地铁供电系统直流设备绝缘安装方式讨论及工艺改进研究

崔道义

（中铁电气化局集团有限公司城铁公司，北京 100166）

1 概述

1.1 供电系统设备安装形式

设备安装可分为绝缘安装和非绝缘安装两种形式，非绝缘安装形式比较常见，就是常见的设备安装形式。地铁直流牵引供电设备采用绝缘安装方式，当直流设备正极对设备外壳发生泄漏时（严重时短路电流瞬间可达到几万安培）会对直流设备造成严重危害。采取绝缘安装方式可以减少这种危害，但设备绝缘安装会对运营维护人员的人身安全造成威胁，因为，直流系统如果发生正极对机柜外壳绝缘损害时，易造成触电事故。框架保护就是专为直流设备配备的正极与外壳发生故障的一种保护措施，其保护原理是当正极对外壳发生绝缘损坏时，快速切除故障，保证系统的安全运行。

1.2 框架保护的配置

地铁直流框架保护有电流型框架保护及电压型框架保护两种，其目的是为了防止直流供电设备出现故障使金属框架带电，此时，如果巡检人员误碰触柜体则可能会发生触电事故，出现严重后果，危机人身安全。直流供电系统设置框架保护装置，使设备金属框架带电并在框架保护延时时间内未返回，则会跳开相关直流供电系统开关，使设备失电。此时，必须人为的确认故障消除后，人工将保护复归，设备才能再次正常运行。目前，地铁直流系统通常采用设备绝缘安装的方式解决框架保护问题，设置直流开关柜及整流器柜框架泄漏保护可以有效防止出现对地泄漏电流和防止超出许可范围的接触电压。其保护原理如图1 所示。

图1 框架保护原理图

（1）电流型框架保护。保护装置设置二段式框架泄漏电流保护，框架泄漏电流保护可以切除绝缘安装的直流开关柜或整流器柜内发生正极与框架之间的短路故障。框架泄漏电流保护具有电流和时间保护特性。地和直流开关柜设备框架之间测量电流可作为框架泄漏保护测量变量使用（框架电流）。测量的电流值超出设置的动作值时，启动框架泄漏保护，若在延时设定时间内电流值小于动作值，则保护返回。若在延时设定时间内始终满足电流值大于动作值，超过延时时间后框架保护出口跳闸，跳闸后跳闸信号将保持激活状态，必须排除故障确认后，才允许手动复归。直流开关柜框架泄漏电流保护动作后将联跳本站所有直流开关柜及相应高压交流开关柜，联跳邻站相关直流馈线柜，并且向外部发出动作信号。整流柜框架泄漏保护联跳本站进线柜。

（2）电压型框架保护。框架泄漏电压保护的任务是测量和监视绝缘安装的直流开关柜设备框架上的电位，当电位差超出许可范围时，发出跳闸信号。为了防止出现超出许可范围的接触电压和危险电压，框架泄漏电压保护拥有电压和时间的分段特性。保护装置设置三段式框架泄漏电压保护。测量直流开关柜内负极与直流开关柜框架之间电压，作为框架泄漏电压保护的测量变量使用。

当测量采集到的框架泄漏电压超出设定电压值，装置启动跳闸逻辑，在延时设定时间内始终满足，延时到后则出口跳闸；否则保护返回。

2 典型案例

2018 年7 月份，由于北方地区雨季雨水含量较大，引起北京地铁某车站变电所设备房间湿度很大，日平均湿度已超过95%，设备机柜内部有大量凝露产生，受杂散电流影响导致框架电流保护误动作，进而使变电所直流开关柜跳闸，之后变电所供电系统启动大双边供电方式，由临所支援供电，所幸未造成列车停运后经过故障分析，原因是由于车站变电所内湿度很大（超过设计允许环境），牵引直流供电设备框架绝缘值降低，经测量框架绝缘值已降低为0.3～0.4MΩ（合格标准值不低于2MΩ）。地铁运营公司相关领导对此事高度重视，立即组织设计单位、施工单位、厂家等相关技术人员进行事故处理并在之后召开多次讨论会，商讨处理措施及改进工艺方法。后来采取了相应措施，使得故障得以处理，保证了设备的正常运行。在目前地铁变电所直流设备绝缘安装中，时常有框架绝缘值在运营过程中不断下降的隐患，因此，各城市的设计、施工人员也都想尽办法避免绝缘值的下降，考虑各种绝缘安装方式。

3 案例分析

地铁直流设备框绝缘值低的原因有很多而且比较复杂，比较典型的有如下几个方面：（1）直流设备柜底绝缘板是由多块拼接组成，绝缘板对接处缝隙容易进入灰尘及受潮湿影响易造成绝缘不合格或者拼缝位置正好位于两面柜体拼接部位，使得绝缘板拼接处难以清理维护。（2）开关柜与基础槽钢固定的螺栓孔处因现场开孔可能残留铁屑，导致绝缘值受影响。（3）绝缘板厚度较薄，容易受到地面灰尘杂质污染，导致地面灰尘粘在绝缘板上，框架绝缘受影响而降低。（4）环境异常潮湿，导致设备内部产生较大凝露，导致绝缘降低。见图2。

