李志慧
地铁供电系统中OVPD的主要参数分析
李志慧
结合目前国内地铁的实际情况,采用供电模拟的方法,从系统设计的角度对钢轨电位限制装置(OVPD)的动作特性以及承受短路电流能力等主要参数的选择进行了分析并提出了一些建议。
钢轨电位限制装置;框架泄漏;参数分析
为减少杂散电流对地下金属管材产生腐蚀,在地铁供电系统建设过程中采用了不接地系统设计,即钢轨通过绝缘垫与大地绝缘,以减少杂散电流的泄漏。当供电区段有起动或运行的列车、或发生系统短路故障时,因钢轨作为牵引回流的通路以及钢轨与地之间过渡电阻的存在,钢轨对地产生一定的悬浮电位差,为防止钢轨对地电位过高造成人身伤害,每个车站和车场都设有钢轨电位限制装置(下文简称OVPD),当钢轨电位大于一定值时,钢轨电位限制装置动作,从而满足直流供电系统安全可靠运行及保护乘客安全的要求。为达到上述目的,地铁供电系统必须合理选择OVPD的设备参数。
1.1 概述
按欧洲标准EN50122-(1997年)的相关条款规定,钢轨电位限制装置的安全电压设定原则应满足:钢轨上的电压必须严格限制在人体耐受电压允许值以下,保证乘客和工作人员手触摸车体和维修车辆时没有触电危险。触电电压有2个依据参数:一是人体能够耐受的电压,二是人体能够耐受电压的时间。人体耐受电压与允许时间的对应关系如表1[1]和图1所示。
地铁供电系统设计中对钢轨电位限制装置的参数选择也是围绕着上述原则进行的。以下就钢轨电位限制装置的动作特性以及承受短路电流能力等主要技术参数和性能进行分析。
表1 人体耐受电压与允许时间对应关系表
图1 人体耐受电压曲线图
1.2 OVPD动作原理
OVPD安装在各个车站及车场内,监测钢轨与地之间的电压。如果该电压超过整定值时,OVPD在规定时间内将钢轨与地网通过开关连接起来,使钢轨与地等电位,从而保证人身安全。同时,监测流过OVPD中(钢轨与地之间)的电流,当该电流低于整定值时,OVPD将自动复位断开钢轨与地的连接。其动作示意如图2所示。
图2 钢轨电位限制装置动作示意图
首先,钢轨电位限制装置设有接触器一个导通元件,接触器由并入接触器两端的电压继电器检测到高电压后启动,当电压继电器检测到较低电压但该电压有可能对人身造成伤害(如DC 90 V)时,在t1时间内闭合;当电压继电器检测到较高电压(如DC 120 V)时,在t2时间内闭合。当由故障引起钢轨对地电位产生更高电压时,由框架泄漏保护的电压元件动作,切除故障。但是,由于框架保护的电压元件动作时间较慢,电压元件动作后,启动整流机组的进线中压断路器跳闸,而中压断路器的全分闸时间基本在80 ms左右,总时间在100 ms以上,与表1对比可以看出,这个时间很难满足更高电位下快速动作的要求。
因此,在采用上述两段动作时间要求的基础上,另外还提出了第三段动作时间,在接触器断口间并联一晶闸管,当钢轨电位大于500 V时,晶闸管应在t3内导通,然后通过串于晶闸管回路的电流继电器启动接触器闭合。其原理图如图3所示。
晶闸管在承受500 V时,击穿二极管导通,使晶闸管在0.1 ms甚至更短的时间内导通,从而保证人身安全。
1.3 三段动作分界电压及相应动作时间
(1)t1的确定。该值应满足在出现从90~150 V的电压时,对人体起到保护作用的要求。根据EN50122-1,人体耐受DC 150 V电压的允许时间为300 s,这样t1小于300 s就可以满足标准要求。另外,造成钢轨对地电位升高有可能是瞬时故障,因此,钢轨电位限制装置在这一档工作时,连续动作3个循环,若仍有高电位,接触器永久闭合。
图3 钢轨电位限制装置原理图
(2)t2的确定。同t1的确定原则相似,但在动作时间的要求上应更严格,t2的确定应满足在出现从150~660 V的电压时,对人体起到保护作用的要求。根据EN50122-1,人体耐受660 V电压的时间为 100 ms,但实际上电压继电器启动接触器闭合,整个过程不能完全保证在100 ms内完成,因此,建议将600 V作为第二、三档分界电压适当降低,而标准中对应DC 535 V的要求为200 ms,这一时间是电压继电器和接触器都能够满足的。
