地鐵直流牽引供電系統(tǒng)OVPD投入時的框架泄漏保護研究

姜 睿

甘肅省旅游投資集團有限公司，甘肅 蘭州 730060

0 引言

框架泄漏保護是地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中的重要保護裝置，是檢修人員作業(yè)的安全防線[1]。文章從框架保護的原理、設置等方面進行闡述，分析了鋼軌電位限制裝置（OVPD）投入時框架泄漏保護存在的問題。

1 框架泄漏保護的原理

框架泄漏保護又被稱為直流接地保護。在整個牽引供電系統(tǒng)中，直流設備整體對地采用絕緣安裝，經(jīng)保護接地裝置將所有直流供電設備外殼連接在一起，通過負極柜經(jīng)一點與接地網(wǎng)連接[2]。在直流開關柜內(nèi)，正極、負極母排采用懸浮安裝方式，若故障狀態(tài)下正極母排對設備外殼放電或造成短接時，其接地產(chǎn)生的短路電流由于受接地電阻的制約，不足以使開關本體大電流脫扣、Imax等保護動作。此時，直流設備外殼與正極母排保持相同電位，當人體觸碰到直流設備外殼時會有電流經(jīng)過人體形成通路，危及其生命安全，因此設置了框架泄漏保護[3]。

框架泄漏保護可以分為電壓型和電流型兩種保護。電流型框架保護是在負極柜保護接地與接地網(wǎng)之間安裝電流元件，當正極母排發(fā)生對外殼放電或短接故障時，負極柜內(nèi)電流測量元件會檢測到有大電流流過，超過保護裝置整定值時，分別向交、直流斷路器發(fā)出跳閘指令，同時聯(lián)跳相鄰牽引變電所向本區(qū)段并聯(lián)供電的直流斷路器。電壓型框架保護是在負極母排與保護接地之間安裝電壓測量元件，測量負極與接地網(wǎng)之間的電壓值。由于負極母排是通過鋼軌回流，即等效為檢測鋼軌對地之間的電壓值，當電壓值超過整定值時，電壓型框架保護分別向交、直流斷路器發(fā)出跳閘指令，同時聯(lián)跳相鄰牽引變電所向本區(qū)段并聯(lián)供電的直流斷路器。

當電流型框架保護裝置故障時，會造成電流元件檢測的電流值達不到整定值的要求，使保護裝置無法啟動。此時，電壓元件檢測到的電壓值超過整定值，分別向交、直流斷路器發(fā)出跳閘指令，同時聯(lián)跳相鄰牽引變電所向本區(qū)段并聯(lián)供電的斷路器。因此，在排流柜、鋼軌電位限制裝置（OVPD）都不投入的情況下，電壓型框架保護可以作為電流型框架保護的后備保護。

2 OVPD投入時的框架泄漏保護

當OVPD投入使用時發(fā)生框架泄漏故障，電流型框架保護啟動存在兩種情況。（1）鋼軌對地絕緣水平低，泄漏電阻較低時，泄漏電流通過“正極—外殼—接地網(wǎng)—鋼軌—負極”形成電流通路，電流元件啟動，保護動作跳閘。（2）鋼軌對地絕緣良好，鋼軌對地的泄漏電阻大，泄漏電流較小時，電流元件無法啟動，此時，鋼軌對地電位升高，軌電位限制裝置合閘，則泄漏電流通過“正極—外殼—接地網(wǎng)—OVPD—鋼軌—負極”形成電流通路，電流元件啟動，保護動作跳閘。框架泄漏保護接線圖如圖1所示。

圖1 框架泄漏保護接線圖

電壓型框架保護與OVPD檢測電壓值的位置相同，只是整定值不同。鋼軌對地電壓上升時，達到OVPD電壓整定值，軌電位限制裝置動作，接通大地與鋼軌。若OVPD拒動后，電壓型框架保護會動作，跳閘并切除故障。

3 框架泄漏保護存在的問題

（1）接觸網(wǎng)對架空地線短路時，假設短路故障發(fā)生在靠近A牽混所處，211開關電流元件檢測到大電流，同時鋼軌對地電位上升，框架電壓檢測元件會檢測到較高電壓值，如圖2所示。

