地铁直流牵引供电系统框架泄漏保护的优化设计摘 要 介绍了地铁直流牵引供电系统框架泄漏保护的优化设计方案。通过对牵引变电所整流器独立设置一套框架泄漏保护装置,可以缩小整流器故障时框架泄漏保护动作的影响范围,提高直流牵引供电系统运行的可靠性和灵活性。关键词 地铁;直流牵引供电;框架泄漏保护;优化设计 地铁直流牵引供电系统是列车的动力之源,其安全可靠运行是地铁运营关注的重点。在确定直流牵引供电系统方案时,应综合分析系统的灵活性和可靠性。一方面应考虑地铁列车高密度运行的外部条件;另一方面应考虑当直流供电系统发生故障时,能迅速切除故障点,同时通过相邻牵引变电所及时恢复对地铁列车的供电。本文以南京地铁2号线工程为例,在直流牵引供电系统的保护设置中,提出了在整流器柜和直流开关柜分别设置框架泄漏保护的创新方案。该方案可大大缩小整流器柜故障框架泄漏保护动作的影响范围,提高了直流供电系统的可靠性。1 框架泄漏保护的作用 南京地铁供电系统采用交流110/35 kV两级电压、集中供电方式,直流系统采用1 500 V架空接触网供电;牵引变电所两套整流机组挂接于同一段35kV母线上,直流开关柜进线开关和馈线开关均采用直流快速断路器。直流牵引供电系统接线方案见图1。
牵引变电所内的直流供电设备采用绝缘安装,主要包括1 500 V直流开关柜、整流器柜、负极柜等。当直流设备内的1 500 V正极对设备外壳发生泄漏时,如不及时切除,容易将故障扩大为1 500 V正极通过设备外壳对负极间的短路事故。而直流系统的短路电流非常大,正、负极短路时的短路电流可达几万A,对直流设备将造成严重危害。框架泄漏保护是专门针对直流供电设备对正极与柜体发生故障时的保护措施。其保护原理是当正极对柜体外壳发生绝缘损坏时,能及时切除故障,保证系统的安全运行。 一般情况下,框架泄漏保护动作后,将使本牵引变电所直流断路器及相邻牵引变电所向相同供电区段供电的馈线断路器跳闸,并闭锁合闸。此时,为了恢复地铁列车的供电,应及时退出本牵引变电所直流设备,复归框架泄漏保护动作信号,通过接触网越区隔离开关合闸,实现相邻牵引变电所对故障变电所供电区域接触网的供电。因此,框架泄漏保护动作会造成大面积的牵引网停电,且隔离故障恢复送电时间长,对地铁运营影响大。2 框架泄漏保护的一般设置方案2. 1 设置原理 框架泄漏保护装置由电流元件和电压元件组成。电流元件可检测直流设备由外壳至接地网的故障泄漏电流;电压元件测量直流设备外壳与直流设备负极之间的电压,一端接直流设备外壳,另一端接直流系统负极。电压元件检测到的电压等价于钢轨和地之间的电压。运行过程中,通过判断检测到的故障电流和电压,实现保护跳闸切除故障。一般来说,牵引变电所的直流开关柜成排布置,负极柜与整流器柜组合另行成排布置,分别绝缘安装;并采用连接电缆将两组直流设备的外壳保护接地连接成一个整体,通过负极柜的电流元件与牵引变电所接地网单点相连。其电流检测元件和电压检测元件的接线如图2所示。南京地铁1号线以及国内其它地铁直流框架泄漏保护基本都采用这种设计方案。2. 2 运行方式 直流系统在正常运行时,电流检测回路没有电流通过。当牵引变电所任意直流设备内正极对外壳短路时,接地电流通过电流元件流入接地网,再通过钢轨与地之间的绝缘泄漏电阻(或排流柜)回到钢轨(负极)。当直流设备内正极对外壳短路时,地电位升高,电压元件会在钢轨和地之间检测到一个电压。当这个电压大于电压元件整定值时,电压元件应在整定的时间动作。当接地电流达到整定值时,框架泄漏保护的电流元件动作,使整流机组的交流35 kV进线断路器及本牵引变电所的所有直流断路器跳闸,并联跳相邻牵引变电所向相同区段供电的直流馈线断路器。故障排除以后,必须人工复归框架泄漏保护,所有交流和直流断路器才能重新投入,恢复系统供电。 框架泄漏保护的电压元件由两段组成,Ⅰ段报警,Ⅱ段跳闸。