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.pdf

1 地铁直流系统框架保护与钢轨电位限制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装置及排流装置关系分析 中国铁建电气化局集团第一工程有限公司电气试验中心 王立生 摘摘 要：要： 本文分析了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、各自的工作原理及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， 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 1 概概 述述 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1。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， 排流装置即排流柜主要就是为防止地下金属物因杂散电流而遭电化学腐蚀 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。 2 框架保护装置及原理分析框架保护装置及原理分析 2.1 框架保护装置框架保护装置 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， 框架保护 装置主要用于当直流设备正极对设备外壳发生短路时， 起动相应断路器跳闸， 快速切除 2 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 框架保护原理分析框架保护原理分析 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。 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， 3 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。 3 钢轨电位限制装置及原理分析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 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2，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 部动作将钢轨与大地短接，来保障乘客的人身安全。其原理图如图 2 所示。 3.2 钢轨电位限制装置原理分析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时，直流供电系统正常工作状态下，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、钢轨与 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，避免触电事故的发生3。 4 4 排流排流装置装置工作原理分析工作原理分析 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 D1、可调节电阻 R1、固定限流电阻 R2、自动排流部分、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 D1，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。 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。 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。 5 框架保护与钢轨电位限制装置及排流装置动作分析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。 5.1 电压型框架保护与钢轨电位限制装置动作分析电压型框架保护与钢轨电位限制装置动作分析 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 5 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。 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。以郑州地铁 1 号线为例： 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。 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。 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。 5.2 钢钢轨电位限制装置与排流装置关系分析轨电位限制装置与排流装置关系分析 钢轨电位限制装置和排流装置， 即排流柜虽都动作于电压参量， 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；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。 所以应在保证钢轨电位处于安全界值的情况下， 尽量少的使钢轨电位限制装置启动， 以 避免杂散电流的增加4。 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 频繁启动现象，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 6 安全供电造成极大威胁。 6 总结：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。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 。 参考文献参考文献 1 吕意.直流框架保护与钢轨电位限