另一方面,钢轨电位限制装置在该系统中的作用只是保护人身安全,它不能切除故障,降低第二、三段分界电压将提高晶闸管承受大电流的可能性,从而给装置增加不必要的负担,因此,当钢轨电位限制装置已经满足人体耐受曲线允许的情况下,第二、三段的分界电压不宜再降低。
综上所述,第二、三段的分界电压宜设置于500 V。
(3)t3的确定。t3的确定应满足在出现从500 V到更高电压时,对人体起到保护作用的要求。根据EN50122-1,人体耐受660 V电压的时间为100 ms,人体耐受940 V的电压为20 ms,因此,钢轨电位限制装置在检测到500 V或更高电压时应能在20 ms甚至更短的时间内动作,而晶闸管的导通时间是0.1 ms甚至更短。
晶闸管导通后,由串接于晶闸管回路的电流继电器启动接触器闭合。晶闸管导通后的电流很大(后面有较详细论述),因此,要求电流继电器能够快速启动接触器闭合,由接触器来承受大电流。
(4)由晶闸管导通到接触器闭合的时间t4的确定。t4的长短由晶闸管承受短路电流的能力决定,晶闸管承受电流的时间越长,t4就可以增大。t4合理与否的判断标准是:晶闸管在承受系统提供的短路电流,当持续时间为t4时,晶闸管必须保证处于连通状态。电流继电器启动接触器的门坎值由晶闸管的长期耐受电流决定。
综上所述,钢轨电位限制装置分三段动作:电压在90~150 V时,接触器在1 min内闭合;电压在150~500 V时,接触器在200 ms闭合;电压在大于500 V时,钢轨电位限制装置应在20 ms内闭合。
钢轨电位限制装置在以下几种情况时承受系统短路电流:整流器正极对外壳短路;直流开关母线对外壳短路;直流馈线开关断路器下端口对外壳短路;接触网对架空地线或接地扁钢短路;接触网对钢轨短路。下文对这几种情况进行分析讨论。
2.1 整流器正极对外壳短路
整流器正极对外壳短路,此时,若排流柜已经投入运行,短路电流就会形成通路,此时高达几十千安的电流会使排流柜熔断器熔断,使排流柜退出运行。短路电流通过整流器外壳、框架保护电流元件、地网、钢轨对地电阻、钢轨、回流电缆最终回到整流器负极,如图4所示。
其中变电所的内阻约30~50 mΩ,框架泄漏保护电流元件电阻为0.15 mΩ,回流电缆的电阻在5 mΩ以内,钢轨对地电阻应为3~15 Ω·km[2]。由于钢轨对地电阻在整个回路中所占的比例较大,因此造成钢轨电位升高。此时,短路电流流经框架泄漏保护电流元件,启动电流元件,同时,框架泄漏保护单元检测到钢轨对地电压,也会启动,最终断开整流机组的交流进线断路器。但是,无论是电流元件启动交流进线断路器还是电压元件启动交流进线断路器,其排除故障最短时间为60~80 ms,且由于工程中有可能串接一些中间继电器,这样,要通过框架泄漏保护装置来切除故障的时间就会较长。另一方面,钢轨对地电阻占整个短路回路的比重较大,因此,钢轨与地之间的电位差达600 V以上,根据EN50122-1中人体耐受电压与时间的关系,660 V电压对应的时间为100 ms,940 V电压对应的时间为20 ms。因此,在这个时间内,框架泄漏保护装置还没有完成切除故障的工作,要保证人身安全,钢轨电位限制装置就必须在检测到高电压后,在100 ms甚至更短的时间内动作,闭合联络钢轨与地网间的开关。这样,短路电流通过正极、设备外壳、框架保护电流元件、接地母排、钢轨电位限制装置、钢轨以及回流电缆最终回到负极,原地网电阻和钢轨对地电阻都被短路。此时,流经钢轨电位限制装置的短路电流包括本所的短路电流和相邻牵引变电所通过线路、本所馈线开关提供的短路电流,如图5所示,短路电流高达80 kA,随整流机组容量的增大,短路电流甚至更高。
图4 接地系统原理图
图5 牵引变电所短路电流曲线图
但是,由于由另一套整流机组及相邻牵引变电所提供的短路电流所通过直流进线断路器,通过大电流脱扣保护和电流速断保护可以将其在20~30 ms内切除。为保证人身安全,在框架泄漏保护装置切除故障以前,钢轨电位限制装置始终要保证闭合的状态,此时,钢轨电位限制装置承受一套整流机组的短路电流约35 kA,直至框架保护将电源切除。
2.2 直流开关母线对外壳短路
