鋼軌電位限制裝置與框架保護關系的分析摘 要 對直流牽引供電系統中鋼軌電位限制裝置在安全方面所起的作用及與框架保護配合關系進行了分析,對目前框架保護存在的問題進行了探討。并提出了鋼軌電位限制裝置主要參數的選取依據。建設在采用晶閘管接觸器型鋼軌電位限制裝置后,框架保護中取消電壓元件。關鍵詞 地鐵,鋼軌電位限制裝置,框架保護 城市軌道交通牽引供電系統采用ＤＣ1500Ｖ架空接觸網供電,以走行軌為回流通路。為減少雜散電流對土建結構鋼筋、鋼軌、設備金屬外殼及其它地下金屬管線產生腐蝕,軌道交通建設過程中采取了較為完善的雜散電流防護措施。即:直流牽引供電系統設計為不接地系統,對直流供電設備采用絕緣安裝,鋼軌通過絕緣墊與大地絕緣,以減少雜散電流的泄漏。 當供電區段有起動或運行的列車、或發生系統短路故障時,因鋼軌作為牽引回流的通路以及鋼軌與地之間過渡電阻的存在,鋼軌對地產生一定的懸浮電位差。為防止鋼軌對地電位過高造成人身傷害,每個車站和車場都設有鋼軌電位限制裝置(ＯＶＰＤ)。為滿足直流牽引供電系統安全可靠運行及保護乘客安全的要求,須合理選擇ＯＶＰＤ的設備參數,并考慮與其它設備之間的配合關系。1ＯＶＰＤ動作特性及鋼軌對地電位升高原因1.1ＯＶＰＤ動作特性 ＯＶＰＤ安裝在各個車站及停車場內,監測鋼軌與地之間的電壓。如果該電壓超過整定值時,ＯＶＰＤ動作,將鋼軌與地短接。同時,監測流過ＯＶＰＤ中(鋼軌與地之間)的電流。當該電流低于整定值時,ＯＶＰＤ將自動復位,斷開鋼軌與地的連接。1.2 鋼軌對地電位升高的主要因素 正常運行狀態下,供電區段內列車運行時,鋼軌中流過牽引負荷電流,造成鋼軌對地電位的升高(正值或負值)。鋼軌對地電位的大小,主要與線路上機車的數量、負荷電流、牽引所間距、鋼軌 地間的過渡電阻等因素相關。 當發生以下故障時,引起鋼軌對電位的陡升:①接觸網與鋼軌發生短路;②接觸網對架空地線(地)發生短路故障;③直流設備發生柜架泄漏故障;④牽引變電所整流變壓器二次側交流系統發生單相接地短路。直流系統發生故障時,必須在短時間內切除故障或降低鋼軌對地電位,以保證人身及設備安全。2框架保護裝置特性 框架保護裝置主要用于當直流設備正極對設備外殼發生短路時,起動相應斷路器跳閘,快速切除故障,使供電設備免遭損壞。它主要由電流、電壓測量元件組成。電流測量元件一端接設備外殼,另一端接地,用于檢測外殼與地之間流過的故障電流。電壓測量元件用于測量設備外殼與直流設備負極之間的電壓,一端接于負極,另一端接設備外殼。 當任意一個直流設備內正極對外殼短路時,接地電流通過電流測量元件流入地網,再通過鋼軌與地之間的過渡電阻(或排流柜)回到鋼軌(負極)。當接地電流達到整定值時,框架保護的電流元件動作; 同時電壓測量元件檢測負極與設備外殼間的電壓值,當電壓大于整定值時,電壓元件在整定的時間內動作,使相應的交、直流斷路器跳閘,切除故障。框架保護裝置及ＯＶＰＤ接線如圖1所示。
3ＯＶＰＤ與框架保護動作時間配合及存在問題分析3.1動作時間的配合 ＯＶＰＤ主要用于保護人身安全,其動作特性應能滿足ＥＮ50122-1(ＰｒｏｔｅｃｔｉｖｅＰｒｏｖｉｓｉｏｎｓＲｅｌａｔ ｉｎｇｔｏＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＳａｆｅｔｙａｎｄＥａｒｔｈｉｎｇ)標準中規定的的人體耐受電壓-時間特性曲線的要求。如表1所示。 列車的正常起動及運行時,鋼軌-地電位升高。