城市轨道交通直流牵引系统接地保护问题探讨

中铁电气化局集团有限公司 张 斌 王卫东

城市轨道交通直流牵引系统接地保护问题探讨

中铁电气化局集团有限公司 张 斌 王卫东

随着城市轨道交通的快速发展，我国建成运营的城市轨道交通线路越来越多。除了重庆跨座式单轨采用了负极回流轨（即四轨）的跨座式单轨交通直流牵引系统外，我国绝大多数城市的轨道交通均采用的是正极接触网或接触轨供电、负极钢轨回流的牵引方式。

一、钢轨回流方式直流牵引系统的接地保护

1.直流框架保护。所谓框架即直流设备外壳，直流框架保护实际上就是直流接地保护。直流框架保护的主要作用有：一是为了防止牵引变电所内直流开关柜内部设备的绝缘降低而对人身造成伤害；二是当开关柜内正极直接碰壳发生短路时，可以快速切除故障，起到保护作用。直流框架保护由1个电流元件和1个电压元件组成，其保护原理接线如图1所示。

图1 直流框架保护原理接线

由图1可知，由于电流元件是一个能承受100 kA短路电流、阻值为0.15 mΩ的分流器，其一端接设备外壳，另一端与变电所地网相连，因而设备外壳与地是完全连通的。直流设备绝缘安装的目的是让泄漏的电流流经电流元件，从而起到收集泄漏电流的作用。电压元件一端接钢轨（负极），另一端接框架（即地），它和钢轨电位限制装置的接法是一样的。

（1）电流元件。电流元件是框架保护的主保护。一旦直流开关柜内发生正极碰壳故障，电流元件即会启动，保护动作（跳闸）后，将该所断路器闭锁合闸。

（2）电压元件。电压元件作为后备保护被而整定为报警和跳闸二段，并被设置就地的投入/切除功能。当钢轨对地绝缘良好或绝缘泄漏电阻大，不利于电流元件的检测和动作时，电压元件即会检测到故障发生时的地–钢轨（负极）电压，并动作跳闸。

当变电所内直流设备的正极对外壳短路、接触网对架空地线或钢轨短路时，地电位或钢轨电位就会升高，电压元件即会在钢轨和地之间检测到电压。当该电压大于电压元件的整定值时，电压元件就会报警或动作，相关的断路器就会跳闸。

框架电压保护动作后，该牵引所的直流馈线断路器和整流器进线中压开关就会全部跳闸。这属于严重故障。因此，框架电压保护只能作为钢轨电位限制装置的后备保护。在确保安全电压和可靠运行的前提下，要合理设定两者的电压动作值和延时值，保证钢轨电位限制装置接触器先动作。通常钢轨电位限制装置的U＞设定在90 V以内，延时设定在0.6 s内，瞬时动作闭锁U＞＞值设定为DC（直流）150 V；而框架电压的报警值设定在DC（直流）95 V，计数延时为0.8 s，跳闸值为DC（直流）150 V，计数延时在0.5 s以上。在实际运营中，由于钢轨电位经常莫名升高，且长期达到电压元件动作值，因而为了不影响运营，很少投入框架电压保护。

2.直流馈线保护。牵引变电所的每台直流馈线开关柜里都装有一台直流馈线保护单元：除断路器本身具有大电流脱扣保护外，还配置有电流速断保护（Imax）、电流上升率（d i/d t）及电流增量（ΔI）保护、接触网过负荷保护、双边联跳保护、线路测试和自动重合闸装置。这些保护装置可根据故障类型选择性启动。

钢轨采用绝缘安装，按照《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》（CJJ49–92）第4.2.1条规定：兼用作回流的地铁走行轨与隧洞主体结构（或大地）之间的过渡电阻值（按闭塞区间分段进行测量并换算为1 km长度的电阻值），对于新建线路不应小于15 Ω•km，对于运行线路不应小于3 Ω•km。理论上，短路回路阻值较大，应该是小电流。但在实际测量中，钢轨与大地的过渡电阻通常只有1 Ω左右，低的甚至会降到0.5 Ω以下，即钢轨和大地基本是连通的，所以正极对地短路实际上也会产生很大电流。因此，直流馈线保护对于轨道交通的安全运营有着举足轻重的作用。

二、跨座式单轨交通直流牵引系统的接地漏电保护

重庆轻轨为跨座式单轨交通系统，采用的是日本技术，车辆通过橡胶轮胎在轨道桥梁上运行。该系统接触网的额定电压为DC1 500 V；刚性接触轨垂直布置在轨道梁两侧，一侧为正极，另一侧为负极；铝合金汇流排通过绝缘安装的支持绝缘子“T”形托架固定，并通过调节孔垂直调整拉出值。

1.接地漏电保护装置的工作原理。为了能快速切除接触网正极对地的短路故障，避免电压波动，保证直流设备的正常运行和乘客安全，在牵引变电所的负极与地之间设置接地漏电保护装置（以下称64D）是十分必要的。接地漏电保护装置原理如图2所示。

