地铁供电系统保护装置探讨.pdf

Z 电 力安全技术 第l 4 卷( 2 0 1 2 年 第6 期) 地铁供电系统保护装置探讨 汤 海 ( 北京地铁供 电公 司，北京 1 0 0 0 8 8 ) 摘要描述 了地铁直流牵引供 电系统 中的框架保护和钢轨 电位 限制装置特性。通过对北京 地铁直流牵引供电系统实际情况的研究 探讨，分析了 框架保护和钢轨电位限制装置在过负荷、第三 轨短路故障和直流设备内部短路故障中的动作过程； 提 出了采用负 逻辑控制、内含触发电 路双反晶 闸管的钢轨 电位限制装置可替代框架保护 电压元件的保护功能的结论。 关键词地铁 ；直流牵引；钢轨 电位 限制装置；框架保护 北京地铁始建于 1 9 6 5 -o 7 - 0 1 ，采用第三轨与 走行轨共 同构成直流牵引供电回路 ，其中第三轨连 接直流牵引供 电系统正极 ，走行轨连接直流牵引供 电系统负极。因此 ，第三轨、走行轨以及直流牵引 供 电设备都采取对地 ( 结构地 ) 绝缘方式安装 ；同 时走行轨还要具备承受 和传递荷 载以及导 向的作 用 ，因此走行轨还必须要牢固固定在路基上。 走行轨通常采用在走行轨与路基之间加装绝缘 垫的方式安装。这种安装方法较容易实现，并且能 够满足走行轨对结构地的绝缘要求和牢固强度 。一 般绝缘垫的厚度为 1 5 C I F I ，故走行轨与建筑结构 地之间的绝缘距离非常小，这使得走行轨对结构地 绝缘水平较易受各方面因素的影响。如地铁列车行 进过程 中产生的导 电粉尘 、闸瓦灰、地面的积水、 堆积的杂物等，均能够降低走行轨与结构地的绝缘 水平。一般地铁开通运行一段时间后，走行轨与结 构地之 间的绝缘水平将会逐渐下降，泄漏 电流 ( 又 称迷流或杂散 电流 ) 随之产生。特别是在直流牵引 供 电系统中出现负荷过大、有直流接地故障或短路 故障时 ，走行轨与结构地之间的过渡电阻的过电压 现象和走行轨 自身 电阻的过 电压现象将更为明显 ， 并危及人员和设备的安全。 目前 ，地铁直流牵引系统中普遍采用钢轨电位 限制装置与直流设备的框架保护共 同完成对人员和 设备 的保护。为减少两种保护装置的误动，保证直 流牵引供 电系统稳定运行和人员与设备的安全，需 对 以上两种保护装置的参数进行合理整定，从而避 免装置误动。 一 9 1 框架保护与钢轨电位限制装置的特性 1 1 钢轨电位限制装置的特性 钢轨 电位限制装置在直流牵引供 电系统中，位 于走行轨和结构地之间 ( 见图 1 ) ，其 内主要短接装 置是接触器支路和双方晶闸管支路共 同组成 的并联 电路，是用来短接结构地和走行轨的。由于迷流散 布于大地，在走行轨和结构地之间会 出现危险的电 位差 ( 简称轨 电位 电压 ) 。在地铁车站和停车场 内， 如果钢轨电位限制装置监测到该 电压超过整定值时 即动作 ，将结构地和走行轨短接 ，使得钢轨电位被 钳制在安全范围内，此时直流牵引供 电系统仍能维 持运行 ；同时钢轨电位限制装置还监测流经 自身的 结构地和走行轨的短路 电流值。当电流值低于整定 值时 ，钢轨 电位限制装置 自动将短接装置在设定时 间到达后分断，恢复至正常状态 ；当电流值达到或 高于整定值时，钢轨 电位限制装置 自动将短接装置 保持在短接状态。 图 1 钢轨电位限制装置 ( V L D ) 结构示意 电源 参数整定 控制指令 信号 数据 第l 4 卷( 2 0 1 2 年 第6 期) 电 力 安 全 技 术 Z 钢轨 电位 限制装置通常提供三段 电压保 护设 置 ，由低到高分别是一段动作电压 ( ) ，二段动 作 电压 ( ) ，三段 动作 电压 ( ) 。