李 毅

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地鐵直流供電系統(tǒng)框架保護的應(yīng)用及故障處置

李 毅

介紹了天津地鐵框架保護的實際應(yīng)用情況，提出了框架保護故障處理及應(yīng)急處置方法，為地鐵日常維修和新線建設(shè)提供參考。

地鐵直流供電系統(tǒng)；框架保護；故障處置

0 引言

地鐵直流供電系統(tǒng)設(shè)計為不接地系統(tǒng)，為減少雜散電流對地下金屬管線的腐蝕，直流供電設(shè)備（整流器、直流開關(guān)柜、負(fù)極柜等）全部采用絕緣安裝。為保證直流供電系統(tǒng)安全運行，快速有效切除供電系統(tǒng)的各種故障，設(shè)置了多種保護功能，主要包括大電流脫扣保護、過電流保護、過負(fù)荷保護、d/d電流增量保護、逆流保護、直流框架保護等。

直流框架保護一般設(shè)置電流檢測元件和電壓檢測元件。直流設(shè)備框架通過電流元件單點接地，發(fā)生直流一次設(shè)備對框架短路故障時，短路電流通過單點接地的電流元件流入接地網(wǎng)，通過鋼軌和負(fù)極形成環(huán)路，當(dāng)電流值達(dá)到整定值時電流元件動作。若鋼軌對地電阻較大，環(huán)路電流極小，電流元件檢測值可能達(dá)不到整定值，導(dǎo)致電流元件無法可靠動作。此時電壓元件檢測設(shè)備框架對負(fù)極的電壓，當(dāng)電壓值達(dá)到整定值時，電壓元件動作。當(dāng)電流元件或電壓元件檢測達(dá)到整定值致使框架保護動作時，將導(dǎo)致本所直流系統(tǒng)全部跳閘，還可能聯(lián)跳鄰所直流斷路器，停電范圍增大，對地鐵運營造成較大影響。

1 框架保護應(yīng)用實例

1.1 天津地鐵1、2、3號線

天津地鐵1、2、3號線直流供電系統(tǒng)均采用全所設(shè)置1套直流框架保護裝置的方案，將變電所內(nèi)所有直流開關(guān)柜、整流器、負(fù)極柜全部進行對地絕緣安裝，將直流供電設(shè)備框架進行電氣連接，并設(shè)置1套直流框架保護裝置（如圖1虛線范圍）。

圖1 1套直流框架保護設(shè)置范圍

直流框架保護電流元件一端連接于絕緣安裝的設(shè)備外殼，另一端與變電所接地網(wǎng)單點連接。電壓元件一端連接于絕緣安裝的設(shè)備外殼，另一端與直流供電系統(tǒng)負(fù)極相連，用于測量設(shè)備外殼與直流供電系統(tǒng)負(fù)極之間的電壓。發(fā)生直流框架保護動作時，本所211、212交流中壓斷路器跳閘并閉鎖，故障所301、302進線斷路器，311、312、313、314饋線斷路器全部跳閘并閉鎖，聯(lián)跳鄰所相應(yīng)的直流饋線斷路器并閉鎖，閉鎖本所及鄰所自動重合閘功能，并造成末端站1個供電區(qū)間停電，其他站2個供電區(qū)間停電。

1.2 天津地鐵6號線

天津地鐵6號線直流供電系統(tǒng)采用全所設(shè)置2套直流框架保護裝置的方案，即整流器與負(fù)極柜共用1套，直流開關(guān)柜用1套（如圖2虛線范圍）。

圖2 2套直流框架保護設(shè)置范圍

當(dāng)整流器、負(fù)極柜發(fā)生框架保護動作時，只聯(lián)跳并閉鎖整流機組211、212交流中壓斷路器和301、302直流進線斷路器，將本所整流機組退出運行，不聯(lián)跳鄰所及故障所的饋線斷路器，不需要人工干預(yù)即可降級為通過故障所的直流母排實現(xiàn)的大雙邊供電，可減小對地鐵運營的影響。當(dāng)直流開關(guān)柜發(fā)生框架保護動作時，導(dǎo)致本所211、212交流中壓斷路器跳閘并閉鎖，故障所301、302進線斷路器，311、312、313、314饋線斷路器全部跳閘并閉鎖，聯(lián)跳鄰所相應(yīng)的直流饋線斷路器并閉鎖，閉鎖本所及鄰所自動重合閘功能，并造成末端站1個供電區(qū)間停電，其他站2個供電區(qū)間停電。

