西安地铁负极柜框架保护与轨电位保护的关系

摘要：地铁直流供电系统是为城市轨道交通电力机车提供牵引供电的系统，其直流牵引供电系统的可靠运行对于轨道交通的安全运营至关重要，本主要对西安地铁2号线负极柜框架电压保护和轨电位电压保护进行简要分析，对直流系统安全运行提供参考。

关键词：牵引供电；框架电压；轨电位

1.负极柜框架电压保护原理

负极柜是连接于整流器负极与回流钢轨之间的开关设备，采用手动隔离开关，柜内设置一套低阻抗框架泄露保护装置，防止直流设备内部绝缘损坏对人身造成危险。框架泄露保护由一组电流元件和一组电压元件组成，采用软件编程，电流元件用于跳闸，电压元件可分别整定为报警和跳闸二段，电压元件可当地投入/切除。框架保护动作跳闸后，将闭锁所有的馈线断路器和35KV断路器合闸，只有当故障消失，当地复归框架故障保护后，断路器才能合闸。

2. 轨电位限制装置原理

在直流牵引系统中，由于操作电流和短路电流的存在，可能会引起钢轨回流回路和大地之间产生超过安全允许的接触电压，防止钢轨对地电压过高而对人造成伤害，就需要在回流回路与大地之间装设一套钢轨电位限制装置，以限制正常运行时钢轨对地电压超出安全许可的接触电压发生。

2.1Ⅰ段电压保护U>（120V），延时0.8S短接

如果检测到钢轨与大地之间的接触电压大于或等于第一级电压测量装置的设定值U>，则经过一段延时（整定为0.8S）后，直流接触器将钢轨与大地进行有效短接。接触器在第一级电压检测装置动作后，将钢轨与保护地进行短接，经一定时间间隔（整定为10S）后恢复开断。当连续两次动作的时间间隔大于6S，则LOGO重新计数，若接触器在两次动作时间间隔小于6秒内连续动作3次后，短路装置将闭锁不再断开，并给出报警信号。

2.2Ⅱ段电压保护U>>（F22：150V），无延时短接

如果检测到钢轨与大地之间的接触电压大于或等于第二级设定值U>>，则直流接触器无延时永久合闸，不再恢复开断。

2.3Ⅲ段电压保护U>>>，（设定为600V）

如果检测到钢轨与大地之间的接触电压大于或等于第三级设定值U>>>，此时晶闸管装置立即短接钢轨和大地，同时启动接触器合闸。接触器合闸后，晶闸管回路立即恢复高阻状态，此时接触器将闭锁，保持合闸状态，且接触器的合闸时间不大于100 毫秒。

当短路装置短接时，若钢轨和大地间的仍存在一个2V电压，则设备被认为出了故障，或者是在地铁车辆正常运行时， 钢轨和大地间的电压小于2V超过24个小时， 则设备也被认为发生了故障。

3钢轨对地电位升高原因

3.1 钢轨对地电位升高的主要因素

正常运行状态下，供电区段内列车运行时，钢轨中流过牵引负荷电流，造成钢轨对地电位的升高（正值或负值）。钢轨对地电位的大小，主要与线路上电力机车数量、负荷电流、牵引混合所间距、钢轨对大地间的过渡电阻等因素相关。

当发生以下故障时，引起钢轨对电位的陡升：

①接触网与钢轨发生短路;

②接触网对架空地线（地）发生短路故障;

③直流设备发生柜架泄漏故障;

④牵引变电所整流变压器二次侧交流系统发生单相接地短路。

3.2 框架保护装置特性

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，联跳本所及邻所相应断路器跳闸，快速切除故障，避免人员伤亡以及供电设备免遭损坏。它主要由框架电流元件、电压测量元件组成。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流过的故障电流。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。

当任意一个直流设备内正极对外壳短路时，接地电流通过电流测量元件流入地网，再通过钢轨与地之间的过渡电阻（或排流柜）回到钢轨（负极）。当接地电流达到整定值时，框架保护的电流元件动作; 同时电压测量元件检测负极与设备外壳间的电压值，当电压大于整定值时，电压元件在整定的时间内动作，使相应的交、直流断路器跳闸，切除故障。

