地铁直流系统框架保护与钢轨电位限制装置及排流装置关系分析

地铁直流系统框架保护与钢轨电位限制装置及排流装置关系分析

郑金科

（中国铁建电气化局集团第一工程有限公司上海分公司河南洛阳471000）

摘要：分析城市轨道交通直流供电系统设置框架保护和钢轨电位限制装置及排流装置的设计机理，了解其各自的工作原理，分析其保护动作设置参数，阐述直流框架电流保护、电压保护和钢轨电位限制装置及排流装置的动作工况，通过对直流框架保护和钢轨电位限制装置及排流装置的综合分析，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。

关键词：直流框架保护钢轨电位限制装置排流装置关系分析

Abstract:AnalysisofthepowersupplysystemofcityrailtrafficprotectionandsetuptheframeworkofDCrailpotentiallimitingdevicemechanismanddesignofdrainagedevice,understandtheirworkingprinciple,analyzestheprotectionsettingparameters,DCframecurrentprotection,voltageprotectionandrailpotentiallimitingdeviceandconditionactiondrainagedevice,onthebasisofacomprehensiveanalysisofDCframeprotectionandrailpotentiallimitingdeviceandadrainagedevice,combinedwiththeprinciplesofsettinganalysisbetweeneachequipmentoperationvoltagesettingandactiontimeofmutualcooperationrelationshipandoperationmodeofrationality,whichlaysthetheoreticalfoundationforthejudgment,analysisandtreatmentofDCdifficultfaultoccurredinoperation,toensuremaximumsafetyofpowersupply.

Keywords:DCframeprotectionrailpotentiallimitingdevicedischargedeviceanalysis.

1概述

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，钢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，基于直流供电系统安全和设备安全考虑，将直流设备内发生的短路故障迅速切除，所以在直流系统中设置了直流框架保护。与此同时，为了防止钢轨电位升高对站车之间工作人员和上下车乘客以及线路巡视人员造成伤害，所以在每个牵引站内设有钢轨电位限制装置。还有，由于受地理安装条件限制，用于牵引回流的钢轨不可能做到全绝缘安装，且沿线路方向有其一定的回路电阻，因此牵引电流将有部分泄露于大地，架空牵引线路或第三导电轨因对地等效绝缘泄流电阻和电容的存在也有部分电流泄露于大地，工程上统称这些泄露电流为杂散电流或迷流。杂散电流或迷流对地下金属物有电化学腐蚀作用。排流装置即排流柜主要就是为防止地下金属物因牵引迷流而遭电化学腐蚀而设置因此，深入分析直流框架保护、钢轨电位限制装置以及杂散电流或迷流排流装置的动作原理、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]，[4]。

2框架保护装置及原理分析

2.1框架保护装置

直流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[1]，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设备负极之间的电压,一端接于负极,另一端接设备外壳。

2.2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（以苏州地铁4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，电压检测元件在外壳与负极之间检测到电压（负极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（以苏州地铁4号线为例）时，本所的直流系统（包括整流变进线）断路器全部跳闸，并闭锁本所断路器。

3钢轨电位限制装置及原理分析

3.1钢轨电位限制装置

钢轨电位限制装置主要由接触器、晶闸管和控制器等元件构成，安装在各个牵引变电所里，用来检测钢轨与大地之间的电位差，当电位差高于整定的值时，装置通过内部接触器动作将钢轨与大地短接，以保障与此相关的人身安全。其原理图如图2所示[2]。

3.2钢轨电位限制装置原理分析

在正常情况下，当供电分区无车辆运行，且直流供电系统都在正常工作状态下，钢轨与大地之间的电位差为零，装置不动作。

钢轨对地电位的大小，主要与线路上机车的数量、负荷电流、牵引所间距、钢轨到大地间的过渡电阻等因素相关，当供电分区有机车运行或接触网对地有较大的泄露电流或接触网发生短路故障时，由于钢轨与地存在一定的绝缘电阻，钢轨电位被瞬间拉高，为了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，钢轨电位限制装置迅速动作，将钢轨与大地短接，降低钢轨电位（确切的说应该是大地电位），避免触电事故的发生。

4排流柜（杂散电流防腐设备）工作原理分析

排流柜是杂散电流腐蚀防护系统中的重要设备，工作原理如下图3所示，主要是由硅二极管D、可调节电阻R1、固定限流电阻R2、IGBT大电流控制开关、自动排流控制部分、显示部分和保护部分组成。

