轨道交通直流框架保护原理及应急处理程序
2010-06-13 15:50:15 阅读13 评论0 字号：大中小
轨道交通直流框架保护原理及应急处理程序
摘要：分析城市轨道交通直流系统设置框架保护的原因及动作原理，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，了解直流系统框架保护应急处理程序。
关键词：直流框架保护；钢轨电位限制装置；应急处理程序
1 概述
南京地铁作为城市轨道交通的一份子，其牵引供电系统采用DC1500V直流系统向接触网供电，鉴于在其他兄弟地铁发生了很多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35KV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，导致公园前和长寿路区间接触网大面积停电，影响行车42分钟；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，影响行车近4个小时。通过兄弟地铁的教训，深刻分析引起框架保护动作原因，动作原理，调整好框架保护和钢轨电位限制装置动作配合关系，了解一旦发生框架保护动作的应急程序显得尤为重要。
2、直流系统为什么要设置框架保护
为保证牵引供电系统安全运行和接触网的安全供电，有效切除供电系统的各种故障，供电系统都成功采用2次继电保护系统，快速有效的切断各类故障点，防止扩大停电范围，同时{zd0}限度的改变供电运行方式，例如退出故障牵引所，解除联跳信号，利用牵引大双边供电，可以及时恢复接触网供电，以保证地铁的正常运行不受影响。而直流框架保护的设置是由于直流开关带电设备对直流柜柜体发生泄漏或绝缘损坏闪络时，原有的直流保护起不到应有的作用，为保护直流设备的安全，及时切除直流设备内的各种短路故障，直流系统设置了直流框架保护，一旦发生直流开关带电设备对直流柜柜体发生泄漏或绝缘损坏，框架保护动作，使有关直流开关跳闸断电，有效切断故障，从而保护设备安全。
3、直流框架保护动作原理
直流框架保护以动作类型分为电流型、电压型两种。
3.1电流型框架保护、电压型框架保护原理：
电流型框架保护主要检测设备外壳对地的电流;
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。
3.2电流型框架保护、电压型框架保护动作特性:
(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，电流回路电流达到整定值（大于80A），电流型框架保护动作，向交直流开关发出跳闸命令，本所6个直流柜和2个35KV整流变柜同时跳闸，并联跳相邻2个牵引变电所各2个向本区段双边供电左右线开关，共12个开关柜跳闸。
(3)由于在城市轨道交通的牵引供电直流系统中，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，从而设备发生绝缘下降而电流型框架保护没动作的情况，所以电压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，大于95V时发出报警信号，大于150V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12个开关柜。
4、钢轨电位限制装置
4.1钢轨电位限制装置保护原理：
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。
4.2钢轨电位限制装置动作特性:
当供电分区没有车辆行驶时，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，将钢轨与接地网短接，从而降低了钢轨电位，保护了在钢轨上行走的人的人身安全。
目前南京地铁钢轨电位限制装置运用的是当今{zx1}技术，是由晶闸管和接触器等元件组成，
(1) 当钢轨电位大于90V时钢轨电位限制装置延时800ms动作，使钢轨与地相连，降低钢轨电位，并连续动作3次后钢轨电位仍然高于整定值，合闸后不再断开；
(2) 当钢轨电位大于150V时钢轨电位限制装置无延时{yj}合闸；
(3) 当钢轨电位大于600V时钢轨电位限制装置晶闸管在100ms之内导通，钳制钢轨对地电位，向接触器发出合闸命令。
4.3钢轨电位限制装置与电压型框架保护动作分析：
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，具体参数如下：当钢轨电位大于95V时电压型框架保护延时1500ms发出报警信号；当钢轨电位大于150V时电压型框架保护将延时900ms发出跳闸信号。
针对广州地铁1号线和深圳地铁4号线发生的框架保护动作情况分析，当时均没有发生短路故障，而是由于车辆运行和其他原因导致钢轨电位的升高，应该由钢轨电位限制装置动作，但由于钢轨电位限制装置与电压型框架保护装置匹配存在问题，从而导致电压型框架保护装置动作。
5、发生直流框架保护动作后的应急处理及操作程序
一旦发生直流框架保护动作，就会向交直流开关发出跳闸命令，本所6个直流柜和2个35KV整流变柜同时跳闸，并联跳相邻2个牵引变电所各2个向本区段双边供电左右线开关，共12个开关柜跳闸。