框架泄漏保护装置的电压元件根据EN50122—1:12.97标准中的人体耐受电压-时间特性曲线进行整定。当牵引变电所设置钢轨电位限制装置时, 框架泄漏保护的电压元件动作时间必须延长。2. 3 故障影响范围 当牵引变电所任意直流设备内正极对外壳短路时,框架泄漏保护装置无论是电流元件还是电压元件动作,不但本牵引变电所解列退出运行,同时将导致相邻牵引变电所的馈线断路器跳闸停电并闭锁断路器合闸。此时,必须及时进行倒闸作业,通过接触网越区隔离开关实现越区供电,将故障牵引变电所隔离。框架泄漏保护动作将直接导致大面积停电,且恢复送电的时间过程长,对列车运营造成极大的影响。3 框架泄漏保护优化设置方案3. 1 设置原理 一般情况下,整流器是在牵引变电所直流设备中相对比较容易出现故障的设备,其故障大部分都会启动框架泄漏保护动作,造成接触网大面积停电,影响地铁运营。 南京地铁2号线牵引变电所1 500 V直流母线采用单母线接线,整流器与直流1 500 V母线正极之间的开关选用直流快速断路器,因此可通过直流进线断路器将整流器故障隔离。根据这一特点,可以为整流器独立设置一套框架泄漏保护装置。当发生整流器故障时,只需切断直流进线断路器和整流机组交流35 kV进线断路器,就不会造成直流馈线断路器跳闸和接触网的停电,可缩小事故范围,提高供电的可靠性和灵活性。 由于在框架泄漏保护装置中,电压元件测量的是外壳(地)与负极的电压,因此整流器和直流开关柜可以共用一套,并统一设置在负极柜内。3. 2 安装形式 框架泄漏保护装置的两套电流元件、一套电压元件都安装在负极柜内。其元件设置及电缆联系如图3所示。 整流器和负极柜绝缘安装。其框架保护接地铜排经过电流元件单点接地,与牵引变电所接地铜排的连接采用1×150 mm2的接地电缆。 直流开关柜也需绝缘安装。其框架保护接地铜排先用1×150 mm2接地电缆连接到负极柜内的电流元件后,再单点接地,与变电所接地铜排的连接采用1×150 mm2的接地电缆。在负极柜内的保护接地铜排与负极间设置框架泄漏保护电压元件。3. 3 故障动作分析3. 3. 1 整流器发生框架泄漏故障 整流器发生故障一般都会启动框架泄漏保护装置的电流元件动作。在优化设计方案中,整流机组35 kV交流进线断路器和直流断路器跳闸,但直流馈线断路器不跳闸,自然形成故障牵引变电所的直流母线越区供电,使接触网不会停电,列车正常运行。3. 3. 2 直流开关柜发生框架泄漏故障 直路开关柜发生框架泄漏故障时,电流元件动作。在优化设计方案中,整流机组35 kV交流进线断路器以及本牵引变电所所有直流断路器全部跳闸闭锁,同时联跳并闭锁相邻牵引变电所对应向本区段供电的直流馈线断路器。此时,故障牵引变电所解列,通过接触网越区隔离开关实现大双边供电,需要当地排除故障并复归电流元件,才能恢复故障牵引变电所向接触网供电。3. 3. 3 框架泄漏保护电压元件动作 牵引变电所内设置钢轨电位限制装置。当钢轨对地电位超过设定值,钢轨电位限制装置将合闸,将钢轨电位钳制下来。框架泄漏保护电压元件的测量电压与钢轨电位限制装置的测量电压相同。此时电压元件仅作为钢轨电位限制装置的后备保护,其保护的对象是设备,而钢轨电位限制装置保护的对象是人。 当钢轨电位限制装置拒动后,负极与地的电位将继续升高,框架泄漏保护电压元件首先发出报警。当超过一定时限和电压值时,电压元件将发出跳闸信号,将整流机组的35 kV交流进线断路器和本牵引变电所所有直流断路器全部跳闸(但不闭锁),同时联跳相邻牵引变电所对应向本区段供电的直流馈线断路器。4 结语 框架泄漏保护的设置一直是地铁直流牵引供电系统的一个重点和难点。这是因为框架泄漏保护动作后影响范围大,停电面积广,恢复时间长,对列车运行造成的影响大。根据国内地铁直流牵引供电系统运行情况,在直流设备中,因整流器发生故障导致框架泄漏保护动作的情况较为普遍。