鋼軌電位限制裝置與框架保護(hù)關(guān)系的分析摘 要 對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)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(hù)配合關(guān)系進(jìn)行了分析,對(duì)目前框架保護(hù)存在的問(wèn)題進(jìn)行了探討。并提出了鋼軌電位限制裝置主要參數(shù)的選取依據(jù)。建設(shè)在采用晶閘管接觸器型鋼軌電位限制裝置后,框架保護(hù)中取消電壓元件。關(guān)鍵詞 地鐵,鋼軌電位限制裝置,框架保護(hù) 城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)采用DC1500V架空接觸網(wǎng)供電,以走行軌為回流通路。為減少雜散電流對(duì)土建結(jié)構(gòu)鋼筋、鋼軌、設(shè)備金屬外殼及其它地下金屬管線(xiàn)產(chǎn)生腐蝕,軌道交通建設(shè)過(guò)程中采取了較為完善的雜散電流防護(hù)措施。即:直流牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為不接地系統(tǒng),對(duì)直流供電設(shè)備采用絕緣安裝,鋼軌通過(guò)絕緣墊與大地絕緣,以減少雜散電流的泄漏。 當(dāng)供電區(qū)段有起動(dòng)或運(yùn)行的列車(chē)、或發(fā)生系統(tǒng)短路故障時(shí),因鋼軌作為牽引回流的通路以及鋼軌與地之間過(guò)渡電阻的存在,鋼軌對(duì)地產(chǎn)生一定的懸浮電位差。為防止鋼軌對(duì)地電位過(guò)高造成人身傷害,每個(gè)車(chē)站和車(chē)場(chǎng)都設(shè)有鋼軌電位限制裝置(OVPD)。為滿(mǎn)足直流牽引供電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行及保護(hù)乘客安全的要求,須合理選擇OVPD的設(shè)備參數(shù),并考慮與其它設(shè)備之間的配合關(guān)系。1OVPD動(dòng)作特性及鋼軌對(duì)地電位升高原因1.1OVPD動(dòng)作特性 OVPD安裝在各個(gè)車(chē)站及停車(chē)場(chǎng)內(nèi),監(jiān)測(cè)鋼軌與地之間的電壓。如果該電壓超過(guò)整定值時(shí),OVPD動(dòng)作,將鋼軌與地短接。同時(shí),監(jiān)測(cè)流過(guò)OVPD中(鋼軌與地之間)的電流。當(dāng)該電流低于整定值時(shí),OVPD將自動(dòng)復(fù)位,斷開(kāi)鋼軌與地的連接。1.2 鋼軌對(duì)地電位升高的主要因素 正常運(yùn)行狀態(tài)下,供電區(qū)段內(nèi)列車(chē)運(yùn)行時(shí),鋼軌中流過(guò)牽引負(fù)荷電流,造成鋼軌對(duì)地電位的升高(正值或負(fù)值)。鋼軌對(duì)地電位的大小,主要與線(xiàn)路上機(jī)車(chē)的數(shù)量、負(fù)荷電流、牽引所間距、鋼軌 地間的過(guò)渡電阻等因素相關(guān)。 當(dāng)發(fā)生以下故障時(shí),引起鋼軌對(duì)電位的陡升:①接觸網(wǎng)與鋼軌發(fā)生短路;②接觸網(wǎng)對(duì)架空地線(xiàn)(地)發(fā)生短路故障;③直流設(shè)備發(fā)生柜架泄漏故障;④牽引變電所整流變壓器二次側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路。直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),必須在短時(shí)間內(nèi)切除故障或降低鋼軌對(duì)地電位,以保證人身及設(shè)備安全。2框架保護(hù)裝置特性 框架保護(hù)裝置主要用于當(dāng)直流設(shè)備正極對(duì)設(shè)備外殼發(fā)生短路時(shí),起動(dòng)相應(yīng)斷路器跳閘,快速切除故障,使供電設(shè)備免遭損壞。它主要由電流、電壓測(cè)量元件組成。電流測(cè)量元件一端接設(shè)備外殼,另一端接地,用于檢測(cè)外殼與地之間流過(guò)的故障電流。電壓測(cè)量元件用于測(cè)量設(shè)備外殼與直流設(shè)備負(fù)極之間的電壓,一端接于負(fù)極,另一端接設(shè)備外殼。 當(dāng)任意一個(gè)直流設(shè)備內(nèi)正極對(duì)外殼短路時(shí),接地電流通過(guò)電流測(cè)量元件流入地網(wǎng),再通過(guò)鋼軌與地之間的過(guò)渡電阻(或排流柜)回到鋼軌(負(fù)極)。當(dāng)接地電流達(dá)到整定值時(shí),框架保護(hù)的電流元件動(dòng)作; 同時(shí)電壓測(cè)量元件檢測(cè)負(fù)極與設(shè)備外殼間的電壓值,當(dāng)電壓大于整定值時(shí),電壓元件在整定的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作,使相應(yīng)的交、直流斷路器跳閘,切除故障。框架保護(hù)裝置及OVPD接線(xiàn)如圖1所示。
