地铁直流牵引系统框架保护原理与钢轨电位限制装置的关系

张奇 张文广

北京市地铁运营有限公司供电分公司 北京 100082

摘要： 钢轨电位限制装置主要通过检测钢轨对地电压进行保护动作与电压型框架保护都通过检测钢轨对地电位来触发保护，但这两种保护由于复杂原因很难合理匹配。电压型框架保护一旦误动将跳开故障站交直流开关，造成牵引供电系统非正常运行，并因其恢复送电时间较长,给地铁安全运营造成重大影响。

本文分析轨道交通直流系统设置框架保护及钢轨电位限制装置的原因和动作原理，阐述直流框架保护与钢轨电位限制装置配合关系。

关键词：地铁、框架保护、钢轨电位限制装置

引言：北京地铁既有线路和新建线路多采用DC750V接触轨供电，牵引电流由变电所的正极出发，经由接触网（轨）、列车和轨道返回变电所的负极。

图1直流牵引系统示意图

当牵引所直流柜内带电设备对柜体产生泄露或绝缘损坏闪络时，其泄露电流不足以启动其它直流保护动作，为保人身和设备的安全，设置了直流框架保护，当框架保护装置检测到泄露电流或接触电压大于设定值，保护迅速动作，发出跳闸、联跳、故障报警等信号。

由于钢轨采用绝缘安装而本身又存在泄漏电阻，不可避免的在钢轨对地之间产生电位差，当电位上升到一定程度会危及到线路上人员的安全，为防止此现象发生，钢轨和地之间设置了轨电位限制装置。

一、直流框架保护原理及特性

直流牵引供电系统保护的重要作用是在正常运行状态下，满足列车运行的要求，另一方面在直流牵引电系统发生故障的情况下，有选择性地迅速切除故障，防止扩大停电范围，保证列车、设备和旅客人身安全。为及时切除直流设备内的各种短路故障，因此直流系统设置了直流框架保护。

1. 电流型框架保护原理及特性

如图1所示, 电流型框架保护通过负极柜内电流测量元件一端接设备外壳，一端接地，检测设备外壳与地之间的故障电流来触发保护。直流系统正常运行时，电流型框架保护电流回路电流为零，装置不动作，当设备绝缘发生变化，设备对柜体外壳放电或短路时，接地电流通过测量元件流入地网经钢轨与地之间的过渡电阻回到负极，达到定值时电流型框架保护动作。

2、电压型框架保护原理及特性

如图1所示 ，电压型框架保护通过电压测量元件测量设备外壳与直流设备负极的电压，一端接直流系统负极，一端接设备外壳。当检测对地电压达到定值后发出报警或向本所交直流断路器发出跳闸命令切断故障，造成牵引系统非正常运行。

二、钢轨限位装置保护原理及特性

1、钢轨对地电位升高的主要因素

正常工况下，供电区间列车运行时，钢轨中流过牵引电流，造成钢轨对地电位的升高。电位大小与线路上列车的数量、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。

当发生以下故障时，引起钢轨对地电位的升高；

（1）接触轨与钢轨发生短路；

（2）接触轨对地发生短路；

（3）直流设备发生框架泄露；

（4）牵引所整流变压器二次侧系统发生单相接地短路。

2. 钢轨对地电位过高对人员的危害

由于列车车体与钢轨可靠接触，因此可以将车体与刚轨当作等电位体。如果钢轨对地电位过高，当列车停靠车站站台时，车与站台（可视为大地）之间的电位差将会很大。如果钢轨电位过高，会对乘客造成触电危险，列车停靠车站时，乘客即使不直接接触列车车体，也会在站台处产生跨步电压，对人身安全造成危害。

3、北京地铁钢轨电位限制装置保护设置

北京地铁新建线路钢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组成，钢轨电位限制装置一端接钢轨，一端接变电所接地网，检测钢轨和大地之间的电压。当轨电位限制装置检测到钢轨对地电压高于整定值而动作，将钢轨与接地网进行短接，降低钢轨电位保护人身安全，保护动作设计最初如下：

1、当钢轨电位大于90V并经一定延时接触器合闸动作，钢轨与大地相连，延时10s后分闸，如果在设定的时间内连续动作3次后，钢轨电位还偏高，钢轨电位限制装置合闸后不再分闸；

2、当钢轨电位大于150V时，接触器无延时动作不再分闸，直到电压恢复正常值接触器断开；

3、当钢轨电位大于300V时，晶闸管在1ms之内导通，使钢轨与大地相连，同时接触器启动其常开节点永久接通，此类情况必须由人工复归后方可重新合上开关。

但由于地铁各条线参数不同，建设时间不同，生产厂家不同，故轨电位限制装置原理虽大致相同，但三段式保护定值及动作时间上各有差异。

三、直流框架保护与钢轨电位限制装置的配合关系

电压型框架保护与钢轨电位限制装置两者都是检测钢轨对地电压，不同的是：

1）电压型框架保护的作用是保护直流设备安全，动作于相关进出线开关跳闸，切除短路故障；

2）钢轨电位限制装置的作用是降低钢轨对地电位，保护线路上人身安全不作用于跳闸，牵引供电系统继续运行。

牵引供电系统正常及和事故情况下装置之间的配合如下：

牵引供电系统正常运行情况下，车辆运行时，由于钢轨回流的作用，会引起钢轨对地电位的升高。此时钢轨电位限制装置和框架保护的电压元件均处于检测状态，当钢轨电位对地电位上升一定值时，钢轨电位限制装置按规定值动作。一旦钢轨电位限制装置拒动，电压型框架保护延时动作于报警或跳闸，起到了保障人身和设备安全的作用。

牵引供电系统在事故情况下，直流设备的绝缘发生泄漏短路故障时，钢轨电位限制装置和框架泄漏保护电压元件均检测到一个瞬时高电压。两者均启动，由于钢轨电位限制装置动作快，使钢轨与地立即接通，框架保护电压元件失去作用，同时框架保护电流元件检测到大电流，当电流达到整定值时，动作跳闸切除故障。

如线路未发生短路故障，而是车辆运行中其他原因导致钢轨电位升高，理应钢轨电位限制装置动作，但如果钢轨电位限制装置与电压型框架保护装置匹配存在问题，因钢轨电位限制装置拒动，而导致电压型框架保护作用于跳闸，就会造成接触网大面积停电，影响地铁正常运营。

结束语:现北京地铁大多已采取电压型框架保护动作时只报警而不作用于开关跳闸，电流型框架保护也由过去的一套整体电流型框架保护改为三套保护，分别在整流柜、直流750V开关柜、750V上网配电柜设立了三套电流型框架保护，这样不仅可以缩小故障的影响范围，在进行故障查找及恢复送电的时间也大大减小。

参考文献：

[1]于松伟、杨兴山、韩连祥、张巍 《城市轨道交通供电系统设计原理与应用》 西南交通大学 2008

[2] 朱德敏、王纯伟、赵明 《框架泄露保护装置的应用与分析》 电气化铁道 2004

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