区间牵引变电所设置钢轨电位装置问题分析

肖明辉

0 引言

在地铁郊区线的建设过程中，常常会遇到车站间距大的情况。考虑故障情况下牵引变电所的支援以及钢轨回流、钢轨电位等因素，一般要在长大区间设置区间牵引变电所。对于长大区间牵引变电所内是否设置钢轨电位限制装置，不同设计往往会给出不同方案。本文结合运营中出现的实际问题，具体分析有关故障，探讨区间牵引变电所设置钢轨电位限制装置的必要性。

广州地铁四号线新造站和官桥站为相邻2 座高架车站，2 个站间距约为6.3 km，在新造站和官桥站之间设置了新官区间牵引变电所，该区间牵引变电所中没有设置钢轨电位限制装置。高架区间，在接触轨与地之间设置避雷器，作为正极过电压保护；在钢轨与地之间设置避雷器，作为负极过电压保护。

在运营过程中，新官区间牵引变电所至官桥站区间上行段接触轨与地之间的直流避雷器爆炸，导致正极对地短路故障。出现正极对地短路故障后，官桥站直流开关柜保护装置动作，而新官区间牵引变电所直流开关柜保护装置没有动作。根据对新官区间牵引变电所保护装置的试验，验证新官区间牵引变电所设备均正常。有人认为新官区间牵引变电所直流开关柜保护装置不动作的原因是未设置钢轨电位限制装置造成的。

1 故障分析

1.1 故障情况

新官区间牵引变电所—官桥站高架区间避雷器故障，形成正极对地短路，导致官桥站直流馈线开关211 的保护装置SEPCOSΔI 保护动作跳闸。避雷器故障点里程为ZDK28+750，新官区间牵引变电所里程为ZDK26+667，官桥牵引变电所里程为ZDK29+800。新官区间牵引变电所距离故障点约2.083 km，官桥站距离故障点约1.05 km。

官桥站直流馈线开关 211 的保护装置SEPCOSΔI 保护动作跳闸的故障录波波形如图1 所示，亦称直流短路故障波形图。

图1 直流短路故障波形图

经查，新官区间牵引变电所开关213 保护整定值：DA（大电流脱扣整定值）为9 000 A；E（保护启动值）为50 kA/s；F（保护返回值）为9 kA/s；ΔI（电流变化量定值）为6 000 A；ΔImin（最小电流变化量定值）为1 200 A；tΔI（最小电流变化量保护跳闸延时时间）为1 ms；T（保护延时时间常数）为80 ms。官桥站开关211 保护整定值：DA为9 000 A；E 为50 kA/s；F 为9 kA/s；ΔI 为4 000 A；ΔImin为1 200 A；tΔI为1 ms；T 为80 ms。

当新官区间牵引变电所—官桥站出现正极对地短路，短路电流通路如图2 所示。

图2 直流短路电流回路图

1.2 官桥站保护装置动作

由官桥站开关211 SEPCOS动作跳闸后录波图看出，在官桥站开关211 测得短路电流的初始值di/dt≈2 350 /5 = 470 A/ms，约在13 ms 达到ΔI 整定值，达到ΔI 定值（4 000 A）时的di/dt≈（4 000～3 775）/0.5 = 90 A/ms。

因为90 A/ms 大于F 值（9 kA/s），所以开关211 ΔI 保护出口；又因为电流最大值没有达到9 kA，所以大电流脱扣保护装置没有动作。

因此，官桥站开关动作与设定是相符的。

1.3 新官所开关213 保护装置不动作原因

新官区间牵引变电所距离故障点较远，虽没有设置钢轨电位限制装置，但通过官桥钢轨电位限制装置，估计初始di/dt 也会大于E 值（50 kA/s），ΔI 保护装置起动。

但因距离较远，所以di/dt 肯定比官桥站开关211 检测到的值小，且其开关213 的ΔI 整定值为6 000 A，比官桥站设定的ΔI 高。

从官桥站开关211 的录波图中看出，当官桥站开关211 测得短路电流上升到6 000 A 时（短路约持续30 ms 时的时刻），di/dt 已→0，持续时间约12 ms，此持续时间大于tΔI，且逐渐减为负值，而此时官桥站开关213 侧的电流一定没到6 000 A（因为新官区间牵引变电所—故障点要比官桥所—故障点远，所以官桥站相当于近端，电流上升得快），保护还没有出口，而官桥站此时的di/dt 小于F（9 kA/S），且持续时间约12 ms 大于tΔI，因此，新官区间牵引变电所的开关213 的ΔI 保护返回。