3OVPD與框架保護(hù)動(dòng)作時(shí)間配合及存在問(wèn)題分析3.1動(dòng)作時(shí)間的配合 OVPD主要用于保護(hù)人身安全,其動(dòng)作特性應(yīng)能滿(mǎn)足EN50122-1(ProtectiveProvisionsRelat ingtoElectricalSafetyandEarthing)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的的人體耐受電壓-時(shí)間特性曲線(xiàn)的要求。如表1所示。
列車(chē)的正常起動(dòng)及運(yùn)行時(shí),鋼軌-地電位升高。當(dāng)OVPD測(cè)出鋼軌-地電位超過(guò)整定值時(shí),OVPD動(dòng)作,將鋼軌與地短接。由圖1可知,OVPD與框架保護(hù)的電壓元件測(cè)量基本上是同一個(gè)電壓值。此時(shí)框架保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作。目前采取的配合方式是框架保護(hù)電壓元件動(dòng)作時(shí)間整定值比OVPD動(dòng)作時(shí)間整定值長(zhǎng)(相同的測(cè)量電壓條件下),或電壓整定值比OVPD要高。 當(dāng)直流設(shè)備的正極對(duì)設(shè)備外殼發(fā)生短路故障時(shí),OVPD和框架保護(hù)的電壓元件均檢測(cè)到一個(gè)瞬時(shí)的高電壓。此時(shí)要求框架保護(hù)應(yīng)先于OVPD動(dòng)作。3.2框架保護(hù)存在問(wèn)題分析 (1)軌道交通投入運(yùn)行初期,鋼軌對(duì)地絕緣性能較好,當(dāng)牽引所直流設(shè)備發(fā)生框架泄漏故障時(shí),流過(guò)電流元件中的電流很小,框架保護(hù)電流元件不動(dòng)作。當(dāng)電壓元件檢測(cè)到鋼軌和地之間的電壓大于整定值時(shí),框架保護(hù)在整定的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作,整流機(jī)組交、直流側(cè)斷路器跳閘。當(dāng)某一個(gè)牽引變電所發(fā)生框架泄漏故障時(shí),整條線(xiàn)路的鋼軌對(duì)地電位都會(huì)升高。即各個(gè)牽引變電所框架保護(hù)電壓元件會(huì)檢測(cè)到負(fù)極與地之間較高的電壓值,并同時(shí)起動(dòng)框架保護(hù)。如此,其它未發(fā)生框架泄漏故障的牽引變電所框架保護(hù)產(chǎn)生誤動(dòng)作,擴(kuò)大了事故停電范圍。當(dāng)接觸網(wǎng)對(duì)架空地線(xiàn)發(fā)生短路時(shí),其動(dòng)作情況與其相同。 (2)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行之后,鋼軌對(duì)地絕緣性能下降,過(guò)渡電阻減小,發(fā)生框架故障時(shí)框架保護(hù)電流元件能夠可靠動(dòng)作,并作用于相應(yīng)的斷路器跳閘。但此時(shí)鋼軌與地之間的電位差值減小,當(dāng)整定值過(guò)高時(shí),框架保護(hù)的電壓元件不動(dòng)作。 (3)直流設(shè)備發(fā)生框架泄漏故障時(shí),本所的直流斷路中沒(méi)有電流或很小的電流流過(guò)(鄰所貢獻(xiàn),如圖1中I1/2、I2/2),直流快速開(kāi)關(guān)不能在短時(shí)間內(nèi)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(dāng)整流機(jī)組交流側(cè)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(hù)電壓元件測(cè)量的電壓相同,若OVPD不能在要求的時(shí)間內(nèi)閉合,則可能導(dǎo)致電擊傷人事件的發(fā)生。當(dāng)OVPD動(dòng)作后,形成了一個(gè)金屬性的近端通路,通過(guò)OVPD的短接作用使框架保護(hù)電流元件中流過(guò)較大的短路電流,框架保護(hù)裝置能夠可靠動(dòng)作,迅速切除故障。 