地铁牵引变电所直流框架电压保护频繁报警分析与对策

刘建华

（深圳市地铁集团有限公司，广东 深圳 510840）

随着城市的扩容发展，将地铁作为民众出行的公共交通方式已成为一种主流的发展模式和趋势，实践证明其优势是显著的。地铁供电系统采取直流牵引供电方式，利用接触网-受电弓为机车提供取流，并利用钢轨作为机车负荷电流回流路径，这种供电制式具有很多优越性，但同时也存在一定的运营风险，需要设置一系列安全保护防范措施。

1 直流框架保护的原理与功能

1.1 保护原理

牵引变电所是地铁中至关重要的系统，与地铁运营安全息息相关，为保障变电所供电运维人员安全及设备安全，直流一次设备柜外壳设置框架保护，具体分为框架电流保护和框架电压保护。框架电流保护和框架电压保护通过不同的工作原理，共同完成直流框架保护任务，其保护原理见图1。

图1 直流框架保护原理

如图1所示，直流一次设备柜所有外壳框架连为一体，采取对地绝缘安装[1]，框架通过串联的T20分流器与大地相连。当发生异常时，一次设备带电部分与设备柜外壳碰壳短路，设备柜外壳带电，大电流则经T20分流器流入大地，大地与钢轨之间存在过渡电阻，此大电流从大地通过过渡电阻流入钢轨，经钢轨和回流电缆最终回流到负极柜，形成直流框架电流一个完整的回流通路。具体电流路径可描述为：直流一次设备正极、柜壳框架、T20分流器、地、轨地过渡电阻、钢轨、负极柜；直流框架电压保护的路径为：直流柜框架外壳、U02电压变送器、钢轨及负极母排。通过电压变送器对框架电压进行采样，采取直流一次设备柜框架外壳与钢轨之间的电位差作为框架电压测量值，U02电压变送器把采样数据转换后输入框架电压保护装置，当框架电压超过定值，框架电压保护装置则输出相应的框架电压保护动作指令[2]。框架电压保护根据电压大小和时间不同分段设定定值，实现框架电压保护报警功能或跳闸功能。

1.2 功能及影响

直流框架电流保护和直流框架电压保护因保护原理不同，动作机制不同，其功能和影响也不同，二者既有相同之处，又有不同之处，既相互影响又相互联系。框架电流保护是通过采样设备外壳框架对地的故障泄漏电流作为采样参数，框架对地泄漏电流的大小决定框架电流保护是否启动。当一次设备对框架外壳碰壳时，设备框架外壳带电，框架电流流过柜体框架、分流器、地、过渡电阻、钢轨，然后流回负极，上述部件的电阻大小影响框架电流的大小，并最终影响框架电流保护是否正常启动。

在实际应用中，直流框架电流保护动作引发的事故影响较大，直接作用于一次设备跳闸，且跳闸设备范围较大。当故障变电所发生直流柜框架电流保护动作，本所6台直流断路器跳闸，2台35 kV整流机组断路器跳闸，并联跳2邻站对应的4台直流馈线断路器，共计12台断路器跳闸。框架电压保护分为框架电压报警功能和框架电压跳闸功能，当采样元件采样到框架电压达到报警定值，框架电压保护启动报警指示功能，对外起到预警作用，只报警不跳闸；当框架电压达到保护跳闸定值，框架电压保护启动跳闸功能。具体的直流框架电压保护跳闸方案为：本所6台直流断路器跳闸，2台35 kV整流机组断路器跳闸，共计8台断路器跳闸。由此可见，直流框架电压保护和直流框架电流保护都启动本所共8台相同的断路器跳闸；不同之处为直流框架电流保护跳闸启动邻站对应的4台直流馈线断路器跳闸，直流框架电压保护跳闸不启动邻站对应的断路器跳闸。框架电流保护和框架电压保护的核心共同作用是及早预防，及时发现框架带电泄漏事故，一旦发生严重的框架带电泄漏事故，立即跳开相关一次设备开关，切断框架电压和框架电流来源，防范事故的发生和蔓延[3]。

2 频繁报警的原因分析

某地铁牵引变电所频繁报直流柜框架电压报警U＿warn报文，框架电流保护无动作记录。组织人员对现场采取以下检查措施：（1）经检查，发现直流一次设备柜外壳框架对地电位为0且正常，可排除直流一次设备对框架碰壳的情况；（2）解开直流系统框架一点接地处电缆，用绝缘电阻测试仪测试框架对地电阻，大于4 MΩ，符合标准值要求，框架对地绝缘良好；（3）查看牵引变电所直流框架电压保护整定值（见表1）。

