地铁牵引所单所供电调试中防止电压型框架保护动作导致送电失败的措施

彭兵生

摘要：本文针对地铁牵引供电所初期调试时，在直流馈线不与接触网线路连接，且直流电源负极与钢轨（回流轨）未连接或双边供电钢轨（回流轨）未接通时，直流母排带电瞬间电压型框架保护动作，致使送电调试失败的问题，从直流框架保护的原理出发，提出了一种有效的解决方案，该方案已经现场多次使用，收到了预想效果。

关键词：地铁供电调试；框架保护

引 言

城市轨道交通的牵引供电系统因其工况要求及地理条件的特殊性而采用直流电源供电模式。由于直流电源具有较强的电镀、电解、电腐蚀特性，所以为保护地下及地面金属物免遭破坏，直流牵引供电系统设计为不接地系统。牵引所内的直流设备和供电接触网路均采用绝缘安装，钢轨（回流轨）通过绝缘垫与大地绝缘，以减少杂散电流的泄漏。

为了防止直流带电设备对直流柜柜体发生泄漏或绝缘损坏，基于直流供电系统人身安全和设备安全考虑，将直流设备内发生的电源泄露或短路故障迅速切除，所以在直流系统中特别设置了直流框架保护，即直流供电系统的室内设备采用框架安装方式，利用绝缘底板使框架对地绝缘，通过低阻抗的电流元件单点接地，并设置电流型框架保护；采集设备框架（大地）与电源负极之间的电压，设置电压型框架保护；用此兩种不同类型的框架保护来共同保护人身安全和设备安全。

在单所供电初期调试送电时，由于没有带上接触网线路供电，且直流电源负极与钢轨（回流轨）未连接或双边供电钢轨（回流轨）未接通时，由于轨地之间等效电阻较大，送电时柜体（框架）内的电源正极对柜体（框架）之间的电容效应使柜体（框架）瞬间带正电，由于柜体（框架）采用一点接地，所以此时大地亦带正电，此时电压型框架保护采集到了高于定值的框架电压，致使电压型框架保护动作导致送电失败，本文通过分析框架保护的原理，提出一有效的解决办法。

框架保护装置及工作原理分析

直流供电系统中的框架保护分为电流型框架保护和电压型框架保护两种，如图1所示，框架保护装置主要用于当直流设备正极对设备外壳发生泄露或短路时，起动相应断路器跳闸，快速切除故障，使供电设备免遭损坏。它主要由电流测量元件和电压测量元件构成。电流测量元件一端接设备外壳，另一端接地，用于检测框架（外壳）与地之间泄露电流；电压测量元件用于测量设备外壳与直流电源负极之间的电压，一端接设备框架（外壳）另一端接于电源负极。

电流型框架保护：

直流系统正常运行状态下，直流设备外壳绝缘良好，电源正极对外壳无泄漏电流，电流检测元件检测不到电流，所以保护装置不动作；当设备绝缘性能降低时，电源正极对框架（外壳）等效绝缘电阻减小，相对绝缘距离缩短，从而引起放电，产生泄漏电流，当达到整定值80A时（以苏州地铁4号线为例），电流型框架保护装置动作，本所的直流系统断路器全部跳闸，并闭锁本所断路器合闸、联跳与本所相邻牵引所的所有直流馈出断路器。

电压型框架保护：

当框架（外壳）与直流柜正极发生高阻性穿透故障时，电流型框架保护装置检测到的电流远小于电流型框架保护定值而不动作，此时电压检测元件在框架（外壳）与负极之间将检测到框架对电源负极的电压（因为钢轨经轨地间过度电阻与地相连、钢轨又与电源负极相连，所以所监测到的电压相当于钢轨与地之间的电压）。当电压达到90V时，系统报警，大于150V时（以苏州地铁4号线为例），本所的直流系统所有进出线断路器（包括35kV整流变馈线）断路器全部跳闸，并闭锁本所断路器合闸。

图2为地铁1500V直流部分供电主接线图，在正常运行模式下，变电所内直流馈线断路器211、213、212、214，与上网隔开2111、2131、2121、2141对应相连并送至接触网线路；其负极柜隔开2012、2022下端均已与回流箱、钢轨（回流轨）相连，即在线路施工完成并校验合格后送电，由于钢轨对地等效电阻最小，相对于送电时柜体（框架）内的电源正极对柜体（框架）之间的等效电容容抗效应阻值可以忽略不计电压型框架保护装置所采集到的框架对电源负极电压远小于电压型框架保护定值，所以电压型框架保护不会动作。

由于地铁施工条件特殊，施工难度较大，因此，各专业施工进度可能并不一致。在变电所所内设备安装调试完成后达到本所对外送电条件之前，往往地铁线路上接触网以及钢轨（回流轨）并没有完全施工完成。因此，此时所内直流电源无法送到所外的线路上，尤其是直流电源负极与钢轨（回流轨）未连接或双边供电钢轨（回流轨）未接通时，钢轨（负极）对地等效电阻最大，相当于直流电源负极与钢轨（回流轨）开路，相对于送电时柜体（框架）内的电源正极对柜体（框架）之间的等效电容容抗效应阻值不可忽略。电源正极对柜体（框架）之间的等效电容容抗与钢轨（负极）对地等效电阻串联并分压1500V直流电源电压，电压型框架保护装置所采集到的框架对电源负极电压远大于电压型框架保护定值，所以电压型框架保护会动作，所内相关设备跳闸，致使变电所直流部分局部送电失败。

此时电压型框架保护动作原理如图3所示，

避免电压型框架保护动作的措施

前文有述，电压型框架保护主要侧重于保护框架（大地）与钢轨（回流轨）之间的电压不意外升高，从而保护站车之间的人身安全和设备安全。在不带线路送电，且直流电源负极与钢轨（回流轨）未连接或双边供电钢轨（回流轨）未接通时，由于轨地之间等效电阻较大，送电时柜体（框架）内的电源正极对柜体（框架）之间的电容效应使柜体（框架）瞬间带正电，使框架电压抬升这一问题是一定存在的。在电压型框架保护无法且不能直接退出的情况下，直接对所内直流设备送电必定会因电压型框架保护动作而失败。若要送电成功，需要设法使框架与负极之间的电压差降低。

依据上述理论分析，笔者先后在苏州地铁4号线、3号线调试送电中，在负极柜内，利用一根较细的短接线将直流负极母排与地网临时短接（相当于框架与负极短路），如图4中所示。加接此短接线后，在送电之时可以有效的拉低框架与负极之间的压差，电压型框架保护不动作，送电可以一次成功。

需要说明的是，之所以强调用细线短接，这主要是为了使等效框架与负极（钢轨）等电位，同时该细短线还兼顾保险丝功效，一旦大电流（如母排对框架有严重放电、漏电）且电流值又小于电流型框架保护动作定值时，细的短线可及时熔断，保障电压型框架保护及时动作，从而保障人生安全和设备安全。

在接触网及钢轨（回流轨）完全安装调试完工之后，即正式向接触网路送电前应当将此短接细线去除，届时是完整的供电主回路，电压型框架保护应恢复正常状态，保护线路站车之间人身及设备安全。

参考文献

[1]胡佳骏.直流牵引供电系统框架绝缘检测方案研究[J].中国新技术新产品；2018.（6（下））：65-68.

[2]牛二兵.直流框架保护故障恢复方式优化[J].电气化铁道；2018.（3）：48-50.

（作者单位：中国铁建电气化局集团第一工程有限公司）