地鐵直流牽引供電系統框架泄漏保護的優化設計摘 要 介紹了地鐵直流牽引供電系統框架泄漏保護的優化設計方案。通過對牽引變電所整流器獨立設置一套框架泄漏保護裝置,可以縮小整流器故障時框架泄漏保護動作的影響范圍,提高直流牽引供電系統運行的可靠性和靈活性。關鍵詞 地鐵;直流牽引供電;框架泄漏保護;優化設計 地鐵直流牽引供電系統是列車的動力之源,其安全可靠運行是地鐵運營關注的重點。在確定直流牽引供電系統方案時,應綜合分析系統的靈活性和可靠性。一方面應考慮地鐵列車高密度運行的外部條件;另一方面應考慮當直流供電系統發生故障時,能迅速切除故障點,同時通過相鄰牽引變電所及時恢復對地鐵列車的供電。本文以南京地鐵2號線工程為例,在直流牽引供電系統的保護設置中,提出了在整流器柜和直流開關柜分別設置框架泄漏保護的創新方案。該方案可大大縮小整流器柜故障框架泄漏保護動作的影響范圍,提高了直流供電系統的可靠性。1 框架泄漏保護的作用 南京地鐵供電系統采用交流110/35 kV兩級電壓、集中供電方式,直流系統采用1 500 V架空接觸網供電;牽引變電所兩套整流機組掛接于同一段35kV母線上,直流開關柜進線開關和饋線開關均采用直流快速斷路器。直流牽引供電系統接線方案見圖1。
牽引變電所內的直流供電設備采用絕緣安裝,主要包括1 500 V直流開關柜、整流器柜、負極柜等。當直流設備內的1 500 V正極對設備外殼發生泄漏時,如不及時切除,容易將故障擴大為1 500 V正極通過設備外殼對負極間的短路事故。而直流系統的短路電流非常大,正、負極短路時的短路電流可達幾萬A,對直流設備將造成嚴重危害。框架泄漏保護是專門針對直流供電設備對正極與柜體發生故障時的保護措施。其保護原理是當正極對柜體外殼發生絕緣損壞時,能及時切除故障,保證系統的安全運行。 一般情況下,框架泄漏保護動作后,將使本牽引變電所直流斷路器及相鄰牽引變電所向相同供電區段供電的饋線斷路器跳閘,并閉鎖合閘。此時,為了恢復地鐵列車的供電,應及時退出本牽引變電所直流設備,復歸框架泄漏保護動作信號,通過接觸網越區隔離開關合閘,實現相鄰牽引變電所對故障變電所供電區域接觸網的供電。因此,框架泄漏保護動作會造成大面積的牽引網停電,且隔離故障恢復送電時間長,對地鐵運營影響大。2 框架泄漏保護的一般設置方案2. 1 設置原理 框架泄漏保護裝置由電流元件和電壓元件組成。電流元件可檢測直流設備由外殼至接地網的故障泄漏電流;電壓元件測量直流設備外殼與直流設備負極之間的電壓,一端接直流設備外殼,另一端接直流系統負極。電壓元件檢測到的電壓等價于鋼軌和地之間的電壓。運行過程中,通過判斷檢測到的故障電流和電壓,實現保護跳閘切除故障。一般來說,牽引變電所的直流開關柜成排布置,負極柜與整流器柜組合另行成排布置,分別絕緣安裝;并采用連接電纜將兩組直流設備的外殼保護接地連接成一個整體,通過負極柜的電流元件與牽引變電所接地網單點相連。其電流檢測元件和電壓檢測元件的接線如圖2所示。南京地鐵1號線以及國內其它地鐵直流框架泄漏保護基本都采用這種設計方案。2. 2 運行方式 直流系統在正常運行時,電流檢測回路沒有電流通過。當牽引變電所任意直流設備內正極對外殼短路時,接地電流通過電流元件流入接地網,再通過鋼軌與地之間的絕緣泄漏電阻(或排流柜)回到鋼軌(負極)。當直流設備內正極對外殼短路時,地電位升高,電壓元件會在鋼軌和地之間檢測到一個電壓。當這個電壓大于電壓元件整定值時,電壓元件應在整定的時間動作。當接地電流達到整定值時,框架泄漏保護的電流元件動作,使整流機組的交流35 kV進線斷路器及本牽引變電所的所有直流斷路器跳閘,并聯跳相鄰牽引變電所向相同區段供電的直流饋線斷路器。故障排除以后,必須人工復歸框架泄漏保護,所有交流和直流斷路器才能重新投入,恢復系統供電。 框架泄漏保護的電壓元件由兩段組成,Ⅰ段報警,Ⅱ段跳閘。