全所設(shè)置2套直流框架保護裝置，可更精確地定位故障范圍，在整流器與負(fù)極柜發(fā)生框架保護動作時，可縮小故障范圍。

2 框架保護動作的應(yīng)急處置

框架保護動作造成地鐵列車失去牽引電源，直接影響地鐵運營，需要遵循“先通后復(fù)”的處置原則，快速隔離并恢復(fù)區(qū)間供電。當(dāng)框架保護動作時，本所中壓斷路器、直流系統(tǒng)進線、饋線斷路器全部跳閘，聯(lián)跳鄰所相應(yīng)的直流饋線斷路器，并閉鎖直流斷路器且無法遠(yuǎn)程遙控復(fù)位，只能先切斷聯(lián)跳信號，然后復(fù)位恢復(fù)鄰所直流斷路器。

天津地鐵1、6號線可通過遙控方式將故障所上網(wǎng)隔離開關(guān)3111、3121、3131、3141分閘后切除故障所聯(lián)跳信號的發(fā)出，然后通過遙控方式復(fù)位恢復(fù)鄰所直流斷路器送電，進行單邊供電；或遙控閉合故障所聯(lián)絡(luò)隔離開關(guān)，恢復(fù)鄰所直流斷路器送電，進行大雙邊供電。

天津地鐵2、3號線無法通過遙控分?jǐn)嗌暇W(wǎng)隔離開關(guān)的方式快速切斷聯(lián)跳信號，只能于現(xiàn)場將故障所端子柜內(nèi)聯(lián)跳開關(guān)（1F16、2F16、3F16、4F16空開）手動斷開后切除聯(lián)跳信號發(fā)出，或?qū)⑧徦俗庸駜?nèi)聯(lián)跳開關(guān)（1F16、2F16、3F16、4F16空開）手動斷開后切除聯(lián)跳輸入信號，然后才能通過遙控方式復(fù)位恢復(fù)鄰所直流斷路器送電，進行單邊供電，或遙控閉合故障所聯(lián)絡(luò)隔離開關(guān)，恢復(fù)鄰所直流斷路器送電，進行大雙邊供電。因此針對2、3號線框架保護應(yīng)急恢復(fù)的流程，必須在段、場牽引變電所設(shè)置值班人員，正線每隔一個牽引變電所設(shè)置值班人員，才能保證框架保護動作應(yīng)急恢復(fù)的快速處置。

3 框架保護動作故障處理及預(yù)防措施

3.1 框架保護動作的原因分析

框架保護動作的主要原因：（1）直流系統(tǒng)正極、負(fù)極與框架發(fā)生短路故障；（2）框架多點接地，直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障或雜散電流引起電流元件動作；（3）電壓元件與軌電位限制裝置配合存在問題；（4）電流元件、電壓元件故障。

3.2 框架保護動作故障處理

直流系統(tǒng)正極、負(fù)極與框架發(fā)生短路故障時，首先在直流系統(tǒng)正極、負(fù)極分別對框架進行絕緣測試，然后在一次設(shè)備室查找故障點，故障點一般比較明顯，容易查找。

框架多點接地且整體絕緣出現(xiàn)問題時，由于外界環(huán)境變化（直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障或雜散電流）原因極易導(dǎo)致框架保護動作。處理該類故障時應(yīng)首先斷開直流設(shè)備框架單點接地點連接的電纜或螺栓，然后進行框架與接地網(wǎng)絕緣測試，若絕緣電阻接近0，可判斷框架絕緣存在問題。為縮小故障點排查范圍，可將負(fù)極柜、整流器柜、直流開關(guān)柜框架連接的電纜或螺栓斷開，分別將負(fù)極柜、整流器柜、直流開關(guān)柜框架對地進行絕緣測試。處理對地絕緣存在問題的框架時，應(yīng)優(yōu)先拆除框架對地的全部安裝螺栓，對絕緣螺栓或絕緣墊片進行清潔，對安裝孔進行清潔，使用扁釬子將絕緣板與地面縫隙之間的雜物進行清理，通過以上手段可提高框架絕緣水平。如果框架絕緣仍存在問題，只能將故障變電所解列，制定相應(yīng)方案將故障設(shè)備的框架支起或吊起，重新更換安裝絕緣板，工作量較大，對運營影響大。為避免出現(xiàn)更換絕緣板情況，應(yīng)控制前期施工質(zhì)量，在設(shè)備投運后，定期對直流設(shè)備框架進行絕緣測試，記錄測試數(shù)值，并與上一次絕緣數(shù)值進行對比，數(shù)值變化較大或數(shù)值低于1 MW時，及時安排停電檢修，恢復(fù)框架絕緣性能。

