钢轨电位限制装置与框架保护关系的分析摘 要 对直流牵引供电系统中钢轨电位限制装置在安全方面所起的作用及与框架保护配合关系进行了分析,对目前框架保护存在的问题进行了探讨。并提出了钢轨电位限制装置主要参数的选取依据。建设在采用晶闸管接触器型钢轨电位限制装置后,框架保护中取消电压元件。关键词 地铁,钢轨电位限制装置,框架保护 城市轨道交通牵引供电系统采用ＤＣ1500Ｖ架空接触网供电,以走行轨为回流通路。为减少杂散电流对土建结构钢筋、钢轨、设备金属外壳及其它地下金属管线产生腐蚀,轨道交通建设过程中采取了较为完善的杂散电流防护措施。即:直流牵引供电系统设计为不接地系统,对直流供电设备采用绝缘安装,钢轨通过绝缘垫与大地绝缘,以减少杂散电流的泄漏。 当供电区段有起动或运行的列车、或发生系统短路故障时,因钢轨作为牵引回流的通路以及钢轨与地之间过渡电阻的存在,钢轨对地产生一定的悬浮电位差。为防止钢轨对地电位过高造成人身伤害,每个车站和车场都设有钢轨电位限制装置(ＯＶＰＤ)。为满足直流牵引供电系统安全可靠运行及保护乘客安全的要求,须合理选择ＯＶＰＤ的设备参数,并考虑与其它设备之间的配合关系。1ＯＶＰＤ动作特性及钢轨对地电位升高原因1.1ＯＶＰＤ动作特性 ＯＶＰＤ安装在各个车站及停车场内,监测钢轨与地之间的电压。如果该电压超过整定值时,ＯＶＰＤ动作,将钢轨与地短接。同时,监测流过ＯＶＰＤ中(钢轨与地之间)的电流。当该电流低于整定值时,ＯＶＰＤ将自动复位,断开钢轨与地的连接。1.2 钢轨对地电位升高的主要因素 正常运行状态下,供电区段内列车运行时,钢轨中流过牵引负荷电流,造成钢轨对地电位的升高(正值或负值)。钢轨对地电位的大小,主要与线路上机车的数量、负荷电流、牵引所间距、钢轨 地间的过渡电阻等因素相关。 当发生以下故障时,引起钢轨对电位的陡升:①接触网与钢轨发生短路;②接触网对架空地线(地)发生短路故障;③直流设备发生柜架泄漏故障;④牵引变电所整流变压器二次侧交流系统发生单相接地短路。直流系统发生故障时,必须在短时间内切除故障或降低钢轨对地电位,以保证人身及设备安全。2框架保护装置特性 框架保护装置主要用于当直流设备正极对设备外壳发生短路时,起动相应断路器跳闸,快速切除故障,使供电设备免遭损坏。它主要由电流、电压测量元件组成。电流测量元件一端接设备外壳,另一端接地,用于检测外壳与地之间流过的故障电流。电压测量元件用于测量设备外壳与直流设备负极之间的电压,一端接于负极,另一端接设备外壳。 当任意一个直流设备内正极对外壳短路时,接地电流通过电流测量元件流入地网,再通过钢轨与地之间的过渡电阻(或排流柜)回到钢轨(负极)。当接地电流达到整定值时,框架保护的电流元件动作; 同时电压测量元件检测负极与设备外壳间的电压值,当电压大于整定值时,电压元件在整定的时间内动作,使相应的交、直流断路器跳闸,切除故障。框架保护装置及ＯＶＰＤ接线如图1所示。
3ＯＶＰＤ与框架保护动作时间配合及存在问题分析3.1动作时间的配合 ＯＶＰＤ主要用于保护人身安全,其动作特性应能满足ＥＮ50122-1(ＰｒｏｔｅｃｔｉｖｅＰｒｏｖｉｓｉｏｎｓＲｅｌａｔ ｉｎｇｔｏＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＳａｆｅｔｙａｎｄＥａｒｔｈｉｎｇ)标准中规定的的人体耐受电压-时间特性曲线的要求。如表1所示。
列车的正常起动及运行时,钢轨-地电位升高。当ＯＶＰＤ测出钢轨-地电位超过整定值时,ＯＶＰＤ动作,将钢轨与地短接。由图1可知,ＯＶＰＤ与框架保护的电压元件测量基本上是同一个电压值。此时框架保护不应动作。目前采取的配合方式是框架保护电压元件动作时间整定值比ＯＶＰＤ动作时间整定值长(相同的测量电压条件下),或电压整定值比ＯＶＰＤ要高。 当直流设备的正极对设备外壳发生短路故障时,ＯＶＰＤ和框架保护的电压元件均检测到一个瞬时的高电压。此时要求框架保护应先于ＯＶＰＤ动作。3.2框架保护存在问题分析 (1)轨道交通投入运行初期,钢轨对地绝缘性能较好,当牵引所直流设备发生框架泄漏故障时,流过电流元件中的电流很小,框架保护电流元件不动作。