20050523-直流牵引供电系统的安全与保护

直流牵引供电系统的安全与保护王靖满供变电1直流牵引供电系统的安全与保护王靖满摘要：分析了轨道交通直流牵引供电系统的直流设备电压型框架保护装置与轨道电位限制装置定值和时间配合存在的问题及解决办法。直流牵引供电系统具有电流型框架保护的特殊要求，直流牵引设备采用绝缘安装及行驶轨道对大地采用绝缘安装。关键词：直流牵引；轨道电压；安全保护Abstract:ItanalysestherailtransitDCtractionpowersupplysystemvoltagetypeframeprotectdeviceandrailvoltagelimiteddevicematchingproblemsthatsolvetheiradjustingvalueandtime.DCtractionpowersupplysystem,voltagetypeframeprotectdevicetakesonspecialrequirement.MeansDCtractionpowersupplysystemequipmentshouldbeinstalledininsulatingandtherailseparatedfromearthingsystem.Keywords:DCtraction;railvoltage;safetyprotection中图分类号：U224.8+2文献标识码：B文章编号：1007-936X(2005)04-0001-031轨道过电压产生的原因在直流1500V牵引供电系统中，列车受电弓从架空接触网（为整流电源输出正极）受电，电流输入列车的主回路、辅助回路，经回流导体返回负极。回流导体通常可选用以下方式：走行轨、回流接触轨（又称第四轨）或回流电缆。我国已建的城市轨道交通，几乎都采用了以列车车厢金属件、车轮和走行轨作回流导体的形式。如果与交流牵引供电方式一样，走行轨与大地直接连接（即轨道与道床电阻很小），在相邻2个牵引变电站区间内（约4～6km的距离）有几组列车同时行驶时，其回流的路径就不局限于行驶轨道，电流在轨道周围的金属物及结构内的钢筋之间流动，形成杂散电流（简称迷流）。杂散电流的长期存在将造成金属物的损坏，如输送管道、铠装或金属护套的电缆、建筑结构混凝土内的钢筋、保护接地极、信号设备和通信设备等。为了解决杂散电流腐蚀的问题，直流牵引供电设备采用绝缘方式安装，并尽可能加大走行轨与大地的电阻，设计规程明确规定钢轨对大地的过渡电阻初期不得小于15Ω/km，防止回流漏作者简介：王靖满.铁道第三勘察设计院电化处，高级工程师，天津300151，电话：[phone]。泄，保证直流供电系统在电气上形成一个独立的系统。解决了杂散电流腐蚀的问题，但带来了轨道过电压的问题。直流设备的外壳（框架）与大地绝缘，直流设备故障情况下，其框架与回流电路之间会出现电位差，并且还会与保护地之间出现漏电流，这就要求牵引变电所中的直流设备设置框架故障保护系统，以保证设备和员工的安全。列车行驶时的回流电流或故障电流又可能使轨道对大地产生危险电压，上下列车的人员可能会触及到这个危险电压而受到伤害。为了保护乘客和员工的安全，在每个车站必须安装1—2台轨道过电压保护装置以限制轨道对车站地的过电压，这就是问题的关键。2限制装置原理及过电压保护的设定原则为了保证站台上乘客和工作人员的人身安全，在走行轨与车站地之间设置钢轨电位限制装置。当钢轨电位限制装置检测出走行轨道与车站地之间的电位差超过整定值时，自动进行短路保护，将走行轨与车站地瞬间短接，然后立即打开。若电位差仍超过整定值，瞬间短接后再次分断，如电位差还超过整定值，钢轨电位限制装置合上后就不再打开。按欧洲标准EN50122-1供变电电气化铁道2005年第4期2（1997年）的相关条款规定，轨道电位限制装置的工作原则主要有以下几点。（1）轨道过电压的保护措施应优先于设备保护和杂散电流防护的措施。（2）装置中的短路接触器每次短接时间尽可能限制在10s以内，允许其多次重复短接。（3）短路接触器必须能承受故障状态下可能出现的最大电流。（4）轨道电位限制装置的安全电压设定原则应满足以下要求：轨道上的电压必须严格限制在人体耐受电压允许值以下，保证乘客和工作人员手触摸车体或维修车辆时没有触电危险。触电危险电压有2个依据参数：一是人体能够耐受的电压，应为UBC=2×UAC，UAC为交流情况下由钢轨电势产生的接触电压的允许值，应为50～70V，所以安全电压允许值设定为UBC=70～100V；二是人体能够耐受电压的时间。（5）轨道电位限制装置的安全电压设定必须与框架保护合理配合。