直流开关母线对外壳短路,排流柜的状态变化及对短路回路的影响与2.1节中相同。排流柜退出后,短路电流首先通过直流开关柜外壳、框架保护电流元件、地网、钢轨对地电阻、钢轨、回流电缆最终回到整流器负极。由于钢轨对地电阻占整个回路的比重较大,钢轨电位限制装置会检测到高电位而闭合开关,使钢轨与地网短路,从而形成很大的短路电流。钢轨电位限制装置从此时开始要承受短路电流,其大小与2.1节中整流器正极与外壳短路基本一致。若直流母线的进线采用直流断路器,则可通过大电流脱扣在20~30 ms内将本所提供的近端短路电流切除,此时,剩余电流为相邻变电所提供的短路电流,大小约20 kA,直至框架保护装置将电源切除。
2.3 直流馈线开关断路器下端口对外壳短路
直流开关断路器下端口对外壳短路,其过程为钢轨电位限制装置检测到电压而闭合→将地网电阻和钢轨对地电阻短路→形成大的短路电流→馈线开关大电流脱扣启动断路器切断短路电流。
2.4 接触网对架空地线或接地扁钢短路
接触网对架空地线或接地扁钢短路时,钢轨电位限制装置的电流以及时间与直流开关母线对外壳短路类似。
2.5 接触网对钢轨短路
接触网对钢轨短路时,钢轨电位限制装置由于轨电位升高而闭合,流经钢轨电位限制装置的电流仅为对钢轨短路电流的分流,其电流值相对前面的电流要小得多。
2.6 短路电流承受能力要求
通过以上分析发现,对钢轨电位限制装置短路耐受能力考核最严重的工况为框架泄漏。在故障被完全切除之前,存在部分短路电流被直流断路器切除的过程,因此,钢轨电位限制装置的短路耐受能力应以曲线的形式进行要求,如图6所示。
图6中:
式中,t1为大电流脱扣启动至直流开关全分闸时间;t2为故障完全切除时间;I本所为本所近端短路电流值;I临所为临所提供的短路电流值。
图6 钢轨电位限制装置短路耐受能力曲线图
结合目前国内地铁的实际情况,分析了钢轨电位限制装置(OVPD)的动作特性以及其承受短路电流能力,为钢轨电位限制装置(OVPD)主要参数的选择提供参考依据,经与工程实际比较,证明该分析具有一定实用性和推广价值。钢轨电位限制装置(OVPD)方面的研究从原理到应用均存在很大的空间,还需要更多的研究与实践对轨道交通的安全运行提供可靠的保障。
[1] EN 50122-1Railway application-Fixed installations Part1. Protective provisions relating to electrical safety and earthing.
[2] CJJ49-92 地铁杂散电流腐蚀防护技术规程[S].
[3] 王晓保. 钢轨电位限制装置与框架保护关系的分析[J].城市轨道交通研究,2004,(6):56.
[4] 汤海. 地铁供电系统保护装置探讨[J]. 电力安全技术,2012,14(6):26.
[5] 金雪丰,郝德清,张文君. 轨道交通框架保护及轨电位限制系统设计[J]. 船电技术应用研究,2010,30(11):62.
[6] 田胜利. 轨道交通直流框架保护与钢轨电位限制装置关系分析[J]. 现代城市轨道交通,2004,(3):28.
[7] 吕意. 直流框架保护与钢轨电位限制装置的配合与应用[J]. 铁道勘测与设计,2012,(3):55.
With connection of actual situations of current subways in our country, some suggestions are puts forward on the basis of the analysis performed by selecting of action characteristics and main parameters of short current withstanding capability of the over current protection device (OVPD) in terms of the system design.
Over voltage protection device; frame leakage protection; parameter analysis
U231
:B
:1007-936X(2015)01-0038-04
2015-09-18
李志慧.天津铁道职业技术学院,副教授,电话:13602027916。