轨道交通车站断路器与框架保护的配合与应用

周安义

0 引言

上海地铁作为城市轨道交通发展最早的城市之一，其牵引供电系统采用DC 1500 V系统向接触网供电。在地铁运行线路中，发生了很多由于钢轨电位升高，直流框架保护动作，从而导致大面积停电的事故，因此，深刻分析引起框架保护动作原因，调整好框架保护和车站断路器装置动作配合关系显得尤为重要。

1 直流系统框架保护的作用

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 直流框架保护分类及原理

直流框架保护按动作类型分为电流型和电压型2种。

2.1 框架保护原理

电流型框架保护主要检测设备外壳对地的电流。电压型框架保护检测的是设备外壳对直流设备负极之间的电压，由于小电阻可以忽略不计；设备外壳可认为直接接地，钢轨是和直流设备负母排相连的，所以电压型检测的电压相当于钢轨和地之间的电压。

2.2 框架保护动作特性

（1）直流系统正常运行时，设备绝缘良好，电流型框架保护电流回路电流为零，装置不动作。

（2）当直流设备绝缘发生变化，设备对柜体外壳放电或短路时，电流回路电流达到整定值（约大于 80 A），电流型框架保护动作，向交直流开关发出跳闸命令，该所6个直流柜和2个35 kV整流变压柜同时跳闸，并联跳相邻2个牵引变电所向本区段双边供电的馈线开关，共12个开关柜跳闸。

（3）由于在城市轨道交通牵引供电直流系统中，直流设备和钢轨都是采用绝缘法安装，其作用是减少杂散电流的泄漏途径，减少杂散电流对钢轨、钢筋等金属体的电化学腐蚀，钢轨对地的绝缘电阻是随着绝缘材料的性能变化的，所以电流型框架保护的电流回路的电阻是不确定的，当电阻很大时，可能会造成电流回路检测值达不到动作值的要求，从而设备发生绝缘下降而电流型框架保护没动作的情况，而电压型框架保护就是为了弥补该缺陷，当电压型框架保护装置检测到设备外壳对负极电压大于95 V时发出报警信号，大于150 V时向交直流开关发出跳闸命令，联跳本所和相邻2个牵引变电所的12个开关柜。

3 车站断路器

3.1 车站断路器保护原理

车站断路器一端接钢轨，一端接变电所接地网，检测钢轨和地之间的电压。通过等电位连接，使人处于等电位状态，降低触电危险。

为了降低车体与地之间的接触电压和跨步电压，上海地铁一般在车站设有车站断路器，当钢轨对地电位超标时，可将钢轨与变电所接地母排连接在一起来达到抑制钢轨电位的目的。

3.2 车站断路器的动作特性

当供电分区没有车辆行驶时，牵引直流系统运行正常情况下，钢轨对地电位为零；当供电分区有车辆行驶或接触网发生短路故障时，由于钢轨对地泄漏电阻的存在，钢轨电位快速升高，危及在钢轨上行走人员的安全。当钢轨电位达到一定值时，车站断路器迅速动作，将钢轨与接地网短接，从而降低了钢轨电位，保护了在钢轨上行走人员的安全。

目前上海地铁车站断路器由晶闸管和接触器等元件组成，属当今最新技术。当钢轨电位大于90 V时车站断路器延时800 ms动作，使钢轨与地相连，降低钢轨电位，在连续动作3次后钢轨电位仍然高于整定值，合闸后不再断开；当钢轨电位大于120 V时车站断路器在100 ms之内合闸；当钢轨电位大于 240 V时车站断路器晶闸管无延时永久导通，抑制钢轨对地电位，向接触器发出闭锁命令。

4 断路器与框架保护的配合及改进

4.1 车站断路器与直流框架保护配合关系

牵引变电所直流1500 V设备框架对地绝缘，框架集中在一点接地，一方面框架保护监视直流1500 V一次正极系统带电部分对框架（一般正极对框架放电为电流型）泄漏，一旦牵引变电所直流电流型框架保护动作，直流框架保护装置发出跳闸命令，该所4台直流1500 V馈线柜开关和2台35 kV整流变压柜开关同时跳闸，并联跳相邻2座牵引变电所向该区段接触网（上下行）双边供电的直流1500 V馈线柜开关，共10台开关柜跳闸。另一方面监视直流1500 V一次负极回流系统对地（一般负极对地电势差为电压型）电压升高，钢轨为电动列车回流系统的一部分，电动列车在运行中制动等可能产生钢轨对地电压升高，电压型框架保护能防止所内工作人员及乘客接触过高跨步电压。对于钢轨对地电压升高限制处理，车站断路器为主保护，直流电压型框架保护为后备保护。一旦牵引变电所直流电压型框架保护动作，直流框架保护装置发出跳闸命令，该所4台装置直流1500 V馈线柜开关和2台35 kV整流变压柜开关同时跳闸，共6台开关柜跳闸。

4.2 车站断路器与框架保护的改进

针对上海地铁1号线和深圳地铁4号线发生的框架保护装置动作情况分析，当时均没有发生短路故障，而是由于车辆运行和其他原因导致钢轨电位升高，应该由车站断路器动作，但由于车站断路器与电压型框架保护装置匹配存在问题，从而导致电压型框架保护装置动作。

根据长期运行经验，电压型框架保护装置与车站断路器具体配合参数应设置为动作于报警：车站断路器动作电压≥95 V，t = 800 ms，电压型框架保护装置动作电压≥95 V，t = 1500 ms；动作于跳闸：车站断路器动作电压≥120 V，t = 100 ms，电压型框架保护装置动作电压≥120 V，t = 900 ms。框架保护装置与车站断路器之间设置了充足的延时以保证电压型框架保护装置正确可靠动作。

5 结束语

目前由于车站钢轨电位的升高除了与供电回流系统，负回流是否畅通有关外，还和客运车辆运行工况、轨道绝缘泄漏电阻、杂散电流防护等很多因素有关，一旦钢轨电位升高到整定值，车站断路器应该首先动作，只要调整好车站断路器和电压型框架保护装置时间配合关系，就可以有效避免电压型框架保护装置误动作。一旦发生框架保护装置动作，供电人员应立即按照事故抢修预案，启动应急处理程序及时恢复接触网供电，确保地铁正常运行。

[1]于松伟，杨兴山，韩连祥.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].成都：西南交通大学出版社，2008.

[2]黄德胜.地铁牵引供电系统保护[J].都市快轨交通，2005（6）.

[3]城市轨道交通直流牵引供电系统 GB/T10411-2005.北京：中国标准出版社.