地铁框架故障保护与轨电位限制装置保护的配合

黎永成

摘要：分析了框架保护故障和钢轨电位限制装置保护的工作原理、结构进行了剖析，提出了二者之间的配合方案。

关键词：地铁；框架保护；轨电位限制装置配合；保护原理

引言：框架保护是地铁牵引供电系统中最直接的一种，影响最大范围的保护，但在实际运行过程中，框架保护在钢轨电位过高时会发生误动作，导致大面积停电，影响列车的正常运行。

框架保护误动作的主要原因是钢轨电位限制装置与框架保护的整定配合不合理。

因此，进一步研究框架保护的工作原理及动作原因，调整好直流框架保护与钢轨电位限制装置的动作配合关系，对地铁安全可靠运行起着重要作用。

一、设置框架保护及钢轨电位限制装置保护的必要性

1、设置框架保护的必要性

在直流牵引变电所内，如果直流开关带电设备对直流柜柜体发生泄漏，或绝缘损坏闪络时，原来的直流保护将起不到应有的作用。另外，牵引变电所内的直流供电设备采用绝缘安装，如果直流设备内的正极对设备外壳发生泄漏没有得到及时处理，则会引起正极负极间的短路故障。因此，建立框架保护是至关重要的。框架保护可解决直流供电设备正极与柜体间发生的短路故障，当正极对柜体外壳发生绝缘损坏时，框架保护能及时切除故障，确保系统的安全运行。

2、设置轨电位限制装置的必要性

在地铁直流牵引供电系统中，无论是接触轨式系统还是架空接触网式系统，均采用钢轨作为回流轨，而钢轨又存在漏泄电阻，因此，当列车在供电区间内正常运行时，不可避免地造成钢轨对地电位的升高。如果轨道电位过高，则会对乘客的安全构成威胁，因此有必要设置轨位限位装置。影响钢轨电位的因素主要有线路上列车的数量、负荷电流、牵引所的间距、钢轨－地间的过渡电阻等。

二、框架故障保护和轨电位限制装置的保护原理

每座牵引变电所在负极柜内设一套低阻抗框架泄漏保护装置，当直流设备的内部绝缘损坏时，可用于防止人身危险。框架故障保护主要由一个测量泄露电流的元件和一个电压监视元件组成。用于漏电流监测的分流器一端接地，通过隔离放大器测量漏电流在其两端产生的电压；电压监视通过隔离放大器测量回流钢轨与保护地之间的电位差，可设定报警和触发跳闸参数。

在漏电流监测中，采用绝缘方式安装的直流开关设备通过一分流器后接保护接地，分流器允许通过的短路电流值按可达100kA考虑。触发跳闸保护的阀限值应可调。在电位差监视中，触发断路器跳闸所遵循的允许接触电压特性曲线符合相关规定。框架故障保护系统的响应比电压继电器快得多，响应时间与被监视电压的幅度大小无关。如果另外还有一单独的钢轨电位限制装置将运行轨与保护接地短接，则电位差监视选件跳闸信号将延时产生，以使能在二者之间进行选择。

一般要求所有的直流设备（包括整流器和迷流收集装置）机柜安装与地绝缘，通过一个分流器接地，通过获取该分流器的电流值作为框架故障保护的启动条件。钢轨电位限制装置主要用于保护乘客和运营管理人员的安全，使其免受存在于车体和建筑物之间的高接触电压的伤害。当接触电压超过安全间隙时，钢轨电位限制装置就将钢轨与大地短接，以确保人员和设施的安全。

轨电位限制装置主要由多级电压测量元件和短路复合开关组成。短路复合开关电路由直流接触器和晶闸管并联组成。通常，直流接触的触头是断开的，晶闸管元件也处于非导电状态。钢轨与大地之间的电压应由三级独立的电压测量元件（分别用U>、U>>和U>>>符号代表）来测量、显示和判断。

在装置检测到的电压小于电压测量元件的整定跳闸值，钢轨电位限制装置的短路复合开

关将保持断开状态。当检测到的接触电压大于或等于电压测量元件U>的阀值时，在一段可调整的延时后，该装置短路复合开关的闭合即将钢轨与大地进行有效短接。如果检测到的接触电压大于或等于电压测量元件U>>的阀值时，则该装置短路复合开关将不会延迟关闭。一旦检测到的接触电压大于或等于电压测量元件U>>>的阀值时，则复合开关将通过晶闸管元件加速合闸，直流接触器也将无延时合闸。当钢轨电位限制装置达到预设的连续短路次数后，该装置进入锁定状态（恒定合闸状态）。

三、框架故障保护与钢轨电位限制装置的配合

如果车站已安装了钢轨电位限制装置，建议框架故障保护不再使用电压监控装置，因为设电压监视元件目的是用于保护人身不考虑安全设备，而钢轨电位限制装置已经满足了保护人身安全的要求。如果在直流开关柜框架故障保护中再安装电压监视元件，只会增加中压断路器直流开关设备的跳闸次数，会影响直流牵引网的正常运行。一般情况下，只有当全线没有安装钢轨电位装置时，才在开关柜的框架保护中增加电压监视元件。

如果在框架故障保护中加电压监视元件，并且作为跳闸的使用，则与钢轨电位限制装置之间有一个参数的配合问题。通过对二者用的电压监测元件的设定值不同（如框架故障保护：DC110V左右；轨道电位限制装置DC90V左右），当轨电位达到的设定值不同后的动作延时后（框架故障保护动作延时整定约为1s；轨道电位限制装置延时整定约为0.15s），由于上述二者整定值的差异，以保证了轨道电位限制装置优先动作，只有在比较大的故障情况下，电位差无法消除时才延时启动框架泄露保护单元，从而使电站的所有直流开关和对整流器供电的中压断路器跳闸闭锁，并联跳两边相邻变电站双边供电的相关馈线快速开关。

考虑到框架保护元件的安装地点和测量点不同于钢轨电位装置，表明框架保护的电压元件的动作时间比钢轨电位装置的动作时间至少要500毫秒的延迟时间，保证有选择性操作，尽量减少对直流开关设备的不必要跳闸。

结束语：

论述了设置框架保护装置和钢轨电位限制装置的必要性及其工作原理，并对它们的整定配合逻辑进行了分析。通过调整轨电位限制和框架保护时间配合关系，就可以有效避免电压型框架保护误动作情况的发生，一方面可以有效减少由于框架保护误动作造成的大面积接触网停电，影响行车。另一方面可以有效保护直流设备安全和线路上人的生命安全。

参考文献：

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