框架泄漏保護裝置的電壓元件根據EN50122—1:12.97標準中的人體耐受電壓-時間特性曲線進行整定。當牽引變電所設置鋼軌電位限制裝置時, 框架泄漏保護的電壓元件動作時間必須延長。2. 3 故障影響范圍 當牽引變電所任意直流設備內正極對外殼短路時,框架泄漏保護裝置無論是電流元件還是電壓元件動作,不但本牽引變電所解列退出運行,同時將導致相鄰牽引變電所的饋線斷路器跳閘停電并閉鎖斷路器合閘。此時,必須及時進行倒閘作業,通過接觸網越區隔離開關實現越區供電,將故障牽引變電所隔離。框架泄漏保護動作將直接導致大面積停電,且恢復送電的時間過程長,對列車運營造成極大的影響。3 框架泄漏保護優化設置方案3. 1 設置原理 一般情況下,整流器是在牽引變電所直流設備中相對比較容易出現故障的設備,其故障大部分都會啟動框架泄漏保護動作,造成接觸網大面積停電,影響地鐵運營。 南京地鐵2號線牽引變電所1 500 V直流母線采用單母線接線,整流器與直流1 500 V母線正極之間的開關選用直流快速斷路器,因此可通過直流進線斷路器將整流器故障隔離。根據這一特點,可以為整流器獨立設置一套框架泄漏保護裝置。當發生整流器故障時,只需切斷直流進線斷路器和整流機組交流35 kV進線斷路器,就不會造成直流饋線斷路器跳閘和接觸網的停電,可縮小事故范圍,提高供電的可靠性和靈活性。 由于在框架泄漏保護裝置中,電壓元件測量的是外殼(地)與負極的電壓,因此整流器和直流開關柜可以共用一套,并統一設置在負極柜內。3. 2 安裝形式 框架泄漏保護裝置的兩套電流元件、一套電壓元件都安裝在負極柜內。其元件設置及電纜聯系如圖3所示。 整流器和負極柜絕緣安裝。其框架保護接地銅排經過電流元件單點接地,與牽引變電所接地銅排的連接采用1×150 mm2的接地電纜。 直流開關柜也需絕緣安裝。其框架保護接地銅排先用1×150 mm2接地電纜連接到負極柜內的電流元件后,再單點接地,與變電所接地銅排的連接采用1×150 mm2的接地電纜。在負極柜內的保護接地銅排與負極間設置框架泄漏保護電壓元件。3. 3 故障動作分析3. 3. 1 整流器發生框架泄漏故障 整流器發生故障一般都會啟動框架泄漏保護裝置的電流元件動作。在優化設計方案中,整流機組35 kV交流進線斷路器和直流斷路器跳閘,但直流饋線斷路器不跳閘,自然形成故障牽引變電所的直流母線越區供電,使接觸網不會停電,列車正常運行。3. 3. 2 直流開關柜發生框架泄漏故障 直路開關柜發生框架泄漏故障時,電流元件動作。在優化設計方案中,整流機組35 kV交流進線斷路器以及本牽引變電所所有直流斷路器全部跳閘閉鎖,同時聯跳并閉鎖相鄰牽引變電所對應向本區段供電的直流饋線斷路器。此時,故障牽引變電所解列,通過接觸網越區隔離開關實現大雙邊供電,需要當地排除故障并復歸電流元件,才能恢復故障牽引變電所向接觸網供電。3. 3. 3 框架泄漏保護電壓元件動作 牽引變電所內設置鋼軌電位限制裝置。當鋼軌對地電位超過設定值,鋼軌電位限制裝置將合閘,將鋼軌電位鉗制下來。框架泄漏保護電壓元件的測量電壓與鋼軌電位限制裝置的測量電壓相同。此時電壓元件僅作為鋼軌電位限制裝置的后備保護,其保護的對象是設備,而鋼軌電位限制裝置保護的對象是人。 當鋼軌電位限制裝置拒動后,負極與地的電位將繼續升高,框架泄漏保護電壓元件首先發出報警。當超過一定時限和電壓值時,電壓元件將發出跳閘信號,將整流機組的35 kV交流進線斷路器和本牽引變電所所有直流斷路器全部跳閘(但不閉鎖),同時聯跳相鄰牽引變電所對應向本區段供電的直流饋線斷路器。4 結語 框架泄漏保護的設置一直是地鐵直流牽引供電系統的一個重點和難點。這是因為框架泄漏保護動作后影響范圍大,停電面積廣,恢復時間長,對列車運行造成的影響大。根據國內地鐵直流牽引供電系統運行情況,在直流設備中,因整流器發生故障導致框架泄漏保護動作的情況較為普遍。