当电压元件检测到钢轨和地之间的电压大于整定值时,框架保护在整定的时间内动作,整流机组交、直流侧断路器跳闸。当某一个牵引变电所发生框架泄漏故障时,整条线路的钢轨对地电位都会升高。即各个牵引变电所框架保护电压元件会检测到负极与地之间较高的电压值,并同时起动框架保护。如此,其它未发生框架泄漏故障的牵引变电所框架保护产生误动作,扩大了事故停电范围。当接触网对架空地线发生短路时,其动作情况与其相同。 (2)经过一段时间运行之后,钢轨对地绝缘性能下降,过渡电阻减小,发生框架故障时框架保护电流元件能够可靠动作,并作用于相应的断路器跳闸。但此时钢轨与地之间的电位差值减小,当整定值过高时,框架保护的电压元件不动作。 (3)直流设备发生框架泄漏故障时,本所的直流断路中没有电流或很小的电流流过(邻所贡献,如图1中Ｉ1/2、Ｉ2/2),直流快速开关不能在短时间内切除故障,即使直流断路器能快速跳闸,框架泄漏故障也未切除。只有当整流机组交流侧断路器跳闸后,才能切除框架泄漏故障。在故障切除之前,ＯＶＰＤ两端的电压与框架保护电压元件测量的电压相同,若ＯＶＰＤ不能在要求的时间内闭合,则可能导致电击伤人事件的发生。当ＯＶＰＤ动作后,形成了一个金属性的近端通路,通过ＯＶＰＤ的短接作用使框架保护电流元件中流过较大的短路电流,框架保护装置能够可靠动作,迅速切除故障。 当接触网对架空地线发生短路时,ＯＶＰＤ的快速动作使架空地线与负极间形成了一个金属性的通路,馈线断路器及架空地线中流过较大的短路电流,可使本所馈线断路器中的大电流脱扣,保护/定时限过电流保护动作快速跳闸,切除故障。 从以上分析可知,框架保护电压元件在实际使用过程中存在误动和拒动的可能性,有时不但起不到保护设备的作用,反而会造成事故障范围的扩大。因此建议框架保护中取消电压元件。4ＯＶＰＤ电气参数分析4.1ＯＶＰＤ的类型 ＯＶＰＤ主要有两种类型:接触器型和晶闸管接触器组合型。 接触器型ＯＶＰＤ,是在检测到轨地电位值高于整定值时,接触器动作,将钢轨与地短接,其动作时间约为150～200ｍｓ。 晶闸管接触器组合型ＯＶＰＤ,由晶闸管回路及接触器回路两个主回路构成。当检测到轨地电位值高于整定值时,晶闸管快速导通,同时起动接触器动作,将钢轨与接地极短接,因此其动作时间非常短(约为3ｍｓ)。4.2 晶闸管接触器型ＯＶＰＤ主要参数的选取(1)ＯＶＰＤ承受的最大短路电流 直流牵引供电系统中,ＯＶＰＤ承受短路电流最严重的情况是发生框架泄漏故障或接触网与架空地线短路时。当ＯＶＰＤ动作后,晶闸管主回路中通过的短路电流为本所整流机组提供的短路电流Ｉ及相邻牵引所提供的短路电流Ｉ1、Ｉ2之和(如图1所示)。根据计算结果可知(对于不同容量的整流机组、牵引变电所间距,其电流值将有所变化),晶闸管主回路中电流的变化如图2所示。因此在选取ＯＶＰＤ时,ＯＶＰＤ承受短路电流的能力应能满足最严重故障时的短路电流而不致损坏。
(2)晶闸管承受的时间 当发生框架泄漏故障时,晶闸管回路导通,框架保护电流元件测出泄漏电流。从启动框架保护到本所交流侧断路器及直流断路器全部跳闸的时间约为120～170ｍｓ,而接触器的动作时间约为150～200ｍｓ。因此,晶闸管回路承受短路电流的持续时间,应为ＯＶＰＤ晶闸管回路导通后一直到接触器回路合闸的时间。5结语 (1)当直流设备发生框架泄漏故障或接触网与架空地线短路时,为保证人身安全,ＯＶＰＤ动作时间应满足ＥＮ50122-1标准的要求。 (2)ＯＶＰＤ装置工作的最严重工况为发生框架泄漏故障或接触网与架空地线短路时。此时ＯＶＰＤ承受短路电流最大,持续时间最长,选择的ＯＶＰＤ应能承受最严重故障情况下的短路电流,而不致损坏设备。 (3)应依据供电计算得出的最大短路电流值,选取ＯＶＰＤ设备。 (4)当发生框架泄漏故障或接触网与架空地线短路故障时,导致整个线路钢轨(负极)与地电位差的陡升,引起其它牵引所的框架保护电压元件的误动,扩大事故范围。因此在采用晶闸管接触器型ＯＶＰＤ后,建议框架保护中取消电压元件。否则只会增加设备的跳闸次数,进而影响牵引系统的正常运行。参考文献1何宗华.城市轨道交通工程设计指南.北京:中国建筑工业出版社,1993.179～2072 李威.地铁杂散电流的监测与防治.城市轨道交通研究,2003(4):48
