框架保护原理与故障的分析，我们可以得出以下结论：框架保护主要是保护直流牵引系统设备，是重要而不可缺少的。②框架动作的影响面大，恢复时间长。为了避免其误动应重点考虑与轨电位的保护匹配，主要考虑两者之间的延时配合以提高系统保护的可靠性。③框架保护动作分为电流型和电压型两种。如果是电流型框架保护动作，故障很可能在变电所内；电流型框架保护直接影响接触网供电，应第一时间判断清楚故障性质，同时在送电前一定要确认故障区段的列车均已降弓；信息，记录重要信息；而电压型框架保护动作，故障很可能在变电所外。电压型框架保护动作对行车基本上不造成影响，在处理时应以优先保行车，后处理故障为原则；发生在车辆段或末端所时应第一时间考虑越区供电；这两种保护动作处理的方法是不同的，为了减少处理时间，电调必须在远方能判断框架保护动作的类型，至正常运行方式。

参考文献：

[1]西安地铁二号线一期工程DC1500V开关柜设备资料.

[2]于松伟，杨兴山.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].西南交通大学出版社，2008（01）.

[3]蔡彬彬，臧正宝，许利民.城市轨道交通工程主变电所的资源共享探讨[M].价值工程，2013（16）.

作者简介：赵欣健（1975-），女，陕西宝鸡人，助理工程师，研究方向：地铁供电。