當(dāng)接觸網(wǎng)對(duì)架空地線(xiàn)發(fā)生短路時(shí),OVPD的快速動(dòng)作使架空地線(xiàn)與負(fù)極間形成了一個(gè)金屬性的通路,饋線(xiàn)斷路器及架空地線(xiàn)中流過(guò)較大的短路電流,可使本所饋線(xiàn)斷路器中的大電流脫扣,保護(hù)/定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作快速跳閘,切除故障。 從以上分析可知,框架保護(hù)電壓元件在實(shí)際使用過(guò)程中存在誤動(dòng)和拒動(dòng)的可能性,有時(shí)不但起不到保護(hù)設(shè)備的作用,反而會(huì)造成事故障范圍的擴(kuò)大。因此建議框架保護(hù)中取消電壓元件。4OVPD電氣參數(shù)分析4.1OVPD的類(lèi)型 OVPD主要有兩種類(lèi)型:接觸器型和晶閘管接觸器組合型。 接觸器型OVPD,是在檢測(cè)到軌地電位值高于整定值時(shí),接觸器動(dòng)作,將鋼軌與地短接,其動(dòng)作時(shí)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(gè)主回路構(gòu)成。當(dāng)檢測(cè)到軌地電位值高于整定值時(shí),晶閘管快速導(dǎo)通,同時(shí)起動(dòng)接觸器動(dòng)作,將鋼軌與接地極短接,因此其動(dòng)作時(shí)間非常短(約為3ms)。4.2 晶閘管接觸器型OVPD主要參數(shù)的選取(1)OVPD承受的最大短路電流 直流牽引供電系統(tǒng)中,OVPD承受短路電流最嚴(yán)重的情況是發(fā)生框架泄漏故障或接觸網(wǎng)與架空地線(xiàn)短路時(shí)。當(dāng)OVPD動(dòng)作后,晶閘管主回路中通過(guò)的短路電流為本所整流機(jī)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(jù)計(jì)算結(jié)果可知(對(duì)于不同容量的整流機(jī)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(shí),OVPD承受短路電流的能力應(yīng)能滿(mǎn)足最嚴(yán)重故障時(shí)的短路電流而不致?lián)p壞。
(2)晶閘管承受的時(shí)間 當(dāng)發(fā)生框架泄漏故障時(shí),晶閘管回路導(dǎo)通,框架保護(hù)電流元件測(cè)出泄漏電流。從啟動(dòng)框架保護(hù)到本所交流側(cè)斷路器及直流斷路器全部跳閘的時(shí)間約為120~170ms,而接觸器的動(dòng)作時(shí)間約為150~200ms。因此,晶閘管回路承受短路電流的持續(xù)時(shí)間,應(yīng)為OVPD晶閘管回路導(dǎo)通后一直到接觸器回路合閘的時(shí)間。5結(jié)語(yǔ) (1)當(dāng)直流設(shè)備發(fā)生框架泄漏故障或接觸網(wǎng)與架空地線(xiàn)短路時(shí),為保證人身安全,OVPD動(dòng)作時(shí)間應(yīng)滿(mǎn)足EN50122-1標(biāo)準(zhǔn)的要求。 (2)OVPD裝置工作的最嚴(yán)重工況為發(fā)生框架泄漏故障或接觸網(wǎng)與架空地線(xiàn)短路時(shí)。此時(shí)OVPD承受短路電流最大,持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng),選擇的OVPD應(yīng)能承受最嚴(yán)重故障情況下的短路電流,而不致?lián)p壞設(shè)備。 (3)應(yīng)依據(jù)供電計(jì)算得出的最大短路電流值,選取OVPD設(shè)備。 (4)當(dāng)發(fā)生框架泄漏故障或接觸網(wǎng)與架空地線(xiàn)短路故障時(shí),導(dǎo)致整個(gè)線(xiàn)路鋼軌(負(fù)極)與地電位差的陡升,引起其它牽引所的框架保護(hù)電壓元件的誤動(dòng),擴(kuò)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(hù)中取消電壓元件。否則只會(huì)增加設(shè)備的跳閘次數(shù),進(jìn)而影響牽引系統(tǒng)的正常運(yùn)行。參考文獻(xiàn)1何宗華.城市軌道交通工程設(shè)計(jì)指南.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1993.179~2072 李威.地鐵雜散電流的監(jiān)測(cè)與防治.城市軌道交通研究,2003(4):48