排流柜主回路的核心元件为硅二极管D，利用硅二极管的正向导通反向截止的特性，实现杂散电流的极性排流。

直流接触器CZ用于控制排流支路是否投入使用，R、C回路用于抑制主回路通断时产生的尖峰脉冲。利用硅二极管D的单向导电性可以阻止从负母线到收集网的逆向排流，快速熔断器FU用于出现短路负载时对排流柜及柜内元器件的保护。

电流传感器M用于检测排流回路中的排流电流量的大小，并通过排流柜控制器控制IGBT通断的占空比，以实现对排流电流大小的控制。当IGBT关断时，排流回路串联了电阻R1和R2，电阻较大，排流电流较小。当IGBT导通时，仅串入阻值较小的R2，排流较大。R2用于限制排流的瞬时电流，以保护IGBT。电阻R1和IGBT构成了排流支路的电阻调节电路，保证了设备既处于可靠安全的工作状态，又能够根据设备的排流能力，尽可能地将更多的杂散电流通过负母线回收。

排流柜控制器与杂散电流监测系统之间可通过通信电缆联系，以实现与杂散电流监测系统的信息互换。杂散电流监测系统对结构钢筋进行电位检测，当检测被保护的金属结构的极化电位处于安全状态时，杂散电流监测系统向排流装置发出停止排流的命令。当需要排流时，监测系统确定排流量，并把排流量的数值传给排流柜控制器。控制器检测排流电流小于给定值时，控制IGBT连续导通；当检测排流电流大于给定值时，控制IGBT连续关断。正常情况下，IGBT的导通占空比将排流电流量控制在规定的数值范围内，改变IGBT的导通占空比就等效的改变了排流量的大小。

5框架保护与钢轨电位限制装置及排流装置动作分析

由于钢轨电位限制装置和杂散电流防腐排流装置都动作与电压参量，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及排流装置这三者之间与各自电压参量的动作关系。

（一）、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（确切的说应该是大地对钢轨电位），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[3]。

一般情况下，钢轨电位限制装置要比电压型框架保护的整定时间短，所以当钢轨电位瞬间升高时钢轨电位限制装置首先动作，将大地与钢轨短接，降低钢轨电位。当钢轨电位限制装置拒动或者钢轨电位仍然很高时，则由作为后备保护的电压型框架保护经过一定延时动作于跳闸，断开直流系统断路器，电压型框架保护可以说是钢轨电位限制装置的后备保护。

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。以苏州地铁4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。

（二）、钢轨电位限制装置和杂散电流防腐排流装置，即排流柜虽都动作与电压参量，但两者用途大不相同，钢轨电位限制装置主要是为保护站车之间工作人员和上下车乘客以及线路巡视人员人身安全而设置；杂散电流防腐排流装置，即排流柜主要是为防止地下金属物因牵引迷流而遭电化学腐蚀而设置；单从保护层面上讲，钢轨电位限制装置亦是杂散电流防腐排流装置的后备保护。值得注意的是当二者设置配合不当时将会影响各自应有的作用，例如当排流装置因非正常原因始终工作在大排流状态时，钢轨电位限制装置将不能正常启动，电压型框架保护将导致采样电压偏低，从而影响正常保护动作功能，给安全供电带来隐患。而当排流装置因非正常原因始终处于断开（非排流）状态时，钢轨电位限制装置将有可能出现平凡启动现象，或直接长期处于导通闭合状态，严重影响电压型框架保护正常功能，给安全供电造成极大威胁。

6总结：

直流牵引供电系统若发生轨电位异常升高，则应首先由钢轨电位限制装置动作，使钢轨与大地迅速短接，保证人身安全。当钢轨电位限制装置拒动时框架电压型保护经过一定延时动作，作为钢轨电位限制装置的后备保护。钢轨电位限制装置的整定电压和整定时间一定要小于框架电压型保护的整定电压和整定时间，只有调整好两者之间的动作配合关系，才能有效避免电压型框架保护误动作情况的发生。另外，杂散电流防腐排流装置，即排流柜是否始终工作在正常状态也是保证钢轨电位限制装置和电压型框架保护装置正常工作，正确动作的关键。杂散电流防腐排流装置，即排流柜的所有非正常状态都会给安全供电埋下隐患只有弄清了上述三者的因果关系，才能更好地保证供电系统的安全可靠，[4]。

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.pdf中国铁建电气化局集团第一工程有限公司电气试验中心

[4]《城市轨道交通供电系统技术》作者:王靖满，黄书明编著页数:439页出版日期:2011.09