當ＯＶＰＤ測出鋼軌-地電位超過整定值時,ＯＶＰＤ動作,將鋼軌與地短接。由圖1可知,ＯＶＰＤ與框架保護的電壓元件測量基本上是同一個電壓值。此時框架保護不應動作。目前采取的配合方式是框架保護電壓元件動作時間整定值比ＯＶＰＤ動作時間整定值長(相同的測量電壓條件下),或電壓整定值比ＯＶＰＤ要高。 當直流設備的正極對設備外殼發生短路故障時,ＯＶＰＤ和框架保護的電壓元件均檢測到一個瞬時的高電壓。此時要求框架保護應先于ＯＶＰＤ動作。3.2框架保護存在問題分析 (1)軌道交通投入運行初期,鋼軌對地絕緣性能較好,當牽引所直流設備發生框架泄漏故障時,流過電流元件中的電流很小,框架保護電流元件不動作。當電壓元件檢測到鋼軌和地之間的電壓大于整定值時,框架保護在整定的時間內動作,整流機組交、直流側斷路器跳閘。當某一個牽引變電所發生框架泄漏故障時,整條線路的鋼軌對地電位都會升高。即各個牽引變電所框架保護電壓元件會檢測到負極與地之間較高的電壓值,并同時起動框架保護。如此,其它未發生框架泄漏故障的牽引變電所框架保護產生誤動作,擴大了事故停電范圍。當接觸網對架空地線發生短路時,其動作情況與其相同。 (2)經過一段時間運行之后,鋼軌對地絕緣性能下降,過渡電阻減小,發生框架故障時框架保護電流元件能夠可靠動作,并作用于相應的斷路器跳閘。但此時鋼軌與地之間的電位差值減小,當整定值過高時,框架保護的電壓元件不動作。 (3)直流設備發生框架泄漏故障時,本所的直流斷路中沒有電流或很小的電流流過(鄰所貢獻,如圖1中Ｉ1/2、Ｉ2/2),直流快速開關不能在短時間內切除故障,即使直流斷路器能快速跳閘,框架泄漏故障也未切除。只有當整流機組交流側斷路器跳閘后,才能切除框架泄漏故障。在故障切除之前,ＯＶＰＤ兩端的電壓與框架保護電壓元件測量的電壓相同,若ＯＶＰＤ不能在要求的時間內閉合,則可能導致電擊傷人事件的發生。當ＯＶＰＤ動作后,形成了一個金屬性的近端通路,通過ＯＶＰＤ的短接作用使框架保護電流元件中流過較大的短路電流,框架保護裝置能夠可靠動作,迅速切除故障。 當接觸網對架空地線發生短路時,ＯＶＰＤ的快速動作使架空地線與負極間形成了一個金屬性的通路,饋線斷路器及架空地線中流過較大的短路電流,可使本所饋線斷路器中的大電流脫扣,保護/定時限過電流保護動作快速跳閘,切除故障。 從以上分析可知,框架保護電壓元件在實際使用過程中存在誤動和拒動的可能性,有時不但起不到保護設備的作用,反而會造成事故障范圍的擴大。因此建議框架保護中取消電壓元件。4ＯＶＰＤ電氣參數分析4.1ＯＶＰＤ的類型 ＯＶＰＤ主要有兩種類型:接觸器型和晶閘管接觸器組合型。 接觸器型ＯＶＰＤ,是在檢測到軌地電位值高于整定值時,接觸器動作,將鋼軌與地短接,其動作時間約為150～200ｍｓ。 晶閘管接觸器組合型ＯＶＰＤ,由晶閘管回路及接觸器回路兩個主回路構成。當檢測到軌地電位值高于整定值時,晶閘管快速導通,同時起動接觸器動作,將鋼軌與接地極短接,因此其動作時間非常短(約為3ｍｓ)。4.2 晶閘管接觸器型ＯＶＰＤ主要參數的選取(1)ＯＶＰＤ承受的最大短路電流 直流牽引供電系統中,ＯＶＰＤ承受短路電流最嚴重的情況是發生框架泄漏故障或接觸網與架空地線短路時。當ＯＶＰＤ動作后,晶閘管主回路中通過的短路電流為本所整流機組提供的短路電流Ｉ及相鄰牽引所提供的短路電流Ｉ1、Ｉ2之和(如圖1所示)。根據計算結果可知(對于不同容量的整流機組、牽引變電所間距,其電流值將有所變化),晶閘管主回路中電流的變化如圖2所示。