因此,通过对框架泄漏保护的优化设置,可以隔离整流器故障导致框架泄漏保护动作的影响范围,保证了直流系统运行的可靠性和灵活性。参考文献[1]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版社,2004.[2]朱德敏,王纯伟,赵明.框架泄漏保护装置的应用与分析[J].电气化铁道, 2004(3): 34.[3]丘玉蓉,田胜利.地铁直流1 500 V开关柜框架泄漏保护探讨[J].电力系统自动化, 2001, 25(14): 64.[4]何宗华.城市轨道交通工程设计指南[M].北京:中国建筑工业出版社, 1993.
牵引变电所内的直流供电设备采用绝缘安装,主要包括1 500 V直流开关柜、整流器柜、负极柜等。当直流设备内的1 500 V正极对设备外壳发生泄漏时,如不及时切除,容易将故障扩大为1 500 V正极通过设备外壳对负极间的短路事故。而直流系统的短路电流非常大,正、负极短路时的短路电流可达几万A,对直流设备将造成严重危害。框架泄漏保护是专门针对直流供电设备对正极与柜体发生故障时的保护措施。其保护原理是当正极对柜体外壳发生绝缘损坏时,能及时切除故障,保证系统的安全运行。 一般情况下,框架泄漏保护动作后,将使本牵引变电所直流断路器及相邻牵引变电所向相同供电区段供电的馈线断路器跳闸,并闭锁合闸。此时,为了恢复地铁列车的供电,应及时退出本牵引变电所直流设备,复归框架泄漏保护动作信号,通过接触网越区隔离开关合闸,实现相邻牵引变电所对故障变电所供电区域接触网的供电。因此,框架泄漏保护动作会造成大面积的牵引网停电,且隔离故障恢复送电时间长,对地铁运营影响大。2 框架泄漏保护的一般设置方案2. 1 设置原理 框架泄漏保护装置由电流元件和电压元件组成。电流元件可检测直流设备由外壳至接地网的故障泄漏电流;电压元件测量直流设备外壳与直流设备负极之间的电压,一端接直流设备外壳,另一端接直流系统负极。电压元件检测到的电压等价于钢轨和地之间的电压。运行过程中,通过判断检测到的故障电流和电压,实现保护跳闸切除故障。一般来说,牵引变电所的直流开关柜成排布置,负极柜与整流器柜组合另行成排布置,分别绝缘安装;并采用连接电缆将两组直流设备的外壳保护接地连接成一个整体,通过负极柜的电流元件与牵引变电所接地网单点相连。其电流检测元件和电压检测元件的接线如图2所示。南京地铁1号线以及国内其它地铁直流框架泄漏保护基本都采用这种设计方案。2. 2 运行方式 直流系统在正常运行时,电流检测回路没有电流通过。当牵引变电所任意直流设备内正极对外壳短路时,接地电流通过电流元件流入接地网,再通过钢轨与地之间的绝缘泄漏电阻(或排流柜)回到钢轨(负极)。当直流设备内正极对外壳短路时,地电位升高,电压元件会在钢轨和地之间检测到一个电压。当这个电压大于电压元件整定值时,电压元件应在整定的时间动作。当接地电流达到整定值时,框架泄漏保护的电流元件动作,使整流机组的交流35 kV进线断路器及本牵引变电所的所有直流断路器跳闸,并联跳相邻牵引变电所向相同区段供电的直流馈线断路器。故障排除以后,必须人工复归框架泄漏保护,所有交流和直流断路器才能重新投入,恢复系统供电。 框架泄漏保护的电压元件由两段组成,Ⅰ段报警,Ⅱ段跳闸。框架泄漏保护装置的电压元件根据EN50122—1:12.97标准中的人体耐受电压-时间特性曲线进行整定。当牵引变电所设置钢轨电位限制装置时, 框架泄漏保护的电压元件动作时间必须延长。2. 3 故障影响范围 当牵引变电所任意直流设备内正极对外壳短路时,框架泄漏保护装置无论是电流元件还是电压元件动作,不但本牵引变电所解列退出运行,同时将导致相邻牵引变电所的馈线断路器跳闸停电并闭锁断路器合闸。此时,必须及时进行倒闸作业,通过接触网越区隔离开关实现越区供电,将故障牵引变电所隔离。框架泄漏保护动作将直接导致大面积停电,且恢复送电的时间过程长,对列车运营造成极大的影响。