故障发生后，高压供电巡检和值班人员应沉着冷静，正确判断故障类型和停电影响范围，电调也可以通过OCC控制中心SCADA工作台确认故障所保护跳闸和报警的类型，并及时通知值班主任和行调，这里主要就高压供电巡检值班人员应急处理程序作以下介绍：
一、 本所有人值班：
（1） 如果是电流型框架保护动作，值班人员应迅速打开负极柜后门，按下柜内K500（MAS-2）继电器上的红色复位按钮，使继电器复位，复位完成后应迅速关好负极柜后门，然后迅速在直流开关柜侧面板处，按下“复位按钮”复位。
（2） 如果是电压型框架保护动作，可直接在直流开关柜侧面板处，按下“复位按钮”复位。
（3） 如果复位成功，迅速通知电调，电调可以直接合上所有跳闸开关。
（4） 如果复位不成功，供电值班人员应迅速将故障所直流开关柜侧面板处将联跳转换开关S006/1、S006/2、S006/3、S006/4转换到切除位置，解除与相邻牵引所的联跳装置，联跳装置解除后，相邻牵引所被联跳的开关会自动重合，说明线路正常，此时故障牵引所的相邻2个牵引所之间已经单边供电（故障牵引所退出运行），电调确认以上动作后，应尽快进行大双边越区开关操作，由单边供电转换为大双边供电运行方式。
二、 本所无人值班：
如果发生直流框架保护动作的故障牵引所无人值班，那相邻牵引变电所肯定有人，（这是我们供电专业根据南京地铁供电特点专门针对牵引变电所框架保护的应急需要安排的，供电专业按一个隔一个所蹲点值守，这是由我们的排班布点决定的。）一旦故障所发生直流框架保护动作，相邻牵引所值班人员得到信息后，应迅速将直流开关柜侧面板处将与故障所联跳转换开关（故障所往迈皋桥方向相邻牵引所的S006/1、S006/3和故障所往奥体中心方向相邻牵引所的S006/2、S006/4）转换到切除位置，解除与故障牵引所的联跳装置，联跳装置解除后，故障牵引所相邻牵引所被联跳的开关会自动重合，说明线路正常，此时故障牵引所的相邻2个牵引所之间已经单边供电（故障牵引所退出运行）电调确认以上动作后，应尽快进行大双边越区开关操作，由单边供电恢复为大双边供电运行方式。
6、总结
目前由于钢轨电位的升高与多种因素有关，钢轨电位的升高除了与供电回流系统，负回流是否畅通有关外，还和客运车辆运行工况、轨道绝缘泄漏电阻、杂散电流防护等很多因素有关，一旦钢轨电位升高到整定值，钢轨电位限制装置应该首先动作，只要调整好钢轨电位限制装置和电压型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。一旦发生框架保护动作，供电人员应立即按照事故抢修预案，按照应急处理程序及时恢复接触网供电，确保地铁正常运行。
南京地铁有限责任公司运行分公司供电中心
电话025－51898648
摘要：分析城市轨道交通直流系统设置框架保护的原因及动作原理，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，了解直流系统框架保护应急处理程序。
关键词：直流框架保护；钢轨电位限制装置；应急处理程序
1 概述
南京地铁作为城市轨道交通的一份子，其牵引供电系统采用DC1500V直流系统向接触网供电，鉴于在其他兄弟地铁发生了很多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35KV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，导致公园前和长寿路区间接触网大面积停电，影响行车42分钟；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，影响行车近4个小时。通过兄弟地铁的教训，深刻分析引起框架保护动作原因，动作原理，调整好框架保护和钢轨电位限制装置动作配合关系，了解一旦发生框架保护动作的应急程序显得尤为重要。
2、直流系统为什么要设置框架保护
为保证牵引供电系统安全运行和接触网的安全供电，有效切除供电系统的各种故障，供电系统都成功采用2次继电保护系统，快速有效的切断各类故障点，防止扩大停电范围，同时{zd0}限度的改变供电运行方式，例如退出故障牵引所，解除联跳信号，利用牵引大双边供电，可以及时恢复接触网供电，以保证地铁的正常运行不受影响。而直流框架保护的设置是由于直流开关带电设备对直流柜柜体发生泄漏或绝缘损坏闪络时，原有的直流保护起不到应有的作用，为保护直流设备的安全，及时切除直流设备内的各种短路故障，直流系统设置了直流框架保护，一旦发生直流开关带电设备对直流柜柜体发生泄漏或绝缘损坏，框架保护动作，使有关直流开关跳闸断电，有效切断故障，从而保护设备安全。
3、直流框架保护动作原理
直流框架保护以动作类型分为电流型、电压型两种。
3.1电流型框架保护、电压型框架保护原理：
电流型框架保护主要检测设备外壳对地的电流;
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。
3.2电流型框架保护、电压型框架保护动作特性:
(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，电流回路电流达到整定值（大于80A），电流型框架保护动作，向交直流开关发出跳闸命令，本所6个直流柜和2个35KV整流变柜同时跳闸，并联跳相邻2个牵引变电所各2个向本区段双边供电左右线开关，共12个开关柜跳闸。