图2 绝缘板拼缝及潮湿的影响

4 绝缘安装工艺工法讨论

4.1 绝缘板采用错位搭接工法

针对绝缘板拼缝处易进入灰尘或者其他杂质的情况，可以采用将分块的绝缘板错位搭接的处理措施来解决此问题，具体方法见图3、图4 所示，图中的绝缘板拼缝处可用绝缘胶进行涂抹，之后将两个绝缘板粘结在一起，形成一个整体。图中的缝隙宽度仅为示意，实际施工完成后基本可达到严丝合缝，避免灰尘或者水气等在缝隙中游走，也降低长期运营过程中的绝缘下降隐患。

图3 45°错位斜搭接示意图 图

图4 直角型错位搭接示意

4.2 地角绝缘螺栓改进工艺

绝缘安装的地脚螺栓一般采用镀锌螺栓，因需将设备基础槽钢与设备金属框架绝缘，故在钢制地脚螺栓外面加装绝缘护套才能起到绝缘的效果。图5 为绝缘螺栓制作样式图，目前市面上有类似完全绝缘的绝缘螺丝，均因其强度不能达到使用要求而不能使用，因此才使用钢制螺栓加外绝缘护套代替，图6 为不同的绝缘护套安装方式，仅供参考使用。

图5 绝缘螺栓制作样式图

图6 绝缘螺栓安装工艺示意图

4.3 加转绝缘块的施工工法

还可以在机柜金属框架与基础槽钢之间使用一定厚度的绝缘块在每个地脚螺栓处进行绝缘隔离，详见图7 所示，其中绝缘块的高度可根据实际情况自行考虑，本方法的关键点是采用一定长度的钢制镀锌或不锈钢螺栓将机柜金属框架与基础槽钢分别固定在绝缘块上面，彼此不连通，基础槽钢与绝缘块之间和机柜外壳与绝缘块之间完全隔离，这是利用绝缘块的最大的优点，能实现机柜金属框架与基础槽钢之间最大限度的电气隔离。采用此种方法时，对绝缘块的材质有较高要求，即要求绝缘块的材质应能承受一定的动载荷和钢制地角螺栓的水平剪切力，因为变电所设备一般安装在地铁车站站台层，列车正常运行时，变电所直流设备易受到列车运行时的振动影响。此种方法的缺点也是很明显的，主要就是绝缘块因要与地脚螺栓固定而需要有一定的高度才能可靠的进行连接固定。而地铁牵引直流设备内的断路器小车在检修或者停电后需要从机柜内来出来，这种安装方式下设备安装标高较高，机柜与地面之间有一定高低差，断路器小车不易从机柜内拉出至地面。这种情况下，就需配备专用装置，在机柜底部与地面之间搭建一个斜坡，断路器小车才能顺利从柜内拉出。此方法在成都地铁十一号线变电所直流设备安装中得以应用，绝缘效果比较理想。

4.4 基础槽钢表面镀绝缘材料施工工法

图7 采用绝缘块进行绝缘安装

绝缘安装的目的是将设备的金属框架与基础槽钢等铁构件之间电气绝缘，因此可以考虑将基础槽钢表面镀一层绝缘介质，使基础槽钢与设备金属框架之间完全隔离开来，尤其是基础槽钢地角螺栓孔的位置。基础槽钢预埋件外采用热镀锌+浸渍聚乙烯覆膜方法进行处理，即可达到基础槽钢与金属框架之间电气隔离又可达到防腐的效果，其中，热镀锌及聚乙烯覆膜总厚应不小于300μm。

热镀锌+浸渍聚乙烯覆膜方法效果可参详下图8 所示的效果，图中是电缆支架曾经采用此方法制作而成，经过测试后，绝缘效果良好，此方法也完全可以在基础槽钢上使用。然而，浸渍聚乙烯覆膜方法也有一定的缺点，就是基础槽钢现场或者工厂焊接时，覆膜必然受热，聚乙烯受热后覆膜会脱离，而且又大量烟尘产生，所以，基础槽钢在制作时候应先进行焊接工作，将需焊接的工作全部焊接完成后再进行工厂浸渍聚乙烯覆膜工艺，现场基本不进行焊接工作，这样可有效避免这种缺点。

图8 热镀锌+浸渍聚乙烯覆膜处理效果图

5 结语

综上所述，直流设备绝缘安装目前并不完善，效果也不理想，且随着运营时间推移，框架绝缘值会随环境的变化而变化，抗环境风险能力不强。目前，彻底解决框架绝缘不稳定的现象尚需详细研究。因此，在安装方式的设计过程中，设计人员应全面考虑并合理设计。

根据以上的研究与讨论，我们可以将绝缘板错位搭接、地脚螺栓、加装绝缘块及基础槽钢表面浸渍聚乙烯覆膜等工艺措施结合起来使用，也可以根据现场实际情况与各参建方共同探讨，找出一个比较理想的安装方案，不断优化设计方案，彻底解决绝缘安装框架绝缘问题。