3 框架泄漏保护优化设置方案3. 1 设置原理 一般情况下,整流器是在牵引变电所直流设备中相对比较容易出现故障的设备,其故障大部分都会启动框架泄漏保护动作,造成接触网大面积停电,影响地铁运营。 南京地铁2号线牵引变电所1 500 V直流母线采用单母线接线,整流器与直流1 500 V母线正极之间的开关选用直流快速断路器,因此可通过直流进线断路器将整流器故障隔离。根据这一特点,可以为整流器独立设置一套框架泄漏保护装置。当发生整流器故障时,只需切断直流进线断路器和整流机组交流35 kV进线断路器,就不会造成直流馈线断路器跳闸和接触网的停电,可缩小事故范围,提高供电的可靠性和灵活性。 由于在框架泄漏保护装置中,电压元件测量的是外壳(地)与负极的电压,因此整流器和直流开关柜可以共用一套,并统一设置在负极柜内。3. 2 安装形式 框架泄漏保护装置的两套电流元件、一套电压元件都安装在负极柜内。其元件设置及电缆联系如图3所示。 整流器和负极柜绝缘安装。其框架保护接地铜排经过电流元件单点接地,与牵引变电所接地铜排的连接采用1×150 mm2的接地电缆。 直流开关柜也需绝缘安装。其框架保护接地铜排先用1×150 mm2接地电缆连接到负极柜内的电流元件后,再单点接地,与变电所接地铜排的连接采用1×150 mm2的接地电缆。在负极柜内的保护接地铜排与负极间设置框架泄漏保护电压元件。3. 3 故障动作分析3. 3. 1 整流器发生框架泄漏故障 整流器发生故障一般都会启动框架泄漏保护装置的电流元件动作。在优化设计方案中,整流机组35 kV交流进线断路器和直流断路器跳闸,但直流馈线断路器不跳闸,自然形成故障牵引变电所的直流母线越区供电,使接触网不会停电,列车正常运行。3. 3. 2 直流开关柜发生框架泄漏故障 直路开关柜发生框架泄漏故障时,电流元件动作。在优化设计方案中,整流机组35 kV交流进线断路器以及本牵引变电所所有直流断路器全部跳闸闭锁,同时联跳并闭锁相邻牵引变电所对应向本区段供电的直流馈线断路器。此时,故障牵引变电所解列,通过接触网越区隔离开关实现大双边供电,需要当地排除故障并复归电流元件,才能恢复故障牵引变电所向接触网供电。3. 3. 3 框架泄漏保护电压元件动作 牵引变电所内设置钢轨电位限制装置。当钢轨对地电位超过设定值,钢轨电位限制装置将合闸,将钢轨电位钳制下来。框架泄漏保护电压元件的测量电压与钢轨电位限制装置的测量电压相同。此时电压元件仅作为钢轨电位限制装置的后备保护,其保护的对象是设备,而钢轨电位限制装置保护的对象是人。 当钢轨电位限制装置拒动后,负极与地的电位将继续升高,框架泄漏保护电压元件首先发出报警。当超过一定时限和电压值时,电压元件将发出跳闸信号,将整流机组的35 kV交流进线断路器和本牵引变电所所有直流断路器全部跳闸(但不闭锁),同时联跳相邻牵引变电所对应向本区段供电的直流馈线断路器。4 结语 框架泄漏保护的设置一直是地铁直流牵引供电系统的一个重点和难点。这是因为框架泄漏保护动作后影响范围大,停电面积广,恢复时间长,对列车运行造成的影响大。根据国内地铁直流牵引供电系统运行情况,在直流设备中,因整流器发生故障导致框架泄漏保护动作的情况较为普遍。因此,通过对框架泄漏保护的优化设置,可以隔离整流器故障导致框架泄漏保护动作的影响范围,保证了直流系统运行的可靠性和灵活性。参考文献[1]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版社,2004.[2]朱德敏,王纯伟,赵明.框架泄漏保护装置的应用与分析[J].电气化铁道, 2004(3): 34.[3]丘玉蓉,田胜利.地铁直流1 500 V开关柜框架泄漏保护探讨[J].电力系统自动化, 2001, 25(14): 64.[4]何宗华.城市轨道交通工程设计指南[M].北京:中国建筑工业出版社, 1993.