图1轨道最大允许电压-时间特性曲线图1所示，UBC、UAC分别为直流、交流情况下由于轨道电势所产生的接触电压的允许值，t为所规定的持续时间。按持续时间分为3个区域，延时1s的短接区域，这个区域适用于在发生故障时可能导致的接触电压，动作电压90～110V；在动作电压120～170V无延时短接区域，实际延时0.5s；在动作电压600V无延时短接区域，实际延时0.2s；另外考虑到车站的人员可能触及列车的把手或车厢底部，由于车体与行驶轨道之间也存在一定的电阻，因此，正如标准中规定，轨道与车站地之间的电压应限制在92V以内。3框架泄漏保护的设置原则当直流设备（如整流器、断路器）内的直流1500V正极对设备外壳发生泄漏时，如不及时清除，容易将故障扩大为1500V正极通过设备外壳或地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安培，短路电流对直流设备将造成严重危害。框架泄漏保护是专为直流设备配备的正极与柜体发生故障时的一种保护措施，其保护原理是当正极对柜体外壳发生绝缘损坏时，快速切除故障，保证系统的安全运行。框架泄漏保护装置由电流元件和电压元件组成。电流元件称为电流型框架保护：电流型框架保护的低阻电流继电器或分流器是接于绝缘安装的1500V直流设备框架与变电所接地线之间。低阻电流继电器或分流器能承受可能出现的最大故障电流，当直流设备正极对框架发生短路故障时，低阻电流继电器或分流器因流过故障电流而瞬时动作。电流型框架保护的定值可调，通常为30～85A，速断。电流型框架保护动作，迅速使牵引变电所中所有整流机组高压断路器和直流馈线断路器分闸，同时启动联跳保护，使相邻牵引变电所对应的直流馈线断路器分闸。电压元件称为电压型框架保护：电压型框架保护是连接框架与走行轨（负极）之间，一端接于负极，另一端接于设备外壳（由于外壳与地之间串联电流元件的分流器，电阻极小，可认为电压元件另一端直接接地）。当直流设备内正极对外壳短路时，电压型框架保护会在负极和外壳之间检测到一个电压，当该电压大于电压型框架保护的整定值时，保护装置在整定的时间动作，使报警或断路器分闸。电压型框架保护宜设二级定值，每级定值可调，时限也可调。第一级定值（U＞）宜为90～150V，延时0.5～3s，仅启动报警信号；第二级定值（U＞＞）宜为150～600V，速动，启动跳闸；使整流机组35kV断路器及所有直流断路器跳闸，并EN50122-1(AC)0.010.050.10.5151050100EN50122-1(DC)t/sU/V100050010050直流牵引供电系统的安全与保护王靖满供变电3联跳相邻牵引变电所向相同供电区段供电的断路器。故障排除以后，须人工复归框架泄漏保护，断路器才能重新投入。图2为框架泄漏保护装置与系统构成示意图。图2框架泄漏保护装置与系统构成示意图4框架泄漏保护与轨道过电压保护的配合电压型框架保护定值和时间要与轨道电位限制装置相互配合，为确保站台上乘客和工作人员的人身安全，电压型框架保护的电压定值在时间上滞后于轨道电位限制装置。见图3电压、时间曲线图。注：1为轨道电位装置整定曲线；2为人体耐受电压曲线；3为框架保护整定曲线图3电压-时间曲线图曲线1为轨道电位限制装置的整定曲线，该电压和时间的定值均低于人体能耐受的电压和时间定值，即在人体可能达到触电危险的电压和时间参数之前，钢轨与地之间即被短接，从而保证人体不被伤害。曲线2为人体能耐受的电压定值和时间，以上面触电危险电压的2个参数为依据而设定。曲线3为电压型框架保护的电压定值和时间。电流型框架保护是为避免直流开关柜内部正极短路损坏设备而设置，电压型框架保护是为避免负极短路损坏设备而设置。5结论在今后的轨道交通直流牵引供电系统设计和调试中，可直接采用本文对轨道交通直流牵引供电系统的电压型框架保护装置与轨道电位限制装置定值和时间配合的曲线和具体参数。在类似的工程中还应进一步总结经验并逐步完善。参考文献：[1]SIMATICS7的框架故障保护系统SITRAS@GS7(西门子交通技术集团技术标准)[S].[2]EN50122-1,(DC)12.97EN50122-1,(AC)12.97(欧洲标准)[S].[3]地铁一号线工程[M].上海大型市政工程设计与施工丛书.1998.12.收稿日期：2005-05-23架空地线接触网直流设备列车排流柜1000A150mV电流型框架保护电压型框架泄漏保护钢轨对地的泄漏电阻钢轨电位限制装置收集网钢轨放电间隙50100150200250300350400450500550600Vs10.80.60.40.20123