牛二兵



直流框架保护故障恢复方式优化

牛二兵

框架保护作为地铁直流供电系统的重要保护之一，对地铁列车的稳定运行意义重大。本文通过介绍框架保护的作用、原理，提出现有故障切除方法的不足，并对保护动作恢复的方式进行优化，以缩短故障恢复时间，提高地铁设备运行可靠性。

直流系统；框架保护；双边联跳；故障恢复

0 前言

地铁直流供电系统是地铁列车运行的动力来源，是整个地铁系统的重要组成部分，其运行的可靠性决定了地铁运营的稳定性。直流供电系统在设计之初，一方面需考虑在不同地铁行车密度下能正常运行，另一方面还需考虑发生故障后如何迅速切除故障点，如采用降级方式保障地铁正常供电[1]。本文以天津地铁为例，对原框架保护故障切除方式进行优化。

1 框架保护的作用

天津地铁2、3号线采用集中供电方式，每条线路分别设置2座主变电所，其进线电压等级为交流110 kV，经过主变压器变压后，电压调整为交流35 kV，并作为子所进线电压。天津早期地铁线路的直流系统采用750 V接触轨供电方式，牵引变电所的2台整流机组接至35 kV侧的一段母线，整流变压器和整流器组成整流机组，2台整流机组并联运行，通过直流快速开关向接触轨供电。授流系统采用接触轨上部授流方式，并通过走行轨回流。

地铁变电所内直流设备均采用对地绝缘安装方式，当直流设备对柜体发生框架泄漏时，所设置的各类保护不能起到应有的保护作用。设置直流框架保护的作用是当发生框架泄漏时，能及时切除相关直流设备电源，将故障设备进行电气隔离，从而起到保护作用，保障设备和人员安全。

2 框架保护原理

在地铁牵引变电所中，所有整流器及直流设备（含负极柜）柜体框架通过线缆连接在一起，并通过分流电阻与大地相连。根据独立延时保护特性曲线，框架泄漏保护主要用来防止直流开关柜框架与地之间产生泄漏电流（柜体框架与地之间采用绝缘安装），从而避免引起短路故障，以保证直流系统的安全运行。

天津地铁直流牵引系统框架保护分为2类保护，即电流型保护和电压型保护[2]。电压型保护可选择性投入，电流型保护无法撤出。框架保护装置由电流检测元件和电压检测元件组成[3]，对应保护继电器分别为K201和K202，如图1所示。电流保护通过电流检测元件检测直流设备外壳与地之间的电流，侧重于所内保护；电压保护通过电压元件检测直流设备外壳与负极（钢轨）之间的电压，侧重于线路保护。

正常运行时，保护回路中的电流检测元件不通过电流，但当直流供电系统中任意一台直流设备发生框架泄漏时，电流检测元件则会检测到由此产生的接地电流，当该电流值大于所设定的整定值时，本所的开关柜（2台35 kV交流柜，2台进线柜、4台馈线柜）跳闸并联跳相邻牵引所向故障区段供电的馈线柜，同时框架泄漏时正极与负极间的电压经过电压变送器转换为低电压信号输入至DCP116保护装置，通过分析，当该电压值达到或超过整定值时，DCP116输出命令使断路器跳闸[4]。因此，框架保护动作会造成大面积停电，且故障恢复时间长，对地铁运营影响较大。

图1 框架保护原理

3 目前框架保护的不足

天津地铁直流开关柜均采用对地绝缘安装方式，当直流系统发生框架泄漏时，框架泄漏保护动作会联跳本所所有的直流断路器（进线柜、馈线柜）以及交流中压侧牵引整流机组馈线断路器，并联跳相邻牵引所向故障区段供电的对应直流馈线柜，将造成接触轨停电，影响行车，中断运营，此时需要及时切除框架泄漏联跳信号。目前部分线路无法通过远程控制方式切除联跳信号，只能通过现场人员在本体设备进行操作，消除故障信号，导致无法快速将故障点隔离。

以天津地铁3号线为例，全线31个子所（18个牵引所、10个降压所、3个跟随所），共设置了8个工区，以大量人力对子所进行全覆盖，保障故障发生后可尽快切除故障。

4 框架保护恢复方式优化

随着企业效能的提升，自动化程度不断提高，无人变电所已成为大趋势[5]。在这种形势下，框架泄漏保护跳闸的恢复方式则需优化，将本所上网隔离开关辅助触点引入联跳回路，当发生故障时，综合调度可通过远程操作本所上网隔离开关的方式，达到切除联跳信号的目的，从而消除人员跑位所消耗的时间，极大缩短故障恢复时间，可快速恢复运营。

目前天津地铁框架保护联跳回路设置方式为：当本所发生框架泄漏保护动作时，启动框架泄漏联跳信号，1K27、3K27、2K27、4K27四个继电器动作，常开触点处于闭合状态，如图2所示，此时启动联跳左右邻所的信号。

图2 联跳柜内联跳回路

优化方案为将本所的隔离开关（3111、3131、3121、3141）常开辅助触点（X1:26、X1:27）串接在联跳回路中，如图3所示，此时本所隔离开关分闸后，对应常开触点处于打开状态，联跳信号回路将被切断。

同时在本所联跳柜的面板上添加“投入/撤出”转换开关（其电路图如图4所示），当旋转至“撤出”位，联跳信号回路将被切除；当本所上网隔离开关合闸，常开触点闭合，本所联跳柜“投入/撤出”转换开关旋至“投入”位，联跳信号回路正常工作，符合逻辑要求。优化后可以达到通过远控方式快速切除联跳信号的效果，无需人员跑位，极大缩短了故障恢复时间。

图3 串入隔离开关的联跳回路原理图

图4 联跳柜转换开关

5 结语

框架泄漏保护作为地铁直流供电系统中的一个重要保护，关系地铁运营的稳定性，一直是备受关注的重点和难点。根据多年的运行经验以及实际需求，本次优化方案在联跳回路中增加远程控制功能，可以缩短故障恢复时间，提高了地铁直流供电系统的可靠性。

[1] 裴顺鑫. 地铁直流牵引供电系统框架泄漏保护的优化设计[J]. 城市轨道交通研究，2008（8）：39-42.

[2] 孙君. 地铁牵引供电系统框架保护的改进分析[J]. 城市建设理论研究（电子版），2015（20）：64-68.

[3] 叶东，陈继勇. 成都地铁DC 1 500 V直流牵引系统电流型框架保护设置及改造[J]. 轨道交通装备与技术，2016（5）：25-28.

[4] 李妍. 地铁直流牵引供电系统框架保护与轨电位之间的匹配关系[J]. 科技资讯，2015，13（5）：232-232.

[5] 赵武陇，刘爱华. 城市既有变电所框架保护联跳方案探讨[J]. 电气化铁道，2009（1）：48-50.

The frame protection, one of very important protection for subway DC power supply system, is significant to the stable running of subway trains. The paper introduces functions and principles of frame protection, puts forward the disadvantages of method for fault removal; the fault recovery duration has been shortened and the reliability of subway equipment has been improved after the optimization of recovery mode for protection actions.

DC system; frame protection; bilateral inter-tripping; fault recovery

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.03.015

U231.8

B

1007-936X(2018)03-0048-03

2017-12-19

牛二兵.天津市地下铁道运营有限公司，工程师。