因此,通過對框架泄漏保護的優化設置,可以隔離整流器故障導致框架泄漏保護動作的影響范圍,保證了直流系統運行的可靠性和靈活性。參考文獻[1]趙畹君.高壓直流輸電工程技術[M].北京:中國電力出版社,2004.[2]朱德敏,王純偉,趙明.框架泄漏保護裝置的應用與分析[J].電氣化鐵道, 2004(3): 34.[3]丘玉蓉,田勝利.地鐵直流1 500 V開關柜框架泄漏保護探討[J].電力系統自動化, 2001, 25(14): 64.[4]何宗華.城市軌道交通工程設計指南[M].北京:中國建筑工業出版社, 1993.
牽引變電所內的直流供電設備采用絕緣安裝,主要包括1 500 V直流開關柜、整流器柜、負極柜等。當直流設備內的1 500 V正極對設備外殼發生泄漏時,如不及時切除,容易將故障擴大為1 500 V正極通過設備外殼對負極間的短路事故。而直流系統的短路電流非常大,正、負極短路時的短路電流可達幾萬A,對直流設備將造成嚴重危害。框架泄漏保護是專門針對直流供電設備對正極與柜體發生故障時的保護措施。其保護原理是當正極對柜體外殼發生絕緣損壞時,能及時切除故障,保證系統的安全運行。 一般情況下,框架泄漏保護動作后,將使本牽引變電所直流斷路器及相鄰牽引變電所向相同供電區段供電的饋線斷路器跳閘,并閉鎖合閘。此時,為了恢復地鐵列車的供電,應及時退出本牽引變電所直流設備,復歸框架泄漏保護動作信號,通過接觸網越區隔離開關合閘,實現相鄰牽引變電所對故障變電所供電區域接觸網的供電。因此,框架泄漏保護動作會造成大面積的牽引網停電,且隔離故障恢復送電時間長,對地鐵運營影響大。2 框架泄漏保護的一般設置方案2. 1 設置原理 框架泄漏保護裝置由電流元件和電壓元件組成。電流元件可檢測直流設備由外殼至接地網的故障泄漏電流;電壓元件測量直流設備外殼與直流設備負極之間的電壓,一端接直流設備外殼,另一端接直流系統負極。電壓元件檢測到的電壓等價于鋼軌和地之間的電壓。運行過程中,通過判斷檢測到的故障電流和電壓,實現保護跳閘切除故障。一般來說,牽引變電所的直流開關柜成排布置,負極柜與整流器柜組合另行成排布置,分別絕緣安裝;并采用連接電纜將兩組直流設備的外殼保護接地連接成一個整體,通過負極柜的電流元件與牽引變電所接地網單點相連。其電流檢測元件和電壓檢測元件的接線如圖2所示。南京地鐵1號線以及國內其它地鐵直流框架泄漏保護基本都采用這種設計方案。2. 2 運行方式 直流系統在正常運行時,電流檢測回路沒有電流通過。當牽引變電所任意直流設備內正極對外殼短路時,接地電流通過電流元件流入接地網,再通過鋼軌與地之間的絕緣泄漏電阻(或排流柜)回到鋼軌(負極)。當直流設備內正極對外殼短路時,地電位升高,電壓元件會在鋼軌和地之間檢測到一個電壓。當這個電壓大于電壓元件整定值時,電壓元件應在整定的時間動作。當接地電流達到整定值時,框架泄漏保護的電流元件動作,使整流機組的交流35 kV進線斷路器及本牽引變電所的所有直流斷路器跳閘,并聯跳相鄰牽引變電所向相同區段供電的直流饋線斷路器。故障排除以后,必須人工復歸框架泄漏保護,所有交流和直流斷路器才能重新投入,恢復系統供電。 框架泄漏保護的電壓元件由兩段組成,Ⅰ段報警,Ⅱ段跳閘。框架泄漏保護裝置的電壓元件根據EN50122—1:12.97標準中的人體耐受電壓-時間特性曲線進行整定。當牽引變電所設置鋼軌電位限制裝置時, 框架泄漏保護的電壓元件動作時間必須延長。2. 3 故障影響范圍 當牽引變電所任意直流設備內正極對外殼短路時,框架泄漏保護裝置無論是電流元件還是電壓元件動作,不但本牽引變電所解列退出運行,同時將導致相鄰牽引變電所的饋線斷路器跳閘停電并閉鎖斷路器合閘。此時,必須及時進行倒閘作業,通過接觸網越區隔離開關實現越區供電,將故障牽引變電所隔離。框架泄漏保護動作將直接導致大面積停電,且恢復送電的時間過程長,對列車運營造成極大的影響。