電壓元件與鋼軌電位限制裝置存在配合關(guān)系，如果配合出現(xiàn)問題，則需對鋼軌電位限制裝置的電壓繼電器和框架保護電壓元件進行校驗，更換故障元件或按照整定值進行調(diào)節(jié)，設(shè)備投運后定期對相關(guān)繼電器或元器件進行校驗。

3.3 框架保護故障預(yù)防措施

以上分析了可能引起框架保護動作的主要原因，為避免發(fā)生該類問題，制定如下預(yù)防措施：

（1）定期對框架進行絕緣測試，對安裝的絕緣螺栓或墊片、設(shè)備絕緣子進行清潔，對二次接線進行緊固。在設(shè)備投運前，檢查直流設(shè)備框架安裝螺栓是否存在過長或松動的情況，避免設(shè)備投運后發(fā)生螺栓與直流系統(tǒng)正極或負(fù)極短路，導(dǎo)致框架保護動作。設(shè)備投運后，根據(jù)環(huán)境情況定期對直流系統(tǒng)設(shè)備（整流器、直流開關(guān)柜、負(fù)極柜等）的絕緣子進行清潔，保證絕緣性能；定期對直流系統(tǒng)設(shè)備上連接的二次測試線進行重點緊固排查，防止二次線脫落引起短路故障。

（2）定期對電壓元件、電流元件、鋼軌電位限制裝置電壓繼電器、直流開關(guān)保護裝置進行校驗和保護傳動。

（3）合理布置人員點位，對變電所值班人員、搶險人員進行框架保護動作處理相關(guān)培訓(xùn)、演練，保證所有人員都能掌握框架保護動作處理技能。

4 關(guān)于框架保護的幾點建議

直流系統(tǒng)框架保護的可靠性和故障處置的快速性關(guān)系地鐵運營的安全和秩序。實際使用情況證明，設(shè)置2套直流框架保護裝置雖然投資較大，但可在整流器與負(fù)極柜框架保護動作時減小對地鐵運營的影響，有利于地鐵運營安全，建議新建線路按照2套直流框架保護裝置設(shè)計。

框架保護功能與直流設(shè)備的框架絕緣性能關(guān)系緊密。直流設(shè)備框架通過絕緣板進行對地安裝，安裝螺栓采用絕緣處理（絕緣墊片或尼龍螺栓都需定期清潔，尼龍螺栓性能更佳），施工后若出現(xiàn)框架絕緣問題整改較困難，故安裝工藝和施工質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。在施工過程中，應(yīng)對地面進行清潔，保證地面平整；直流設(shè)備框架開孔處應(yīng)平滑無毛刺，避免絕緣板安裝后發(fā)生破裂影響框架絕緣性能。對于地鐵運營方，應(yīng)提高框架絕緣的驗收標(biāo)準(zhǔn)，確保絕緣性能。

地鐵運營線路設(shè)備故障無法完全杜絕，應(yīng)急處置速度尤為重要。通過本文闡述可以看出，天津地鐵1、6號線故障恢復(fù)通過遙控分閘故障所上網(wǎng)隔離開關(guān)，切斷故障變電所聯(lián)跳信號的發(fā)出，從而恢復(fù)區(qū)間直流供電的處置方案，對于快速恢復(fù)運營秩序效果較好，建議推廣。

5 結(jié)語

本文主要對天津地鐵直流系統(tǒng)框架保護現(xiàn)狀、處理及預(yù)防措施進行了闡述，基于框架保護動作將造成地鐵直流供電中斷，對地鐵運營產(chǎn)生影響，應(yīng)通過施工把控、日常維修、測試來保障框架保護裝置正?？煽康倪\行，建議設(shè)置2套直流框架保護裝置，同時優(yōu)化遙控隔離手段。

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The paper illustrates the actual application of frame protection for Tianjin subways, puts forward the frame protection methods for handling of faults and emergency response, providing references for daily maintenance of subways and newly constructing of subways.

DC power supply system of subway; frame protection; treatment of faults

U231.8

B

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.017

1007-936X(2018)01-0072-03

2017-04-10

李 毅.天津地下鐵道運營有限公司，工程師。