圖2 接觸網(wǎng)對架空地線短路示意圖

正常情況下，211開關大電流脫扣保護或Imax保護動作，跳開211開關，同時向B牽混所的213開關發(fā)送聯(lián)跳信號，跳開213開關，接觸網(wǎng)失電，切除故障。

當A牽混所211開關拒動時，A牽混所電壓元件會檢測到較高電壓值，軌電位限制裝置動作接通大地和鋼軌，相當于負極對地電位相等，電壓元件檢測不到電壓值，電壓型框架保護不會動作。B牽混所213開關在檢測到故障電流后Imax或δI保護動作，跳開213開關，并向A牽混所211開關發(fā)送聯(lián)跳信號，由于A牽混所211開關拒動，導致開關無法跳閘。此時，故障電流仍然存在，A牽混所201、202開關在檢測到故障電流達到整定值時，會跳開201、202開關，同時正極母排上所有饋線開關會反向向正極母排供電，由正極母排向故障點流出短路電流，在饋線開關達到其整定值全部跳開后，才能夠全部切除故障電流，將故障區(qū)段隔離。

這種情況下故障可以被切除，但是由于來電方向過多，當故障切除后，經(jīng)過時間過長，可能造成直流供電損壞、燒毀。若框架電壓保護此時能夠動作，那么可以最快時間切除故障，防止設備損壞、燒毀。

（2）發(fā)生框架泄漏時，正常情況鋼軌對地電位升高，軌電位限制裝置動作，將大地與鋼軌接通，為故障電流提供良好的回流通路，框架保護電流元件檢測到大電流，當超過整定值時，框架型電流保護動作，切除故障。

當框架保護電流元件故障無法檢測到故障電流時，OVPD動作，將大地與鋼軌接通，相當于負極對地電位相等，框架保護電壓元件無法檢測到電壓值，只有有故障電流流過的開關本體保護來跳開開關，切除故障。

這種情況下，電壓型框架保護本來應該作為后備保護來切除故障，但由于鋼軌軌電位限制裝置優(yōu)先動作，導致電壓型框架保護無法動作。依靠開關本體保護來切除故障，時間過長，會導致設備的損壞、燒毀。

（3）直流設備、接觸網(wǎng)、電纜等設備在直流系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的短路故障，電壓型框架保護都會檢測到升高的電壓值，當達到整定值時，保護即會跳閘，切除故障。因此，電壓型框架保護缺乏選擇性，如果單從這一個保護而言，會造成誤動作、擴大停電范圍等問題。

（4）部分地鐵運營公司在直流系統(tǒng)中會投入排流柜，以降低雜散電流的危害。排流柜投入后會為框架泄漏故障的故障電流提供一個回流通路，那么在發(fā)生框架泄漏故障時，框架保護電壓元件無法檢測到電壓值，從而使電壓型框架保護失去作用。

（5）運營時間較久的地鐵公司，由于鋼軌對地絕緣性能降低，鋼軌與地之間的電位差值較小，當電位差低于框架電壓的整定值時，框架電壓保護無法啟動，電壓型框架保護因此失去保護作用。

4 結論

（1）在OVPD投入時的框架泄漏保護，由于OVPD整定值低于框架電壓的整定值，當OVPD動作合閘之后，將會造成框架電壓保護失去作用，后備保護存在的意義將不復存在。

（2）在OVPD投入時的框架泄漏保護，電流型框架保護裝置故障后，OVPD會動作合閘，框架電壓保護無法啟動，只能靠故障電流流經(jīng)的開關本體保護來切除故障，導致電流型框架保護無實際后備保護存在，框架電壓保護無法正常啟動。

（3）在OVPD投入時，電壓型框架保護既不能有效切除牽混所內(nèi)發(fā)生的短路故障，也不能切除牽混所外直流設備發(fā)生的短路故障，只能夠對電壓起到監(jiān)測功能。

由此，建議在OVPD投入后，退出電壓型框架保護，為電流型框架保護增設一個后備保護。例如，增設一套OVPD作為后備，當一套OVPD發(fā)生故障時，另一套OVPD啟動，保護人身及設備安全，從而提高框架泄漏保護的可靠性。