Vol.30 No.11 2010.11 船电技术|应用研究
轨道交通框架保护及轨电位限制系统设计
金雪丰1 郝德清1 张文君2
(1. 中国船舶重工集团公司七一二研究所，武汉 430064； 2. 武汉理工大学机电学院，武汉 430070) 摘 要：通过分析城市轨道交通直流系统框架保护及轨电位限制的原因及动作原理，阐述直流框架保护电流保护、电压保护及钢轨电位限制装置动作配合关系及实现方法。 关键词：直流框架保护 钢轨电位限制装置
中图分类号: TM866 文献标识码：A 文章编号：1003-4862（2010）11-00-03
The System Design for Urban Trait Frame
Leakage Protection and OVPD
Jin Xuefeng1, HaoDeqing1, ZhangWenjun2
(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, CSIC, Wuhan 430064, China;
2. Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China )
Abstract: This paper analyzes the causes and the operating principle of the frame leakage protection and rail over—voltage protection of the DC rail transit system. It introduces an optimum design scheme for the voltage and current protection of the frame leakage and rail over—voltage protection of DC traction power supply system in urban trait engineering．
Key words: frame protection; rail over—voltage protection device
1 引言
城市轨道牵引供电系统采用直流供电方式，实际运行过程经常发生由于钢轨电位升高导致直流框架保护动作，从而导致大面积停电的事故，如1999年6月广州地铁1号线由于钢轨电位升高，直流框架保护动作，引起本所6个直流开关柜和进线2个35 kV整流变柜跳闸，同时分别联跳相邻两个变电所向故障所方向供电的各2个直流开关，导致接触网大面积停电；2005年1月3号，深圳地铁才开通几天，同样由于框架保护动作，导致深圳地铁4号线全线瘫痪近4个小时。因此，通过分析引起框架保护动作原因，动作原理，设计动作配合合适的框架保护和钢轨电位限制系统尤为重要。
收稿日期：2010-04-20 作者简介：金雪丰，男，工程师，研究方向：开关电器设计、系统成套。 2 保护原理
2.1 框架保护原理
框架保护有电压和电流二种方式，电流型框架保护主要检测开关柜外壳对系统地的电流；电压型框架保护检测的是设备外壳对直流设备负极之间的电压，由于小电阻可以忽略不计。设备外壳可认为直接接地，钢轨是和直流设备负母排相连的，所以电压型检测的电压相当于钢轨和地之间的电压。 2.2 轨电位限制原理
钢轨电位限制装置一端接钢轨，一端接变电所接地网，检测的是钢轨和地之间的电压。
当供电分区没有车辆行驶时，或牵引直流系统运行正常情况下，钢轨对地电位为零；当供电分区有车辆行驶或接触网发生短路故障时，由于钢轨对地泄漏电阻的存在，钢轨电位快速升高，为了保护在钢轨上行走的人身安全，当钢轨电位达到一定值时，钢轨电位限制装置迅速动作，将
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钢轨与接地网短接，从而降低了钢轨电位，保护在钢轨上行走的人的安全。
3 系统设计
3.1 框架保护系统构成
框架保护装置设置在负极柜内，由电流保护
和电压保护二部分组成，电压保护可本地投入/切除，并可通过PLC程序修改报警和跳闸整定值。框架保护动作跳闸后，系统会闭锁被跳开的断路器的合闸，只有当故障消失后，当地复归框架保护后，断路器才能合闸。本保护逻辑关系如下：
图1 框架负地保护系统方案
(1)直流系统正常运行情况下，设备绝缘良好，电流型框架保护电流回路电流为零，装置不动作。
(2)当直流设备绝缘发生变化，设备对柜体外
壳放电或短路时，一般电流回路电流达到保护继电器（本方案选用MAS-2过电流继电器）整定值（一般设定为80 A），电流型框架保护动作，向交、直流开关发出跳闸命令，本所直流柜和整流变柜同时跳闸，并联跳牵引变电所向本区段双边供电左右线开关。
