探究轨道交通直流框架泄露及电流元件动作整定值

探究轨道交通直流框架泄露及电流元件动作整定值

摘要：在城市轨道交通供电系统中，直流设备框架泄漏保护是直流牵引系统中一个非常重要的保护装置。直流设备框架泄漏保护对于直流牵引设备及操作人员的保护方面，有着非要重要的意义。本文通过对框架泄漏电流的计算分析及框架泄漏保护电流元件定值说明，对某地框架泄漏保护电流元件动作故障进行了探究，并提出相关的有效措施。

关键词：轨道交通；框架泄漏保护；有效措施

0、引言

目前国内城市轨道交通直流系统框架保护原理如图1 所示：

1、框架泄漏电流计算分析

1）钢轨电位限制装置投入，但不动作。

从图1 可得出框架泄漏保护电流回路的等效电路图如图2 所示

根据欧姆定律，框架保护泄漏电流

U为直流母排电压，范围为0~900V；

R=Rf+Rr+Re+Rer

其中：Rf为直流母线对开关柜壳体短路时的过渡电阻；

Rr为框架保护电流元件的电阻；

Re为系统接地电阻；

Rer为钢轨对地的泄漏电阻。

由于实际工程中Rf大小跟故障类型有关，Rer跟工程环境有关，这两个电阻值均存在不确定性，因此框架泄漏电流不是一恒定值。

从图中可知正常情况下，直流母排对壳体、钢轨对地为绝缘状态，在理想情况下，可认为Rf、Rer趋近于无穷大，此时泄漏电流Ir趋近于零。当直流母排对壳体发生金属性短路、且此时钢轨对地绝缘完全失效时，可认为Rf、Rer趋近

于零，此时泄漏电流Ir取决于Rr、Re的值；由于Rr为mΩ级，可以忽略不计；系统接地电阻可按0.5Ω考虑；此时泄漏电流Ir最大为1800A。从以上分析可知在钢轨电位未动作的情况下，框架泄漏电流Ir的范围为0~1800A之间。

2）钢轨电位限制装置投入，且按整定值准确动作。

钢轨电位在轨—地电位的绝对值≥90V 时动作。当发生直流正母排对壳体短路后，如轨—地电位的绝对值≥90V，此时首先钢轨电位动作，由于钢轨电位接地端和框架泄漏电流元件均接于变电所强电接地母排上，因此此时短路电流几乎全部经电流元件—强电接地母排—钢轨电位限制装置—钢轨—回流电缆流回负母排，此时Re可认为等于0，短路电流主要取决于Rf，如果为金属性短路，短路电流基本与变电所直流母线短路电流相同，达几十、甚至上百千安。

2、框架泄漏保护电流元件定值说明

从上述分析可以看出，由于框架泄漏电流正常情况为0，故障时具有不确定性（是从0~1800A之间任意可能的连续分布），因此电流元件的整定值不能采用短路电流除以灵敏系数的方式获得。

根据框架泄漏电流的特点可以很明显的知道：电流整定值越小，对保护高阻故障越有利，但抗干扰能力越弱；电流整定值越大，则反之。由于泄漏电流的不确定性，加之对地铁环境中的干扰水平目前缺少全面的测试数据，因此框架保护电流元件的整定只能依靠经验确定。根据对目前国内城市轨道交通框架泄漏保护电流元件整定值的调研来看，上海、广州、北京等城市的一些轨道交通线路采用35A投运多年以来，基本运行正常，能够对直流设备起到很好的保护作用，同时也具有较好的抗干扰能力。国内一些城市的部分线路也有采用80A定值的，经调研此值的最初来源是受元件器限制（无法降低），而并不是经过计算得来的。

3、框架泄漏保护电流元件动作故障分析

根据某轨道交通实际发生的故障分析，从故障滤波上看，发生框架泄漏保护是反向电流动作，且钢轨电位限制装置未动作，由图1可以初步分析造成本次事故的可能原因有以下2类：

1）外界电磁干扰

外界电磁干扰分2种：一种是耦合到一次回路，另一种是耦合到二次回路中；一般来讲相同的环境下，相同强度的电磁干扰对以mA 级信号为主的二次回路的干扰更加严重。

2）地电位升高

从现场反馈情况来看，如果不是由于干扰的原因，则发生此类故障的必然条件首先是地电位升高（至于地电位升高的原因有很多种情况，如有接地故障发生

或轨地绝缘降低严重，有机车通过时，钢轨电位的升高，导致地电位跟随升高等），在此情况下有3种可能的故障原因。

（1）直流开关柜壳体对地绝缘降低

由于框架保护电流元件接地端连接在变电所接地母排，而变电所地面是与整个地铁结构是连接在一起的等电位体，二者并不是同一个地（接地网与结构钢筋是绝缘的），因此当地网电位升高，同时直流开关柜与变电所地面之间的绝缘垫板损坏时，由于电位差的原因，形成经地网-电流元件-直流开关柜壳体-变电所地面（结构钢筋）的反向电流，引起框架保护电流元件动作。

（2）直流负母排对壳体绝缘降低

此时当地电位升高时，形成经地网-电流元件-直流开关柜壳体-负母排的反向电流，引起框架保护电流元件动作。

（3）框架泄漏电流测量用放大器击穿

框架泄漏电流采集采用的是测量放大器直接接入一次回路的方案，放大器的输入端一端接直流开关柜壳体、一端接负母排（如图3中-B21所示），正常情况下，放大器的输入阻抗很大，可认为壳体与负母排间是断开的，但是当放大器输入端被击穿时，即相当于直流开关柜壳体与负母排直接相连，此时如地电位升高，则形成经地网-电流元件-直流开关柜壳体-放大器输入端-负母排的反向电流，引起框架保护电流元件动作。

图3 亦庄线框架泄漏保护接线图

4、总结

综合以上分析，直流框架泄漏电流由于受回路电阻值不确定性的影响，对于框架泄漏保护的电流值整定没有标准、规范、手册、教科书可以参考，只能依靠经验值进行整定。

对于某轨道交通发生的框架泄漏保护电流元件反向电流动作情况，故障有2 大类：其中第一类属于设备抗干扰性问题，通过提高定值可以在一定程度上避免误动，但是牺牲了保护范围，不是最佳的解决办法，只有做好设备软硬件的抗干扰措施才是解决问题的根本手段；第二类属于因设备或材料或施工工艺等方面原因导致的系统处于故障运行状态，为避免事故进一步恶化，框架保护电流元件动作属于正确行为，解决此类问题的根本办法是对相关部位进行修复、加强，使其满足相关标准要求，如果仅依靠提高定值，则必然会把一些故障掩盖，等故障进一步恶化时，可能会对整个系统带来更大的危害。因此在没有测试数据或事故记录数据，表明是由于干扰引起误动的情况下，调高整定值应特别谨慎。调高整定