当 钢轨 电位限制装置监测到走行轨与结构地之间的电 压差 大于装置 时，接触器合 闸，在设定时间 内保持合闸状态，之后恢复成断开状态；当钢轨电 位限制装置监测到走行轨与结构地之间的电压差大 于 时，接触器永久合闸，不再恢复成 断开 状态 ；当钢轨电位限制装置监测到走行轨与结构地 之 间的电压差大于 时，因接触器 的合 闸 时间不 能够满足 消除此 电压 的时限，由钢轨 电位 限制装置内部与接触器并联的含触发电路的双反 晶 闸管回路在 1 mS内导通 ，使走行轨与结构地连接， 同时接触器也启动合闸，将在 1 0 0 fi t s内完成合闸。 接触器合闸后 ，晶闸管 回路立 即断开 ，而接触器会 自动 闭锁在合 闸状态。直至维护人员到现场查看设 备 ，排除故障，将钢轨 电位限制装置复位后 ，钢轨 电位 限制装置才返回正常运行状态。 1 2 框架保护的特性 当直流开关设备内部正极对柜体发生短路故障 时 ，为保护直流设备的安全 ，及时清除直流设备内 的短路故障，框架保护装置动作使对应交、直流断 路器跳闸， 直流牵引供 电被 中断， 故障被迅速切除， 从而保护供 电设备及人员安全。框架保护主要 由电 流、电压两部分元件构成 ( 见图 2 ) 。电流元件监测 设备外壳与结构地之间的唯一连接 电缆 中流过的故 障电流。电压元件测量直流设备外壳与直流负极之 间的电压 ，通过图 2可以看到直流设备外壳是通过 单点 与结构地短接 ，而直流负极又与走行轨短接 ， 因此 电压元件的两端 电缆分别是连接到结构地与走 行轨 ，所以电压元件是监测走行轨与结构地之间的 电压 ，与钢轨 电位限制装置监测相 同设备的电压 ， 仅仅是测量点不同而 已。因此 ，可以得出框架保护 的电压元件与钢轨电位限制装置是监测同一对象的 两种装置。 框架保护的动作过程 ：当任意一个直流设备内 部发生正极与外壳短路时，接地 电流通过电流元件 流人地 网。再以两种方式回到负极 ，一种方式是通 过走行轨至负极 ；另一种方式是通过走行轨与结构 地之间的过渡电阻及排流柜 回到负极 。此时电流元 件监测到大于整定值的电流时启动时间计数器 ，在 设定时限到达时动作， 将相应交、 直流断路器跳 闸， 框架保护 电流元件可以保证切 除故 障。而与此同时 电压元件也监测到结构地与走行轨之间的电压 ，当 电压大于整定值 时，启动时间计数器，在设定时限 到达时动作，并对相应交 、直流断路器发出跳 闸命 令，切 除故 障。 机 地 图 2 框架保护装置示意 置 2 框架保护 电压元件与钢轨 电位限制装置 的差异 2 1 动作后的结果不 同 框架保护电压元件一般设置两段保护，当走行 轨对结构地的电压值达到框架保护 电压元件定值 ， 并超过预设时间后 ，框架保护 电压元件会报警并跳 本站所有直流牵引网的直流开关，本站直流牵引系 统退出运行，中断地铁运营 ，会造成很大影响。钢 轨电位限制装置在监测到走行轨与结构地之间的电 压达到保护定值后 ， 只会采取短接走行轨与结构地 ， 消除这个危险电压 ，但并不会跳开任何直流牵引网 的直流开关，影响较小 。 2 2 使用差异 钢轨电位限制装置动作后将走行轨与结构地短 接，是通过接触器或双反晶闸管短接，这种短接是 没有方向性 的。因此 ，钢轨电位 限制装置作为一种 临时措施用来消除走行轨与结构地之间出现的这种 危及人身安全的电压 。如果钢轨电位限制装置动作 频繁，会对地铁土建结构预防杂散电流起到一定的 负面作用 ，造成的影响是不易引起地铁维护人员重 视的。