图2 接地漏电保护装置原理

（1）车辆在区间运行时的保护动作情况。由图2可知，当车辆内部发生正极对车体外壳绝缘降低的情况时，GR动作，车辆内部的线路断路器LB跳开。当发生车辆内部正极对外壳短路（实际上是正负极短路）或正极接触轨对地短路故障时，由于GR或64D动作时间较慢，因而直流馈线保护装置会快速启动，断开故障线路，并联跳邻所对应开关。

（2）车辆在站台停靠时的保护动作情况。当车辆运行到车站时，车体外壳就会与地连接，如果此时车辆内部正极绝缘不良发生对地泄漏，就要考虑车辆上GR与变电所64D的配合问题。一般车辆上的接地漏电保护装置GR整定值为100 V，动作后车辆的线路断路器LB跳开。变电所接地漏电保护装置64D的动作电压一般整定为200 V左右，动作后变电所所有直流馈线断路器跳开，并启动重合闸。

2.接地漏电保护与框架电流保护的配合。为保证直流设备的安全可靠运行，直流系统仍需保留框架保护的电流元件。接地漏电保护与框架电流泄漏保护配合原理如图3所示。

图3 接地漏电保护与框架电流泄漏保护配合原理图

由图3可知，框架电流保护主要用于变电所内的直流设备正极碰壳保护，64D主要用于直流馈线正极绝缘不良和正极接地短路保护。当直流开关柜内部发生正极对框架绝缘不良或正极对地短路时，因为框架电流保护时间为瞬时，64D启动跳闸时间一般为延时0.3 s，所以框架电流保护会先于64D启动。当直流馈线正极绝缘不良和正极接地短路时，直流馈线保护装置和64D均会启动，框架电流保护则不会启动。

三、关于钢轨电位限制装置的接地问题

在采用钢轨回流的直流牵引供电系统中，由于钢轨采用绝缘安装，因而需要在钢轨与地之间设置钢轨电位限制装置，以防钢轨电压过高对人体造成伤害。

1.钢轨电位限制装置动作原理。钢轨电位限制装置一般由接触器、晶闸管、保护单元、显示设备、测量和操作回路、信号回路等部分组成，动作原理如图4所示。

图4 钢轨电位限制装置动作原理

钢轨电位限制装置的动作特性为三级检压：

当U＞为90 V时，延时0.6 s直流接触器动作，钢轨与大地短接，经10 s断开。闭锁状态下，当短路装置在2次动作时间间隔小于60 s且连续动作3次后，短路装置不再断开；2次动作时间间隔大于60 s时，则重新计数。

当U＞＞为150 V时，直流接触器动作，无延时永久合闸，不再断开。

当U＞＞＞为600 V时，晶闸管装置瞬时短接钢轨与大地，然后启动接触器合闸，接触器合闸时间不大于100 ms。接触器合闸后晶闸管立即恢复高阻状态，接触器闭锁保持在合闸状态。

2.钢轨电位限制装置与直流系统接地保护。国内最初引进此项技术时，每个牵引变电所都设有2台钢轨电位限制装置，即上、下行分开，这样就便于查找钢轨电位升高的原因。现在的普遍做法是将上、下行钢轨通过均流电缆连接在一起，每个变电所只设置一台钢轨电位限制装置。这样做的结果是当钢轨电位升高时，无法很快区分出到底是哪条钢轨绝缘不良，也使钢轨电位限制装置动作时杂散电流泄漏的概率增加了一倍。

从目前国内地铁钢轨回流方式直流牵引系统的实际运营情况来看，钢轨电位升高、钢轨电位限制装置动作频繁的现象较为常见，个别运营线路的钢轨电位甚至长期处于150 V左右的高位，钢轨电位限制装置完全发挥不了其应有的作用。

钢轨回流方式不像跨座式单轨那样有64D作为专用的短路回路，因而发生直流系统正极对地短路（包括直流馈线保护和框架电流保护）时，直流馈线保护的灵敏性和可靠性会下降，整定值不合适就有可能不会快速跳闸，给地铁的安全运行和乘客的人身安全带来巨大隐患。

四、结论

从目前国内地铁实际运营情况来看，钢轨电位限制装置不仅没有起到其应有的作用，反而还因其长期投入带来了杂散电流的泛滥，危及地铁系统的运行安全，但不投入又会给乘客的人身安全带来隐患。因此，笔者建议取消牵引变电所钢轨电位限制装置，同时参照跨座式单轨交通直流牵引系统加装接地漏电保护装置。这样做有三个好处：一是把钢轨对地电压限制在一个安全水平，可以有效保证乘客的人身安全；二是解决了钢轨电位限制装置带来的杂散电流对地铁之外大地的扩散问题；三是提供了直流系统正极对地短路的回路，提高了直流接地保护装置的灵敏性和可靠性。