框架电压的监测实质为设备柜外壳与钢轨的电位差，即框架电压的大小与设备柜外壳电位、钢轨电位都相关，并取决于二者的差值，设备柜外壳或钢轨电位过高，都有可能引发框架电压采样值超限。正常状况下，设备柜外壳与地等电位，当钢轨电位异常时，框架电压采样装置U02电压变送器采样到钢轨与设备柜外壳的电位差超过框架电压保护定值，则可能触发框架电压保护启动。但在实际设计中，钢轨设置了轨电位限制保护装置，以防止钢轨电位出现异常偏高的情况。在现场应用中，一旦钢轨电位异常，轨电位限制保护装置监测到钢轨电位偏高时，发出指令对钢轨先行强制接地，从而使钢轨电位下降，框架电压保护不能进一步启动[4-6]。轨电位限制装置保护整定值见表2。

表1 直流框架电压保护整定值

由表1、表2可知，框架电压的报警电压整定值（U＿warn）与轨电位的保护电压整定值（U1）相等，都为120 V，报警时间整定值（t＿warn）为2 s，轨电位限制装置动作时间整定值（t1）为0.6 s，即当轨电位达到120 V时，轨电位限制装置先动作，使钢轨接地，轨电位降为0，U＿warn不能触发。二者通过1.4 s时间级差配合，以满足继电保护的选择性原则。

牵引变电所频繁产生框架电压报警，轨电位无动作记录，说明可能有2种情况：（1）钢轨电位限制装置存在问题，当钢轨电位超限，轨电位限制装置未动作，导致触发框架电压保护报警；（2）框架电压保护装置存在问题，框架电压采样不准，与轨电位限制装置电压采样不一致，二者存在误差，导致二者在时间配合上无法形成级差。经过现场定量测试校验，在负极柜-钢轨处加电压，框架电压保护装置、轨电位限制装置测试显示数据见表3。

由表3可知，框架电压采样值与实际值存在误差，误差为+2 V，轨电位限制装置电压采样与框架电压采样不一致，导致二者在时间上无法配合。现场实际中，轨电位未达到120 V，框架电压装置已采样到钢轨对框架电压为120 V，达到框架电压保护报警的整定值，框架电压保护报警动作，而轨电位限制装置未能动作。框架电压采样误差值为+2 V，此测量误差在框架电压保护报警整定值120 V的±5%之内，属于允许误差（±6 V）之内，符合继电保护校验工艺规程要求[7-9]。

表2 轨电位限制装置保护整定值

表3 框架电压保护装置、轨电位限制装置测试数据 V

3 处理对策

通过上述分析可知，框架电压保护装置与轨电位限制保护装置二者的电压采样测量存在误差，采样数据不一致，使二者在动作时间上无法配合，导致失去继电保护选择性，是框架电压保护频繁误报警的根本原因。而上述误差又在设备测量误差允许范围内，因此在现场实际中，上述问题很难归结为设备质量问题，属于设计要求与设备制造水平之间存在差距的矛盾[10]。在现场应用中，框架电压保护装置采样测量元件难以调整，但可以对轨电位限制装置的电压采样测量进行调整，充分利用允许误差，使轨电位限制装置采样误差与框架电压采样误差偏差同向，人为调整轨电位限制装置的电压采样零飘值为+2 V，此时，轨电位限制装置与框架电压保护装置的电压采样数据同步一致。重新设置后，用继保仪在负极柜-钢轨加压，当加到120 V时，轨电位限制装置立即先动作，轨电位降为0，框架电压保护报警未能启动，轨电位限制装置动作时间比框架电压保护报警动作快1.4 s，实现了二者在动作时间上的配合。至此，圆满解决了当钢轨电位偏高时框架电压保护频繁误报警的问题。

4 结束语

阐述地铁牵引变电所直流框架保护的电路原理与功能，分析框架保护的工作机制及影响因素；对直流框架电流保护和框架电压保护的跳闸动作特点进行比较，并重点对直流框架电压保护频繁报警的原因进行研究，通过理论分析和现象排除，结合现场测试数据，得出直流框架电压保护频繁误报警的原因：轨电位限制装置和框架电压数据采样值不一致，导致二者在动作时间上无法配合。通过运用设备允许误差概念，调节轨电位限制装置的电压采样零飘值，使上述2种电压采样值保持一致，解决了直流框架电压保护频繁报警的问题，提高了供电系统运行的稳定性，并进一步保障了供电运维人员的安全。