根据波形，在短路发生后的约42 ms 时，电流重新上升。开关213 的ΔI 保护装置也可能重新起动，但此时ΔI 的计算基值已不再是0，而是约42 ms时的电流值（I1，几千安培为基准值），当电流再上升到I1+ 6 000 A 时，保护才能出口。而这时可能有以下几种可能，而使得保护不能动作，又返回。

保护虽未返回，但在电流上升到I1+ 6 000 A之前或在（42 + 80）ms 之前，避雷器防爬器已经动作，将故障隔离了。

因此，综上，新官区间开关213 保护装置未动作（应是第一次出口前返回了），另外，在防爬器动作之前，开关213 的电流肯定未达到9 000 A，大电流脱扣器也不动作。

1.4 设钢轨电位限制装置后开关213 动作分析

新官区间牵引变电所开关213 ΔI 保护装置动作的条件是：在短路持续30 ms 之前（即di/dt 小于9 kA/s 之前），电流大于6 000 A。该点官桥站开关211 测得的电流为6 000 A，新官区间牵引变电所要比官桥站离故障点远将近1 倍（1 km 左右），所以，此时新官区间牵引变电所开关213 测得电流肯定小于6 000 A，因此该保护装置肯定不动作，新官区间牵引变电所即使增加钢轨电位限制装置，出现该类故障时新官区间牵引变电所开关213 也未必动作。

2 钢轨电位限制装置的设置

钢轨电位限制装置原理如图3 所示。设置钢轨电位限制装置的目的是限制钢轨与地之间的电位，以避免人员在轨道区域受到钢轨与地之间高电位的伤害。其内设有电压测量回路用来测量钢轨和地之间的电位差，当钢轨对地低电压或者地对钢轨电压超过一定幅值时，钢轨电位限制装置动作。钢轨电位限制装置根据EN50122-1 标准设三段电位动作保护，当钢轨与地之间的电位在90～120 V 时，接触器延时1 s 合闸；当钢轨与地之间的电位120～170 V 时，接触器无延时合闸；当钢轨电位限制装置大于600 V 时，晶闸管在0.2 ms 内导通，加速钢轨与地之间的短接。

图3 钢轨电位限制装置原理图

钢轨电位限制装置接通时，提供了负极与地之间的电流通路。但这只是牵引变电所中负极与地电流通路之一。排流柜也连通了负极与地。钢轨电位限制装置只是为保护轨道区域的人身安全才设置，对于不预留车站的区间牵引变电所，轨道区域在运营时是没有人员的，可以不设置钢轨电位限制装置。至于负极与地之间的电流通路未必一定要通过设置钢轨电位限制装置才能实现。

在地铁直流牵引供电系统中，钢轨对地绝缘安装，被用作直流牵引电流的负极回流通路。因此，钢轨对地有时存在高电位，而列车与钢轨之间是等电位的，当乘客站在站台时，有可能通过列车车体接触到这一高电位。特别是在站台上安装了站台屏蔽门之后，由于站台屏蔽门直接与钢轨连接，更增加了乘客接触钢轨高电位的机会。为了保障乘客的安全，在钢轨或负母排和地之间安装了钢轨电位限制装置，当钢轨电位超过预定的值时，钢轨电位限制装置将钢轨电位钳制到地电位。因此钢轨电位限制装置作为保护乘客安全设备，一般情况下，只在车站或者预留车站的变电所设置。

3 结束语

综上所述，官桥所保护动作与设定相符。由于新官区间牵引变电所不是车站，对于包含范围内正常的接触网对钢轨或者接触网对接地扁钢的金属性短路，新官区间牵引变电所都能正常动作。本文所论述的新官区间牵引变电所问题，对于一般区间牵引变电所都是适用的。故，区间牵引变电所中可以不设置钢轨电位限制装置。如设置钢轨电位限制装置，只是在出现接触网对地短路时，更有利于保护，但是否设置需根据具体情况确定。