3 框架泄漏保護優化設置方案3. 1 設置原理 一般情況下,整流器是在牽引變電所直流設備中相對比較容易出現故障的設備,其故障大部分都會啟動框架泄漏保護動作,造成接觸網大面積停電,影響地鐵運營。 南京地鐵2號線牽引變電所1 500 V直流母線采用單母線接線,整流器與直流1 500 V母線正極之間的開關選用直流快速斷路器,因此可通過直流進線斷路器將整流器故障隔離。根據這一特點,可以為整流器獨立設置一套框架泄漏保護裝置。當發生整流器故障時,只需切斷直流進線斷路器和整流機組交流35 kV進線斷路器,就不會造成直流饋線斷路器跳閘和接觸網的停電,可縮小事故范圍,提高供電的可靠性和靈活性。 由于在框架泄漏保護裝置中,電壓元件測量的是外殼(地)與負極的電壓,因此整流器和直流開關柜可以共用一套,并統一設置在負極柜內。3. 2 安裝形式 框架泄漏保護裝置的兩套電流元件、一套電壓元件都安裝在負極柜內。其元件設置及電纜聯系如圖3所示。 整流器和負極柜絕緣安裝。其框架保護接地銅排經過電流元件單點接地,與牽引變電所接地銅排的連接采用1×150 mm2的接地電纜。 直流開關柜也需絕緣安裝。其框架保護接地銅排先用1×150 mm2接地電纜連接到負極柜內的電流元件后,再單點接地,與變電所接地銅排的連接采用1×150 mm2的接地電纜。在負極柜內的保護接地銅排與負極間設置框架泄漏保護電壓元件。3. 3 故障動作分析3. 3. 1 整流器發生框架泄漏故障 整流器發生故障一般都會啟動框架泄漏保護裝置的電流元件動作。在優化設計方案中,整流機組35 kV交流進線斷路器和直流斷路器跳閘,但直流饋線斷路器不跳閘,自然形成故障牽引變電所的直流母線越區供電,使接觸網不會停電,列車正常運行。3. 3. 2 直流開關柜發生框架泄漏故障 直路開關柜發生框架泄漏故障時,電流元件動作。在優化設計方案中,整流機組35 kV交流進線斷路器以及本牽引變電所所有直流斷路器全部跳閘閉鎖,同時聯跳并閉鎖相鄰牽引變電所對應向本區段供電的直流饋線斷路器。此時,故障牽引變電所解列,通過接觸網越區隔離開關實現大雙邊供電,需要當地排除故障并復歸電流元件,才能恢復故障牽引變電所向接觸網供電。3. 3. 3 框架泄漏保護電壓元件動作 牽引變電所內設置鋼軌電位限制裝置。當鋼軌對地電位超過設定值,鋼軌電位限制裝置將合閘,將鋼軌電位鉗制下來。框架泄漏保護電壓元件的測量電壓與鋼軌電位限制裝置的測量電壓相同。此時電壓元件僅作為鋼軌電位限制裝置的后備保護,其保護的對象是設備,而鋼軌電位限制裝置保護的對象是人。 當鋼軌電位限制裝置拒動后,負極與地的電位將繼續升高,框架泄漏保護電壓元件首先發出報警。當超過一定時限和電壓值時,電壓元件將發出跳閘信號,將整流機組的35 kV交流進線斷路器和本牽引變電所所有直流斷路器全部跳閘(但不閉鎖),同時聯跳相鄰牽引變電所對應向本區段供電的直流饋線斷路器。4 結語 框架泄漏保護的設置一直是地鐵直流牽引供電系統的一個重點和難點。這是因為框架泄漏保護動作后影響范圍大,停電面積廣,恢復時間長,對列車運行造成的影響大。根據國內地鐵直流牽引供電系統運行情況,在直流設備中,因整流器發生故障導致框架泄漏保護動作的情況較為普遍。因此,通過對框架泄漏保護的優化設置,可以隔離整流器故障導致框架泄漏保護動作的影響范圍,保證了直流系統運行的可靠性和靈活性。參考文獻[1]趙畹君.高壓直流輸電工程技術[M].北京:中國電力出版社,2004.[2]朱德敏,王純偉,趙明.框架泄漏保護裝置的應用與分析[J].電氣化鐵道, 2004(3): 34.[3]丘玉蓉,田勝利.地鐵直流1 500 V開關柜框架泄漏保護探討[J].電力系統自動化, 2001, 25(14): 64.[4]何宗華.城市軌道交通工程設計指南[M].北京:中國建筑工業出版社, 1993.