(3)由于直流设备和钢轨都是采用绝缘法安装，其作用是减少杂散电流的泄漏途径，减少杂散电流对钢轨、钢筋等金属体的电化学腐蚀，钢轨对地的绝缘电阻是随着绝缘材料的性能变化的，所以电流型框架保护的电流回路的电阻是不确定的，当电阻很大时，可能会造成电流回路检测值达不到整定值的要求，从而设备会发生绝缘下降而电流型框架保护不动作的情况，所以电压2
型框架保护就是为了弥补这个缺陷，当电压型框架保护装置检测到设备外壳对负极电压超过整定值时，一般大于95 V时发出报警信号，大于150 V时向交直流开关发出跳闸命令，联跳本所和相邻2个牵引变电所的开关。 3.2 轨电位限制装置设计
钢轨电位限制装置由复合开关（常闭的MS接触器及反向并联晶闸管）、监控单元、信号接口端子、保护装置、防凝露加热器、状态显示设备及金属氧化锌避雷器等组成。
主要功能如下：
（1）由直流接触器与高性能的反向并联晶闸管并联的复合开关能保证接地系统中正极性和负极性过电压下都能提供有效保护。接触器的整个合闸时间小于100 ms。
（2）当钢轨电位限制装置通过电压变送器检测到的钢轨与保护地之间的电压差小于电压元件的整定动作值时，钢轨电位限制装置处于断开状态。
（3）当钢轨电位限制装置检测到钢轨与保护地之间的电压差大于装置一段动作电压时，经过一段可调整的延时后，接触器合闸将钢轨与大地有效短接，经一定时间恢复开断，同时确保较低的快速瞬变电压值不会引起接触器的频繁动作。合闸后到恢复开断前的时间间隔可用时间继电器进行调整，调整范围为0?120 s。当连续动作3次后，短路装置将不再恢复开断，而处在恒定合闸状态。装置的一段动作电压可在DC40 V?DC200 V范围内调节（本方案动作电压设置为大于90 V时，钢轨电位限制装置延时800 ms动作）。
（3）当钢轨电位限制装置检测到钢轨与保护地之间的电压差大于150 V（二段动作电压，动作值可调）时，接触器将无延时地永久合闸，不再恢复开断。接触器的合闸时间小于100 ms。
（4）当钢轨电位限制装置检测到钢轨与保护地之间的电压差大于600 V（三段动作电压，动作值可调）时，复合开关将通过晶闸管元件加速合闸，晶闸管回路首先在0.2 ms内导通，使钢轨与地连接，直流接触器也将无延时合闸。晶闸管电路在直流接触器合闸后将被复位。
在检测到过电压和接触器在合闸位置后，监
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2AKKA2馈线电流S7200馈线25142+AU+1电流-26U-U+U-3M1322馈线232000+U+1电压B-24U-U+U-9999M2图2 钢轨电位限制装置方案设计
图3 晶闸管组件放电波形
控装置（S7200）将自动在事先设定的延时期限后断开接触器，以减少杂散电流对土建结构的影响。如果过电压继续存在，监控装置会立即检测到并且接触器将重新合闸。
（5）监控单元通过电流变送器监视流过钢轨电位限制装置的电流，当接触器合闸时，监控单元能保证流经接触器的电流降低到其预先设定的安全值之前，接触器不会重新分闸。预先设定的安全值同时保证接触器仅能在其开断容量容量范围内分闸。当检测到超过最大限制电流时锁定接触器，同时发出牵引系统跳闸命令（用户根据实际情况确定是否连接）。
（6）控制电源失电时，直流接触器自动强制将走行轨与大地短接以确保人员和设备的安全。
钢轨电位限制装置检测到轨电位异常、接触器故障和晶闸管故障，发出报警信号。
（7）报警信号的显示及联锁输出须经本地复
归后才会消失。 3.3 保护配合关系
电压型框架保护与钢轨电位限制装置两者都是检测钢轨电位对地电压，不同的是电压型框架保护的作用是保护直流设备安全，动作于跳闸，
切除直流绝缘泄漏或短路故障；钢轨电位限制装置的作用是降低钢轨对地电压，保护线路上行走的人的人身安全，不动作跳闸，牵引直流系统不受影响，列车正常运行。
由于电压型框架保护整定时间大于钢轨电位限制装置，正常情况下当发生钢轨电位升高时，应有钢轨电位限制装置首先动作，使钢轨与地连通，保证线路上人身安全，当钢轨电位限制装置
拒动时，电压型框架保护动作于跳闸，本系统具体参数如下：当负极电位大于95 V时电压型框架保护延时1500 ms发出报警信号；当负极电位大于150 V时电压型框架保护将延时900 ms发出跳闸信号。
4 总结
通过调整轨电位限制和框架保护时间配合关系，就可以有效避免电压型框架保护误动作情况的发生，一方面可以有效减少由于框架保护误动
作造成的大面积接触网停电，影响行车。另一方面可以有效保护直流设备安全和线路上人的生命安全。
该套系统已在武汉轨道直流供电系统应用，运行情况良好。
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