王小峰

地鐵直流框架泄漏保護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王小峰

通過(guò)對(duì)一套框架泄漏保護(hù)方案的分析，提出設(shè)置2套、3套框架泄漏保護(hù)的優(yōu)化方案，該方案縮小了框架泄漏保護(hù)故障影響的范圍，故障定位與查找更加迅速、準(zhǔn)確，供電恢復(fù)快，提高了直流供電系統(tǒng)的可靠性和靈活性，減輕了運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)和壓力。

地鐵；框架泄漏保護(hù)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

為了防止雜散電流對(duì)結(jié)構(gòu)和設(shè)備的腐蝕，牽引變電所直流設(shè)備均采用絕緣安裝，直流設(shè)備設(shè)置專(zhuān)門(mén)的框架泄漏保護(hù)裝置，避免直流設(shè)備正極對(duì)設(shè)備外殼發(fā)生泄漏時(shí)由初期泄漏電流（小電流）發(fā)展為正極通過(guò)外殼對(duì)負(fù)極間的短路事故，從而起到保護(hù)直流設(shè)備和人身安全的作用。但是，一旦直流框架泄漏保護(hù)裝置動(dòng)作，將引起多處直流斷路器跳閘，造成接觸網(wǎng)大范圍停電，影響列車(chē)的正常運(yùn)行，不但增加了運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)和壓力，而且給廣大市民的出行造成不便。本著迅速查找故障，快速恢復(fù)供電，減少停電范圍的目的，本文結(jié)合近年來(lái)地鐵的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)目前工程中設(shè)置1套框架泄漏保護(hù)方案的分析，提出了設(shè)置2套或3套直流框架泄漏保護(hù)的優(yōu)化方案。

1 設(shè)置框架泄漏保護(hù)的必要性

牽引變電所直流設(shè)備均采用絕緣安裝，當(dāng)直流設(shè)備正極對(duì)外殼發(fā)生泄漏時(shí)，一般初期電流都不大，但如不及時(shí)清除，容易將故障擴(kuò)大為正極通過(guò)外殼對(duì)負(fù)極間的短路事故，短路電流可能由最初的幾十安培上升至幾萬(wàn)安培，對(duì)直流設(shè)備將造成嚴(yán)重危害。因此，需要專(zhuān)門(mén)設(shè)置具有高靈敏度的框架泄漏保護(hù)來(lái)檢測(cè)并快速清除這種泄漏故障。直流牽引供電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 直流牽引供電系統(tǒng)示意圖

2 框架泄漏保護(hù)的一般設(shè)置方案

框架泄漏保護(hù)方案是將牽引變電所內(nèi)的所有直流設(shè)備對(duì)地絕緣安裝，框架通過(guò)電纜連接后設(shè)置一套框架泄漏保護(hù)裝置（即：1個(gè)電流檢測(cè)元件+1個(gè)電壓檢測(cè)元件）。其接線(xiàn)如圖2所示。

圖2 1套框架泄漏保護(hù)設(shè)置方案示意圖

保護(hù)裝置中檢測(cè)元件的功能如下：

（1）電壓檢測(cè)元件。該元件接于直流負(fù)極和設(shè)備外殼之間，測(cè)量設(shè)備外殼與直流設(shè)備負(fù)極之間的電壓。電壓Ⅰ段用于報(bào)警（通常整定值設(shè)為U＞110 V，t = 1.5 s），Ⅱ段用于跳閘（通常整定值設(shè)為U＞170 V，t = 0.5 s）。當(dāng)直流設(shè)備內(nèi)正極對(duì)外殼短路時(shí)，電壓檢測(cè)元件檢測(cè)到的電壓值大于電壓元件整定值時(shí)，電壓檢測(cè)元件應(yīng)在整定的時(shí)間內(nèi)報(bào)警或動(dòng)作（僅本牽引變電所內(nèi)的整流機(jī)組中壓斷路器和所有直流斷路器跳閘）。電壓檢測(cè)元件作為電流檢測(cè)元件的后備，當(dāng)鋼軌對(duì)地的絕緣性好，絕緣泄漏電阻大，不利于電流檢測(cè)元件檢測(cè)到電流時(shí)，電壓元件可以檢測(cè)到異常的電壓，從而報(bào)警或動(dòng)作。

