地铁直流系统框架保护及其故障应急处理分析

地铁直流系统框架保护及其故障应急处理分析

汪喜贺

中国铁建电气化局集团有限公司北方工程有限公司

【摘要】本文针对城市轨道交通框架保护设置、应急处理、后续故障分析的阐述及分析，改善框架保护动作后故障应急处理，提出预防框架保护动作的发生一些具体措施，结合整定原则分析各设备之间的动作电压设置和动作时间相互配合关系及其投入运行模式的合理性，为判断、分析、处理运行中出现的直流疑难故障奠定理论基础，力求最大限度保证安全供电，并对框架保护的设计提出合理建议。

【关键词】直流框架保护应急处理故障分析合理建议

0.引言

目前我国城市轨道交通直流供电系统主要采用DC750V 或DC1500V 供电。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络均采用绝缘安装。分析直流框架保护、故障处理方法、配合关系，对确保直流牵引供电系统安全可靠运行具有重要作用。

1.框架保护装置及原理分析

1.1框架保护装置

城市轨道交通牵引供电系统中，每个牵引降压变电所设有两个整流机组（整流变，整流器），把电压等级为33KV的交流电转换成直流1500V电源送到直流开关柜母排，再由馈线断路器（211，212，213，214）送给上网隔离开关，为接触轨供电，而接触轨采用双边供电方式为相邻的两个区间的机车供电。

广州地铁六号线首期电流型和电压型框架保护的整定值分别是：

过电流保护整定为：I>35A时启动。

过电压保护整定为：U>直流95V时报警；U≥直流130V，延时1s后启动跳闸。

框架保护一旦电压型动作后，本所的直流牵引系统全部跳闸，并闭锁本所断路器；而电流型动作后闭锁本所断路器，与本所相邻的牵引所的直流馈线开关也会跳闸，并闭锁邻所开关的重合闸。因此本文重点分析电流型框架保护动作原因及故障应急处理程序及方法。如图1 所示，直流框架保护装置主要在直流设备正极对设备外壳发生短路时起动，对应断路器快速跳闸，切除故障区域，使供电设备免遭损坏。直流框架保护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,用于检测外壳与大地之间的泄露电流；电压测量元件用于测量设备结构外壳与直流设备负极之间的电压,一端接于负及小母线,另一端接设备结构外壳。

1.2框架保护原理分析

①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，电源正极对外壳放电，产生泄漏电流，当达到整定值（80A，以郑州地铁 1 号线为例）时，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、联跳与本所相邻牵引所的所有直流馈出断路器。

②电压型框架保护：当框架柜体与直流柜正极发生短路故障时，电压检测元件在负极与外壳之间检测到电压，外壳与地之间的小电阻可忽略不计，因为钢轨与负极相连，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，本所的直流系统断路器全部跳闸，并闭锁本所断路器。

2.框架保护动作分析

机车在正常行驶中，钢轨中流过牵引电流，造成轨电位对地电压的升高，会导致框架保护误动作。因此在讨论框架保护动作时，首先要分析轨电位与框架保护的配合关系。由于钢轨电位限制装置动作电压参量，与电流型框架保护动作于泄露电流参量几乎无关，所以这里我们只分析电压型框架保护与钢轨电位限制装置这二者之间与各自电压参量的动作关系。

2.1电压型框架保护与钢轨电位限制装置动作分析及配合关系

电压型框架保护与钢轨电位限制装置都是检测钢轨对地电位的，不同的是电压型框架保护的作用是保护直流设备安全，动作于跳闸，切除直流绝缘泄漏或短路故障；钢轨电位限制装置的作用是降低钢轨对地电压，保护站车之间工作人员和上下车乘客以及线路巡视人员的人身安全，不动作于跳闸，牵引直流系统回路不受影响，列车正常运行。

钢轨电位限制装置采用三段式保护，电压型框架保护采用两段式保护，一段作用于报警，二段作用于跳闸。以广州地铁六号线为例：

①当电位大于90V 时，轨电位装置延时800ms动作，将钢轨与大地短接来降低电位差，大于95V时电压型框架保护延时1500ms 报警，为防止快速瞬变的电压引起接触器频繁动作，让钢轨电位限制装置连续动作3次，如果电位仍然大于整定值，则接触器合闸不再断开。