因此，发生钢轨 电位 限制装置频繁动作时 ， 必须及时安排工作人员检查直流牵引系统 的整个回 路是否存在接触不 良或是回流 电缆损坏等情况。框 架保护电压元件如果发生动作，会将本站直流牵引 一 9一 Z 电 力安全技术 第1 4 卷( 2 0 1 2 年 第6 期) 网的直流开关全部断开 ， 必将影响到地铁正常运营 ， 造成的影响是显而易见的。 3 两种保护装置的配合 钢轨 电位限制装置与框架保护在直流牵引系统 中的位置如 图 3 所示。 第三轨 _ 第三轨 g 直 N 濑 捌 N 线 + 一 本 个 - l直 激 壳 结构地 分流器 框架保护装置 r 一 的电流元件 l - NL 框架保护装置 的电压元件 - T oZL 钢 轨电 位r 门 限制装置 J = 图3 两种保护装置在直流牵引系统中的位置 正常运行状态下 ，钢轨 电位限制装置内的接触 器保持断开 ，双反晶闸管元件也处于不导通状态 ， 框架保护电压和 电流元件则处于监测状态。当第三 轨供电区段 内有地铁列车运行时，牵引电流通过走 行轨回流到直流牵引供 电负极。走行轨对结构地 电 位 的大小主要取决于牵引 电流、地铁机车的位置 、 测量点的位置、走行轨与结构地之间的过渡 电阻等 因素。 图4 为单列列车运行时的钢轨电位分布图。 变电站 列车位置 V) 、 、 ， 列车前进方向 图4 列车运行时的钢轨电位分布 如 ：走行 轨的 电阻值 约为 3 0 mf k m，当合 理设置均流 电缆后，此数值将减小为 2 0 mf k m， 理 想情况下 ，3 5 0 0 A 的牵引 电流 引起的钢轨压降 一 9一 仅有 7 0V k m。 3 1 列车负荷过大 区段内同时有多列列车运行，列车负荷过大 时，第三轨中的牵引电流瞬间增大且维持在高位， 框架保护的电压元件与钢轨电位限制装置 同时都监 测到钢轨 电位上升。由于此 时直流牵 引供 电系统 仍属正常运行情况 ，不允许中断地铁机车直流牵引 电源，因此不允许框架保护电压元件动作。但是为 了周围人员的安全 ，必须要将钢轨 电位控制在允许 范 围内。根据 E N5 0 1 2 2 -1 铁路应用 一固定设备 有关电气安全和接地装置的保护规定 ( P r o t e c t i v e Pr o v i s i o ns Re l a t i n g t o El e c t r i c a l S a f e t y a n d E a r t h i n g ) 标准中规定 的人体耐受电压 一时间特性 曲线的要求，钢轨 电位 限制装置的 可 以设定 为 9 0 V。 此时为了防止框架保护的电压元件误动作 ， 通常调整框架保护 电压元件的整定值与钢轨电位限 制装置 的 一致或略高 ，并且框架保护 电 压元件动作时间的整定应长于钢轨电位限制装置的 动作时间。这样就可 以保证钢轨 电位限制装置在框 架保护的电压元件之前动作 。在钢轨 电位限制装置 动作后，即将走行轨与结构地短接 ，走行轨与结构 地之间的电压被降至 0 V附近 ，框架保护 电压元件 就监测不到超过定值的电压值 ， 不会发出跳闸信号 ， 就不会中断直流牵引供 电。这样的配置关系既保证 了人身的安全 ，同时又避免 了因牵引网断电引发地 铁运营中断的重大事件发生。 如果在列车负荷过大时 ，走行轨与结构地之间 的电压上升达到并超过钢轨电位限制装置的 ， 而此时钢轨 电位限制装置的 P L C死机，接触器 拒 动，当走行轨与结构地之间的电压继续快速上升达 到双反晶闸管 自行导通的电压值时，双反晶闸管支 路导通 ，同样将走行轨与结构地之间的电压被降至 0 V 附