DC1500V电压型框架保护设置的必要性探讨徐杰波

DC1500V电压型框架保护设置的必要性探讨徐杰波

徐杰波

（广州地铁集团有限公司广东省广州市516000）

摘要：介绍了DC1500V直流系统框架保护和钢轨电位限制装置的作用和工作原理，通过分析钢轨电位限制装置的作用及与电压型框架保护的配合关系，针对框架保护存在的问题，探讨电压型框架保护设置的必要性。

关键词：电压型框架保护；钢轨电位限制装置；匹配性

1、牵引直流系统的构成及特点

牵引直流系统由一次系统和二次系统构成。直流一次系统由牵引整流机组、直流开关柜、排流柜、钢轨电位限制装置、接触网系统部分组成，36kV交流电压经整流机组降压整流为DC1500V，通过接触网（轨）向列车供电。直流系统以钢轨作为牵引电流回到电源负极的通路。直流开关柜、整流器和负极柜的金属柜体称为“框架”，直流牵引供电系统为不接地系统，设备柜体外壳对地绝缘安装，在钢轨下铺绝缘垫与大地绝缘，可减少杂散电流泄漏途径，降低杂散电流对设备金属体的电化学腐蚀。

牵引二次系统部分由保护装置、继电器、各类电子元器件及二次接线组成。牵引直流系统设置的保护类型主要有：（1）大电流脱扣保护；（2）电流速断保护；（3）逆流保护；（4）电流增量△I保护、电流上升率dI/dt保护、热过负荷保护；（5）直流框架保护；（6）钢轨电位限制装置；（7）排流柜。

2、框架泄漏保护、钢轨电位限制装置构成及作用

框架泄漏保护装置由电流元件和电压元件组成。电流元件U04（电流变送器）：设备外壳通过小电阻分流器与接地网单点相连，检测设备外壳对地电流。电压元件U05（电压变送器）：检测设备外壳对直流设备负极之间的电压，因设备外壳与地之间的小电阻可忽略不计，可认为设备外壳直接接地，电压元件检测到的电压相当于钢轨和地之间的电压。当直流开关设备内部正极对柜体发生泄漏故障时，原有直流保护起不到应有的作用，为保护直流设备的安全，启动相应的断路器动作，及时清除直流设备内的各种短路故障，直流供电系统设置了框架泄漏保护。当直流设备正极对外壳发生短路故障时，接地电流通过电流元件U04流入地网，经过钢轨与大地之间的过渡电阻回到钢轨，当接地电流达到动作整定值时，框架保护电流元件启动，同时框架电压型元件检负极与设备外壳的电压，当电压值大于整定值后，在整定的时间内启动，使相应的断路器跳闸。

图1.框架泄露检测回路

钢轨电位限制装置一端连接钢轨，一端连接接地网，通过电压检测元件测量钢轨对地的电压。当供电区段有起动或运行的列车、或发生短路故障时，因钢轨作为牵引回流的通路以及钢轨与地之间泄露电阻的存在，钢轨对地存在电位差。为防止钢轨对地电位过高造成人身伤害，钢轨和地之间设置了钢轨电位限制装置。

图2.钢轨电位限制装置一次主接线图

3、电压型框架保护和轨电位限制装置的整定

3.1电压型框架保护的整定

报警电压整定值为130V，跳闸电压整定值为155V，整定原则遵循有关人体接触带电体时的安全要求曲线和负极设备过电压防护的相关要求在可编程控制器PLC中用软件实现。

3.3电压型框架保护和轨电位限制装置整定值之间的配合关系

电压型框架保护和轨电位限制装置均动作于钢轨对地电位，当该电位升高时，钢轨电位限制装置和框架保护的电压元件都在检测到该电压。两者出口的结果不同，轨电位限制装置的动作出口将钢轨与地网短接以将钢轨电位降低，保护人身安全。电压型框架保护的动作出口使本所直流1500V开关柜和整流机组的上端交流33kV开关跳闸。

在牵引供电系统正常工作的情况下，轨对地电位过高时，电压型框架保护不应动作，而若此时框架保护先动作，将影响列车的正常供电。因此在相同的轨对地电位的作用下，轨电位限制装置应先于电压型框架保护动作，达到缩小影响范围的目的。

牵引供电系统事故情况下，当直流设备的绝缘发生泄漏短路故障时，钢轨电位限制装置和框架泄漏保护的电压元件均检测到一个瞬时的高电压。两者均启动，由于钢轨电位限制装置电压元件动作较快，使钢轨与地立即接通，框架保护电压元件失去作用，同时框架保护电流元件检测到大电流，当电流达到整定值时，动作于跳闸，切除短路故障。若发生钢轨电位限制装置拒动情况，框架保护电压元件检测钢轨对地电位，当达到整定值时，动作于跳闸。

4、目前框架保护运行中存在的问题

（1）当牵引所直流设备发生框架泄漏故障时，流过电流元件中的电流很小，框架保护电流元件不动作。当电压元件检测到钢轨和地之间的电压大于整定值时，框架保护在整定的时间内动作，整流机组交、直流侧断路器跳闸。当某一个牵引变电所发生框架泄漏故障时，整条线路的钢轨对地电位都会升高。即各个牵引变电所框架保护电压元件会检测到负极与地之间较高的电压值，并同时起动框架保护。使得未发生框架泄漏故障的牵引变电所框架保护产生误动作，扩大了事故停电范围。

（2）长期运行后，钢轨对地绝缘性能下降，过渡电阻减小，发生框架故障时框架保护电流元件能够可靠动作，并作用于相应的断路器跳闸。但此时钢轨与地之间的电位差值减小，当整定值过高时，框架保护的电压元件不动作，起不到应有的作用。

5、总结

（1）牵引供电直流系统正常运行时，需保证电压型框架保护和轨电位限制装置的的整定值相匹配，以确保轨对地电位过高时轨电位限制装置先动作，起到保证人身安全的作用。

（2）在日常的运维过程中应关注框架对地绝缘、牵引直流的正负级间绝缘，以及钢轨对地及对其他设备间的绝缘状态，加强检修维护质量，避免发生各种短路或接地故障。

（3）框架保护电压元件在实际使用过程中存在误动和拒动的可能性，有时不但起不到保护设备的作用，反而会造成事故障范围的扩大。因此建议可考虑将电压型框架保护取消。