②钢轨电位大于150V时，轨电位装置无延时永久合闸；若轨电位仍然大于150V，则电压型框架保护经过1000ms延时，保护跳闸，断开直流系统所有断路器。

③钢轨电位大于600V时，轨电位装置内部晶闸管快速导通，将钢轨与地短接，钳制钢轨电位，同时将合闸指令发送至接触器，接触器无延时永久合闸。框架电压保护即刻动作，动作结果同上所述。

3.电流型框架保护故障处理

在行车期间，为了尽可能减小框架保护故障对行车的影响，缩短故障处理时间，这里就要求对框架保护进行应急处理，特别针对电流型框架，由于其动作后，会导致故障所两端四个供电区全部失电。这对于地铁运营会产生巨大的影响。

3.1故障处理原则

本着“先通后复”原则，框架保护动作后，造成接触网上下行四个供电区停电，在运营期间必将造成全线列车中断行车，因此电调必须尽快恢复接触网供电，减少停电时间，恢复列车运营。

电流型框架保护动作（有时伴随馈线开关保护动作）。

（1）复归框架保护动作信号，拉开故障所馈线隔离开关。

（2）电调远动分开故障所四个馈线刀闸，合上馈线无保护动作的开关相对应的越区刀闸2113或2124。

（3）先合上相邻故障所无其他保护动作的相应馈线开关恢复供电。最后对有保护的（△I、Imax、di/dt）动作的开关进行试送电。电调远动合上相邻所联跳馈线开关越区供电后报行调组织行车。

（4）若故障变电所为有人值班，电调命令值班员把馈线开关211、212、213、214柜内的F12小开关打分位，若值班员不能确认F12小开关，可将柜内的F10、F11、F12同时打分位；以防故障所再次发生框架保护动作联跳相邻所；必要时合上故障所轨电位。

（5）若故障所为无人值班，电调可命令相邻牵引所的值班员把对应馈线开关柜内的F13小开关打分位；以防故障所再次发生框架保护动作联跳相邻所；必要时合上相邻所轨电位。

（6）越区供电成功后组织变电及接触网人员故障抢修，抢修完毕后恢复故障所热备用。

3.2值班员处理原则

其对变电所值班员应按以下应急处理步骤进行处理，服从电调指挥，在站控PC机或者模拟屏上确认报警信号等有关记录，到负极柜确定信号是否同PC机相同，注意观察保护动作类型，跳闸开关，将情况及时通报相关人员。

电流型保护动作后，对于框架保护主跳所：

本所与及双边供电的邻所开关同时跳开，同时也闭锁本所直流系统开关，邻所开关可以通过主控系统远程控制合闸。（如果由于某种原因不能远程控制合闸，可以人为解除联跳，断开主跳所馈线柜211、212、213、214，断开每个馈线柜联跳发送控制电源F12，解除邻所闭锁信号恢复单边供电。）

框架动作本所人员记录有关事件信号，再在负极柜上按复位。可以通过主控系统远程控制邻所开关合闸，恢复单边供电。（不能远程控制邻所开关合闸时，断开主跳所馈线柜211、212、213、214，断开每个馈线柜联跳发送控制电源F12，解除邻所闭锁信号恢复单边供电。）

对于被联跳所，可以通过主控系统远程控制或站控PC机直接进行合闸。（如果合闸失败，可通过打下211、212、213、214小车F13，解除联跳信号后，恢复单边供电。）

4.结语：

如果发生了框架保护动作的紧急事件，工作人员应立即启动应急预案，快速处置，调度人员应当快速切断故障区域，采用越区供电的方式迅速恢复接触网供电，以确保地铁运营的安全。另外，针对直流框架保护动作后需现场操作“ 复位按钮”或本所（ 邻所）的“ 联跳转换开关”，可在设计联络时增加遥控功能，使复位操作可由电调通过综合自动化系统进行遥控复位，由电调进行恢复供电操作，节省值班人员现场复位的时间，待值班人员到达后再对故障原因进行排查。经过上述优化后，可大大提高框架保护动作的恢复供电速度，真证实现变电所无人值班。

参考文献：

[1] 吕意.直流框架保护与钢轨电位限制装置的配合与应用 [D].武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司电化处，2011.

[2] 刘建华.框架保护与钢轨电位限制装置保护的研究 [D].徐州：中国矿业大学信息与电气工程学院，2009.

[3] 李清华.地铁直流系统中框架保护原理及故障应急处理.洛阳：中国铁建电气化局集团第一工程有限公司电气试验中心，2016.

[4] 张华英. 地铁直流牵引供电系统保护配合的探讨[j]. 电气化铁道,2001(3).