（2）電流檢測(cè)元件。絕緣安裝的直流開(kāi)關(guān)柜外殼通過(guò)一個(gè)能承受100 kA短路電流，電阻為0.15 mΩ的分流器與變電所接地網(wǎng)單點(diǎn)相連，即作為電流檢測(cè)回路的分流器一端接設(shè)備外殼，另一端接地。當(dāng)直流設(shè)備內(nèi)正極對(duì)外殼短路時(shí)，流過(guò)電流檢測(cè)元件的接地電流達(dá)到整定值時(shí)（通常整定值設(shè)為I≥80 A），框架泄漏保護(hù)裝置的電流檢測(cè)元件動(dòng)作。使本牽引變電所內(nèi)的整流機(jī)組交流中壓斷路器及所有直流斷路器跳閘，聯(lián)跳相鄰牽引變電所向同一供電區(qū)段供電的直流饋線(xiàn)斷路器并閉鎖斷路器合閘。此時(shí)必須及時(shí)進(jìn)行倒閘作業(yè)，通過(guò)接觸網(wǎng)越區(qū)隔離開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)越區(qū)供電。故障排除后，須人工復(fù)歸框架泄漏保護(hù)裝置，斷路器才能重新投入。

以牽引變電所B為例：當(dāng)本牽引變電所發(fā)生框架泄漏故障，故障電流I1達(dá)到整定值時(shí)，保護(hù)裝置發(fā)出跳閘命令，跳開(kāi)本所所有直流斷路器（201、202、211、213、212、214），同時(shí)聯(lián)跳本所交流中壓斷路器（121、123）和牽引變電所A的直流饋線(xiàn)斷路器（213、214）及牽引變電所C的直流饋線(xiàn)斷路器（211、212），并閉鎖斷路器合閘。該方案造成牽引變電所B的左、右供電臂的接觸網(wǎng)停電，倒閘操作恢復(fù)送電時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)運(yùn)營(yíng)影響較大。

3 框架泄漏保護(hù)裝置的優(yōu)化

據(jù)統(tǒng)計(jì)，整流器是直流設(shè)備中故障率相對(duì)較高的設(shè)備。為了縮小整流器框架故障的跳閘范圍，盡量不影響列車(chē)運(yùn)行，可以為整流器單獨(dú)設(shè)置1套框架泄漏保護(hù)裝置。為此，提出2種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，即設(shè)2套框架泄漏保護(hù)裝置或3套框架泄漏保護(hù)裝置。

3.1 設(shè)2套框架泄漏保護(hù)裝置

該方案兩面整流器和負(fù)極柜合設(shè)1套框架泄漏保護(hù)裝置，直流進(jìn)線(xiàn)柜和饋線(xiàn)柜單獨(dú)設(shè)1套框架泄漏保護(hù)裝置。其接線(xiàn)如圖3所示。

圖3 2套框架泄漏保護(hù)設(shè)置方案示意圖

當(dāng)整流器發(fā)生框架泄漏故障時(shí)，本牽引變電所內(nèi)僅整流機(jī)組交流中壓斷路器和直流進(jìn)線(xiàn)斷路器跳閘，直流饋線(xiàn)斷路器不跳閘。可以通過(guò)本牽引變電所的直流母線(xiàn)實(shí)現(xiàn)大雙邊供電，接觸網(wǎng)不停電，不影響列車(chē)正常運(yùn)行。當(dāng)直流開(kāi)關(guān)柜發(fā)生框架泄漏故障時(shí)，除本牽引變電所交流中壓斷路器及所有直流斷路器跳閘外，同時(shí)聯(lián)跳相鄰牽引變電所對(duì)應(yīng)的直流饋線(xiàn)斷路器并閉鎖合閘。此時(shí)故障牽引變電所解列，須通過(guò)越區(qū)隔離開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)大雙邊供電，故障排除以后，須人工復(fù)歸框架泄漏保護(hù)裝置，斷路器才能重新投入。

以牽引變電所B為例：當(dāng)本牽引變電所整流器（Rt1或Rt2）發(fā)生框架泄漏故障，故障電流I1達(dá)到整定值時(shí)，保護(hù)裝置發(fā)出跳閘命令，跳開(kāi)本所直流進(jìn)線(xiàn)斷路器（201、202），僅同時(shí)聯(lián)跳本所交流中壓斷路器（121、123）。當(dāng)直流開(kāi)關(guān)柜發(fā)生框架泄漏時(shí)，故障電流I2達(dá)到整定值時(shí)，保護(hù)裝置發(fā)出跳閘命令，跳開(kāi)本所所有直流斷路器（201、202、211、213、212、214），同時(shí)聯(lián)跳本所交流中壓斷路器（121、123）和牽引變電所A的直流饋線(xiàn)斷路器（213、214）及牽引變電所C的直流饋線(xiàn)斷路器（211、212），并閉鎖斷路器合閘。該方案可以區(qū)分整流器框架故障，從而縮小故障停電范圍。