(3)由于在城市轨道交通的牵引供电直流系统中，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，从而设备发生绝缘下降而电流型框架保护没动作的情况，所以电压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，大于95V时发出报警信号，大于150V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12个开关柜。
4、钢轨电位限制装置
4.1钢轨电位限制装置保护原理：
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。
4.2钢轨电位限制装置动作特性:
当供电分区没有车辆行驶时，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，将钢轨与接地网短接，从而降低了钢轨电位，保护了在钢轨上行走的人的人身安全。
目前南京地铁钢轨电位限制装置运用的是当今{zx1}技术，是由晶闸管和接触器等元件组成，
(1) 当钢轨电位大于90V时钢轨电位限制装置延时800ms动作，使钢轨与地相连，降低钢轨电位，并连续动作3次后钢轨电位仍然高于整定值，合闸后不再断开；
(2) 当钢轨电位大于150V时钢轨电位限制装置无延时{yj}合闸；
(3) 当钢轨电位大于600V时钢轨电位限制装置晶闸管在100ms之内导通，钳制钢轨对地电位，向接触器发出合闸命令。
4.3钢轨电位限制装置与电压型框架保护动作分析：
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，具体参数如下：当钢轨电位大于95V时电压型框架保护延时1500ms发出报警信号；当钢轨电位大于150V时电压型框架保护将延时900ms发出跳闸信号。
针对广州地铁1号线和深圳地铁4号线发生的框架保护动作情况分析，当时均没有发生短路故障，而是由于车辆运行和其他原因导致钢轨电位的升高，应该由钢轨电位限制装置动作，但由于钢轨电位限制装置与电压型框架保护装置匹配存在问题，从而导致电压型框架保护装置动作。
5、发生直流框架保护动作后的应急处理及操作程序
一旦发生直流框架保护动作，就会向交直流开关发出跳闸命令，本所6个直流柜和2个35KV整流变柜同时跳闸，并联跳相邻2个牵引变电所各2个向本区段双边供电左右线开关，共12个开关柜跳闸。
故障发生后，高压供电巡检和值班人员应沉着冷静，正确判断故障类型和停电影响范围，电调也可以通过OCC控制中心SCADA工作台确认故障所保护跳闸和报警的类型，并及时通知值班主任和行调，这里主要就高压供电巡检值班人员应急处理程序作以下介绍：
一、 本所有人值班：
（1） 如果是电流型框架保护动作，值班人员应迅速打开负极柜后门，按下柜内K500（MAS-2）继电器上的红色复位按钮，使继电器复位，复位完成后应迅速关好负极柜后门，然后迅速在直流开关柜侧面板处，按下“复位按钮”复位。
（2） 如果是电压型框架保护动作，可直接在直流开关柜侧面板处，按下“复位按钮”复位。
（3） 如果复位成功，迅速通知电调，电调可以直接合上所有跳闸开关。
（4） 如果复位不成功，供电值班人员应迅速将故障所直流开关柜侧面板处将联跳转换开关S006/1、S006/2、S006/3、S006/4转换到切除位置，解除与相邻牵引所的联跳装置，联跳装置解除后，相邻牵引所被联跳的开关会自动重合，说明线路正常，此时故障牵引所的相邻2个牵引所之间已经单边供电（故障牵引所退出运行），电调确认以上动作后，应尽快进行大双边越区开关操作，由单边供电转换为大双边供电运行方式。
二、 本所无人值班：
如果发生直流框架保护动作的故障牵引所无人值班，那相邻牵引变电所肯定有人，（这是我们供电专业根据南京地铁供电特点专门针对牵引变电所框架保护的应急需要安排的，供电专业按一个隔一个所蹲点值守，这是由我们的排班布点决定的。）一旦故障所发生直流框架保护动作，相邻牵引所值班人员得到信息后，应迅速将直流开关柜侧面板处将与故障所联跳转换开关（故障所往迈皋桥方向相邻牵引所的S006/1、S006/3和故障所往奥体中心方向相邻牵引所的S006/2、S006/4）转换到切除位置，解除与故障牵引所的联跳装置，联跳装置解除后，故障牵引所相邻牵引所被联跳的开关会自动重合，说明线路正常，此时故障牵引所的相邻2个牵引所之间已经单边供电（故障牵引所退出运行）电调确认以上动作后，应尽快进行大双边越区开关操作，由单边供电恢复为大双边供电运行方式。
6、总结
目前由于钢轨电位的升高与多种因素有关，钢轨电位的升高除了与供电回流系统，负回流是否畅通有关外，还和客运车辆运行工况、轨道绝缘泄漏电阻、杂散电流防护等很多因素有关，一旦钢轨电位升高到整定值，钢轨电位限制装置应该首先动作，只要调整好钢轨电位限制装置和电压型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。一旦发生框架保护动作，供电人员应立即按照事故抢修预案，按照应急处理程序及时恢复接触网供电，确保地铁正常运行。
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