4钢轨电位保护与框架保护动作时间配合及存在问题分析

4.1动作时间的配合

轨电位保护装置主要是降低轨道对地电压，保护人不受危害，当地铁运行特别在启动时，电流急剧增大，钢轨对地电位升高。当轨电位保护LOGO保护模块测出钢轨对地电位超过整定值时，轨电位动作，将钢轨与地短接，从而保护人的安全。由图1可知，轨电位保护与框架保护的电压元件测量基本上是同一个电压值，但是框架保护不应动作。目前采取的配合方式是框架保护电压元件动作时间整定值比轨电位动作时间整定值长（相同的测量电压条件下），或电压整定值比轨电位要高。当直流设备的正极对设备外壳发生短路故障时，轨电位和框架保护的电压元件均检测到一个瞬时的高电压，因为故障点靠近负极柜电压元件监测点，此时要求框架保护应先于轨电位动作，从而快速切除设备故障，保护人和设备安全运行。

4.2 框架保护存在问题分析

（1）轨道交通投入运行初期，钢轨下面有一层对地绝缘的绝缘垫，当牵引所直流设备发生框架泄漏故障时，流过电流元件中的电流很小，框架保护电流元件不动作。当电压元件检测到钢轨和地之间的电压大于整定值时，框架保护在整定的时间内动作，整流机组交、直流侧断路器跳闸。当某一个牵引变电所发生框架泄漏故障时，整条线路的钢轨对地电位都会升高。即各个牵引变电所框架保护电压元件会检测到负极与地之间较高的电压值，并同时起动框架保护。如此，其它未发生框架泄漏故障的牵引变电所框架保护可能会产生误动作，扩大了事故停电范围。当接触网对架空地线发生短路时，其动作情况与其相同。

（2）随着时间的推移，钢轨下面的绝缘垫绝缘性能降低，钢轨对地绝缘性能下降，电阻降低，回流电流会泄露，发生框架故障时框架保护电流元件能够可靠动作，并联跳本所及邻所相应的断路器。但此时钢轨与地之间的电位差值减小，当整定值过高时，框架保护的电压元件以及轨电位装置不能可靠动作。

（3）直流设备发生框架泄漏故障时，本所的直流断路中没有电流或很小的电流流过，直流快速开关不能在短时间内切除故障，即使直流断路器能快速跳闸，框架泄漏故障也未切除。只有当整流机组交流侧断路器跳闸后，才能切除框架泄漏故障。在故障切除之前，轨电位两端的电压与框架保护电压元件测量的电压相同，若轨电位不能在要求的时间内闭合，则可能导致电击伤人事件的发生。当轨电位动作后，形成了一个金属性的近端通路，通过轨电位的短接作用使框架保护电流元件中流过较大的短路电流，框架保护装置能够可靠动作，迅速切除故障。

（4）当接触网对架空地线发生短路时，轨电位的快速动作使架空地线与负极间形成了一个金属性的通路，馈线断路器及架空地线中流过较大的短路电流，可使本所馈线断路器中的大电流脱扣，保护/定时限过电流保护动作快速跳闸，切除故障。

（5）当轨电位运行多年以后，LOGO保护装置以及接触器因卡滞而使动作时间都会有所延长，当发生钢轨对地电压升高至整定值时，也有可能会出现轨电位保护未及时动作，造成框架电压动作快于轨电位保护装置，而造成本所直流断路器跳闸，扩大事故范围。

综上所述，负极柜框架电压保护与轨电位保护装置测量点相似，在实际运行过程中，容易造成框架电压误动和拒动，会扩大故障范围，影响行车。因此建议既有线框架保护取消联跳直流断路器功能，只保留报警功能，另外增加一套轨电位保护装置，一方面增加一组测量点，增加一套轨对地电压升高保护装置，当其中一套轨电位装置失效时，另外一套可以作为互为备用来使用，另外一方面避免因轨电位动作时间延长而引起框架电压保护跳闸直流断路器，影响牵引供电可靠性，采取这种方式可以有效避免因框架电压误动而造成本站牵引设备跳闸，提高地铁运营质量。