3.2 設(shè)3套框架泄漏保護(hù)裝置

該方案為每面整流器分別設(shè)置1套框架泄漏保護(hù)裝置，直流開(kāi)關(guān)柜與負(fù)極柜共用1套框架泄漏保護(hù)裝置。其接線(xiàn)如圖4所示。

圖4 3套框架泄漏保護(hù)設(shè)置方案示意圖

當(dāng)單臺(tái)整流器發(fā)生框架泄漏故障時(shí)，相應(yīng)的整流機(jī)組交流中壓斷路器和直流進(jìn)線(xiàn)斷路器跳閘，根據(jù)運(yùn)營(yíng)需求，可采用1套整流機(jī)組運(yùn)行，也可使2套整流機(jī)組均退出運(yùn)行，通過(guò)故障牽引變電所的直流母線(xiàn)實(shí)現(xiàn)大雙邊供電，不影響列車(chē)正常運(yùn)行。當(dāng)直流開(kāi)關(guān)柜發(fā)生框架泄漏故障時(shí)，其故障和操作模式與設(shè)置2套框架泄漏保護(hù)裝置的方案相同。

實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了解決整流器和負(fù)極柜分開(kāi)布置導(dǎo)致設(shè)備房的長(zhǎng)度增加的問(wèn)題，可以在設(shè)備之間固定聚碳酸酯板，以達(dá)到框架相互隔離的效果。其接線(xiàn)和設(shè)備布置方案如圖5所示。

圖5 3套框架泄漏保護(hù)設(shè)置優(yōu)化方案示意圖

以牽引變電所B為例：當(dāng)本牽引變電所整流器Rt1（Rt2）發(fā)生框架泄漏故障，故障電流I2（I3）達(dá)到整定值時(shí)，保護(hù)裝置發(fā)出跳閘命令，可僅聯(lián)跳本套整流器Rt1（Rt2）的直流進(jìn)線(xiàn)斷路器201（202）和交流中壓斷路器121（123），允許另1臺(tái)整流機(jī)組正常運(yùn)行。當(dāng)直流開(kāi)關(guān)柜發(fā)生框架泄漏故障時(shí)，故障電流I1達(dá)到整定值時(shí)，保護(hù)裝置發(fā)出跳閘命令，跳開(kāi)本所所有直流斷路器（201、202、211、213、212、214），同時(shí)聯(lián)跳本所交流中壓斷路器（121、123）和牽引變電所A的直流饋線(xiàn)斷路器（213、214）及牽引變電所C的直流饋線(xiàn)斷路器（211、212），并閉鎖斷路器合閘。該方案可以區(qū)分每套整流器的框架故障，縮小了故障停電范圍，故障定位和查找范圍也更加準(zhǔn)確。

3.3 3種保護(hù)方案的對(duì)比分析

上述3種保護(hù)方案分析對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 3種保護(hù)方案的對(duì)比分析表

4 結(jié)論

綜上可見(jiàn)：1套框架泄漏保護(hù)方案的故障影響范圍最大，故障查找及恢復(fù)供電所需的時(shí)間最長(zhǎng)，對(duì)列車(chē)運(yùn)行造成的影響也最大；設(shè)置2套和設(shè)置3套框架泄漏保護(hù)方案在縮小接觸網(wǎng)停電范圍及恢復(fù)供電方面的效果相差無(wú)幾，只是設(shè)置3套框架泄漏保護(hù)方案在故障定位與查找方面更迅速、準(zhǔn)確，從而確保直流系統(tǒng)持續(xù)供電，使系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠、靈活，同時(shí)減輕了運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)和壓力。

On basis of analyzing a scheme for a set of frame leakage protection, it proposes an optimum design scheme for leakage protection of 2 sets and 3 sets of frames, which narrows scope of influence caused by frame leakage protection failures, enables prompt and accurate fault location and trouble shooting, fast power supply recovery, heightens reliability and flexibility of DC power supply system, lessens operation risks and pressure.

Subway; frame leakage protection; optimum design

U231.8

B

1007-936X(2015)02-0031-04

王小峰.上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，工程師，電話(huà)：18602193695。