因此在選取ＯＶＰＤ時,ＯＶＰＤ承受短路電流的能力應能滿足最嚴重故障時的短路電流而不致損壞。(2)晶閘管承受的時間 當發生框架泄漏故障時,晶閘管回路導通,框架保護電流元件測出泄漏電流。從啟動框架保護到本所交流側斷路器及直流斷路器全部跳閘的時間約為120～170ｍｓ,而接觸器的動作時間約為150～200ｍｓ。因此,晶閘管回路承受短路電流的持續時間,應為ＯＶＰＤ晶閘管回路導通后一直到接觸器回路合閘的時間。5結語 (1)當直流設備發生框架泄漏故障或接觸網與架空地線短路時,為保證人身安全,ＯＶＰＤ動作時間應滿足ＥＮ50122-1標準的要求。 (2)ＯＶＰＤ裝置工作的最嚴重工況為發生框架泄漏故障或接觸網與架空地線短路時。此時ＯＶＰＤ承受短路電流最大,持續時間最長,選擇的ＯＶＰＤ應能承受最嚴重故障情況下的短路電流,而不致損壞設備。 (3)應依據供電計算得出的最大短路電流值,選取ＯＶＰＤ設備。 (4)當發生框架泄漏故障或接觸網與架空地線短路故障時,導致整個線路鋼軌(負極)與地電位差的陡升,引起其它牽引所的框架保護電壓元件的誤動,擴大事故范圍。因此在采用晶閘管接觸器型ＯＶＰＤ后,建議框架保護中取消電壓元件。否則只會增加設備的跳閘次數,進而影響牽引系統的正常運行。參考文獻1何宗華.城市軌道交通工程設計指南.北京:中國建筑工業出版社,1993.179～2072 李威.地鐵雜散電流的監測與防治.城市軌道交通研究,2003(4):48
3ＯＶＰＤ與框架保護動作時間配合及存在問題分析3.1動作時間的配合 ＯＶＰＤ主要用于保護人身安全,其動作特性應能滿足ＥＮ50122-1(ＰｒｏｔｅｃｔｉｖｅＰｒｏｖｉｓｉｏｎｓＲｅｌａｔ ｉｎｇｔｏＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＳａｆｅｔｙａｎｄＥａｒｔｈｉｎｇ)標準中規定的的人體耐受電壓-時間特性曲線的要求。如表1所示。 列車的正常起動及運行時,鋼軌-地電位升高。當ＯＶＰＤ測出鋼軌-地電位超過整定值時,ＯＶＰＤ動作,將鋼軌與地短接。由圖1可知,ＯＶＰＤ與框架保護的電壓元件測量基本上是同一個電壓值。此時框架保護不應動作。目前采取的配合方式是框架保護電壓元件動作時間整定值比ＯＶＰＤ動作時間整定值長(相同的測量電壓條件下),或電壓整定值比ＯＶＰＤ要高。 當直流設備的正極對設備外殼發生短路故障時,ＯＶＰＤ和框架保護的電壓元件均檢測到一個瞬時的高電壓。此時要求框架保護應先于ＯＶＰＤ動作。3.2框架保護存在問題分析 (1)軌道交通投入運行初期,鋼軌對地絕緣性能較好,當牽引所直流設備發生框架泄漏故障時,流過電流元件中的電流很小,框架保護電流元件不動作。當電壓元件檢測到鋼軌和地之間的電壓大于整定值時,框架保護在整定的時間內動作,整流機組交、直流側斷路器跳閘。當某一個牽引變電所發生框架泄漏故障時,整條線路的鋼軌對地電位都會升高。即各個牽引變電所框架保護電壓元件會檢測到負極與地之間較高的電壓值,并同時起動框架保護。如此,其它未發生框架泄漏故障的牽引變電所框架保護產生誤動作,擴大了事故停電范圍。當接觸網對架空地線發生短路時,其動作情況與其相同。 (2)經過一段時間運行之后,鋼軌對地絕緣性能下降,過渡電阻減小,發生框架故障時框架保護電流元件能夠可靠動作,并作用于相應的斷路器跳閘。但此時鋼軌與地之間的電位差值減小,當整定值過高時,框架保護的電壓元件不動作。 (3)直流設備發生框架泄漏故障時,本所的直流斷路中沒有電流或很小的電流流過(鄰所貢獻,如圖1中Ｉ1/2、Ｉ2/2),直流快速開關不能在短時間內切除故障,即使直流斷路器能快速跳閘,框架泄漏故障也未切除。只有當整流機組交流側斷路器跳閘后,才能切除框架泄漏故障。在故障切除之前,ＯＶＰＤ兩端的電壓與框架保護電壓元件測量的電壓相同,若ＯＶＰＤ不能在要求的時間內閉合,則可能導致電擊傷人事件的發生。當ＯＶＰＤ動作后,形成了一個金屬性的近端通路,通過ＯＶＰＤ的短接作用使框架保護電流元件中流過較大的短路電流,框架保護裝置能夠可靠動作,迅速切除故障。 當接觸網對架空地線發生短路時,ＯＶＰＤ的快速動作使架空地線與負極間形成了一個金屬性的通路,饋線斷路器及架空地線中流過較大的短路電流,可使本所饋線斷路器中的大電流脫扣,保護/定時限過電流保護動作快速跳閘,切除故障。 從以上分析可知,框架保護電壓元件在實際使用過程中存在誤動和拒動的可能性,有時不但起不到保護設備的作用,反而會造成事故障范圍的擴大。因此建議框架保護中取消電壓元件。4ＯＶＰＤ電氣參數分析4.1ＯＶＰＤ的類型 ＯＶＰＤ主要有兩種類型:接觸器型和晶閘管接觸器組合型。 接觸器型ＯＶＰＤ,是在檢測到軌地電位值高于整定值時,接觸器動作,將鋼軌與地短接,其動作時間約為150～200ｍｓ。 晶閘管接觸器組合型ＯＶＰＤ,由晶閘管回路及接觸器回路兩個主回路構成。當檢測到軌地電位值高于整定值時,晶閘管快速導通,同時起動接觸器動作,將鋼軌與接地極短接,因此其動作時間非常短(約為3ｍｓ)。4.2 晶閘管接觸器型ＯＶＰＤ主要參數的選取(1)ＯＶＰＤ承受的最大短路電流 直流牽引供電系統中,ＯＶＰＤ承受短路電流最嚴重的情況是發生框架泄漏故障或接觸網與架空地線短路時。當ＯＶＰＤ動作后,晶閘管主回路中通過的短路電流為本所整流機組提供的短路電流Ｉ及相鄰牽引所提供的短路電流Ｉ1、Ｉ2之和(如圖1所示)。根據計算結果可知(對于不同容量的整流機組、牽引變電所間距,其電流值將有所變化),晶閘管主回路中電流的變化如圖2所示。因此在選取ＯＶＰＤ時,ＯＶＰＤ承受短路電流的能力應能滿足最嚴重故障時的短路電流而不致損壞。(2)晶閘管承受的時間 當發生框架泄漏故障時,晶閘管回路導通,框架保護電流元件測出泄漏電流。從啟動框架保護到本所交流側斷路器及直流斷路器全部跳閘的時間約為120～170ｍｓ,而接觸器的動作時間約為150～200ｍｓ。因此,晶閘管回路承受短路電流的持續時間,應為ＯＶＰＤ晶閘管回路導通后一直到接觸器回路合閘的時間。5結語 (1)當直流設備發生框架泄漏故障或接觸網與架空地線短路時,為保證人身安全,ＯＶＰＤ動作時間應滿足ＥＮ50122-1標準的要求。 (2)ＯＶＰＤ裝置工作的最嚴重工況為發生框架泄漏故障或接觸網與架空地線短路時。此時ＯＶＰＤ承受短路電流最大,持續時間最長,選擇的ＯＶＰＤ應能承受最嚴重故障情況下的短路電流,而不致損壞設備。 (3)應依據供電計算得出的最大短路電流值,選取ＯＶＰＤ設備。 (4)當發生框架泄漏故障或接觸網與架空地線短路故障時,導致整個線路鋼軌(負極)與地電位差的陡升,引起其它牽引所的框架保護電壓元件的誤動,擴大事故范圍。因此在采用晶閘管接觸器型ＯＶＰＤ后,建議框架保護中取消電壓元件。否則只會增加設備的跳閘次數,進而影響牽引系統的正常運行。參考文獻1何宗華.城市軌道交通工程設計指南.北京:中國建筑工業出版社,1993.179～2072 李威.地鐵雜散電流的監測與防治.城市軌道交通研究,2003(4):48
