地鐵直流牽引供電系統(tǒng)框架泄漏保護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)摘 要 介紹了地鐵直流牽引供電系統(tǒng)框架泄漏保護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過對(duì)牽引變電所整流器獨(dú)立設(shè)置一套框架泄漏保護(hù)裝置,可以縮小整流器故障時(shí)框架泄漏保護(hù)動(dòng)作的影響范圍,提高直流牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和靈活性。關(guān)鍵詞 地鐵;直流牽引供電;框架泄漏保護(hù);優(yōu)化設(shè)計(jì) 地鐵直流牽引供電系統(tǒng)是列車的動(dòng)力之源,其安全可靠運(yùn)行是地鐵運(yùn)營(yíng)關(guān)注的重點(diǎn)。在確定直流牽引供電系統(tǒng)方案時(shí),應(yīng)綜合分析系統(tǒng)的靈活性和可靠性。一方面應(yīng)考慮地鐵列車高密度運(yùn)行的外部條件;另一方面應(yīng)考慮當(dāng)直流供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),能迅速切除故障點(diǎn),同時(shí)通過相鄰牽引變電所及時(shí)恢復(fù)對(duì)地鐵列車的供電。本文以南京地鐵2號(hào)線工程為例,在直流牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)置中,提出了在整流器柜和直流開關(guān)柜分別設(shè)置框架泄漏保護(hù)的創(chuàng)新方案。該方案可大大縮小整流器柜故障框架泄漏保護(hù)動(dòng)作的影響范圍,提高了直流供電系統(tǒng)的可靠性。1 框架泄漏保護(hù)的作用 南京地鐵供電系統(tǒng)采用交流110/35 kV兩級(jí)電壓、集中供電方式,直流系統(tǒng)采用1 500 V架空接觸網(wǎng)供電;牽引變電所兩套整流機(jī)組掛接于同一段35kV母線上,直流開關(guān)柜進(jìn)線開關(guān)和饋線開關(guān)均采用直流快速斷路器。直流牽引供電系統(tǒng)接線方案見圖1。
牽引變電所內(nèi)的直流供電設(shè)備采用絕緣安裝,主要包括1 500 V直流開關(guān)柜、整流器柜、負(fù)極柜等。當(dāng)直流設(shè)備內(nèi)的1 500 V正極對(duì)設(shè)備外殼發(fā)生泄漏時(shí),如不及時(shí)切除,容易將故障擴(kuò)大為1 500 V正極通過設(shè)備外殼對(duì)負(fù)極間的短路事故。而直流系統(tǒng)的短路電流非常大,正、負(fù)極短路時(shí)的短路電流可達(dá)幾萬A,對(duì)直流設(shè)備將造成嚴(yán)重危害。框架泄漏保護(hù)是專門針對(duì)直流供電設(shè)備對(duì)正極與柜體發(fā)生故障時(shí)的保護(hù)措施。其保護(hù)原理是當(dāng)正極對(duì)柜體外殼發(fā)生絕緣損壞時(shí),能及時(shí)切除故障,保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 一般情況下,框架泄漏保護(hù)動(dòng)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(qū)段供電的饋線斷路器跳閘,并閉鎖合閘。此時(shí),為了恢復(fù)地鐵列車的供電,應(yīng)及時(shí)退出本牽引變電所直流設(shè)備,復(fù)歸框架泄漏保護(hù)動(dòng)作信號(hào),通過接觸網(wǎng)越區(qū)隔離開關(guān)合閘,實(shí)現(xiàn)相鄰牽引變電所對(duì)故障變電所供電區(qū)域接觸網(wǎng)的供電。因此,框架泄漏保護(hù)動(dòng)作會(huì)造成大面積的牽引網(wǎng)停電,且隔離故障恢復(fù)送電時(shí)間長(zhǎng),對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)影響大。
2 框架泄漏保護(hù)的一般設(shè)置方案2. 1 設(shè)置原理 框架泄漏保護(hù)裝置由電流元件和電壓元件組成。電流元件可檢測(cè)直流設(shè)備由外殼至接地網(wǎng)的故障泄漏電流;電壓元件測(cè)量直流設(shè)備外殼與直流設(shè)備負(fù)極之間的電壓,一端接直流設(shè)備外殼,另一端接直流系統(tǒng)負(fù)極。電壓元件檢測(cè)到的電壓等價(jià)于鋼軌和地之間的電壓。運(yùn)行過程中,通過判斷檢測(cè)到的故障電流和電壓,實(shí)現(xiàn)保護(hù)跳閘切除故障。一般來說,牽引變電所的直流開關(guān)柜成排布置,負(fù)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(shè)備的外殼保護(hù)接地連接成一個(gè)整體,通過負(fù)極柜的電流元件與牽引變電所接地網(wǎng)單點(diǎn)相連。其電流檢測(cè)元件和電壓檢測(cè)元件的接線如圖2所示。南京地鐵1號(hào)線以及國(guó)內(nèi)其它地鐵直流框架泄漏保護(hù)基本都采用這種設(shè)計(jì)方案。2. 2 運(yùn)行方式 直流系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí),電流檢測(cè)回路沒有電流通過。當(dāng)牽引變電所任意直流設(shè)備內(nèi)正極對(duì)外殼短路時(shí),接地電流通過電流元件流入接地網(wǎng),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(fù)極)。當(dāng)直流設(shè)備內(nèi)正極對(duì)外殼短路時(shí),地電位升高,電壓元件會(huì)在鋼軌和地之間檢測(cè)到一個(gè)電壓。當(dāng)這個(gè)電壓大于電壓元件整定值時(shí),電壓元件應(yīng)在整定的時(shí)間動(dòng)作。當(dāng)接地電流達(dá)到整定值時(shí),框架泄漏保護(hù)的電流元件動(dòng)作,使整流機(jī)組的交流35 kV進(jìn)線斷路器及本牽引變電所的所有直流斷路器跳閘,并聯(lián)跳相鄰牽引變電所向相同區(qū)段供電的直流饋線斷路器。故障排除以后,必須人工復(fù)歸框架泄漏保護(hù),所有交流和直流斷路器才能重新投入,恢復(fù)系統(tǒng)供電。
框架泄漏保護(hù)的電壓元件由兩段組成,Ⅰ段報(bào)警,Ⅱ段跳閘。框架泄漏保護(hù)裝置的電壓元件根據(jù)EN50122—1:12.97標(biāo)準(zhǔn)中的人體耐受電壓-時(shí)間特性曲線進(jìn)行整定。當(dāng)牽引變電所設(shè)置鋼軌電位限制裝置時(shí), 框架泄漏保護(hù)的電壓元件動(dòng)作時(shí)間必須延長(zhǎng)。2. 3 故障影響范圍 當(dāng)牽引變電所任意直流設(shè)備內(nèi)正極對(duì)外殼短路時(shí),框架泄漏保護(hù)裝置無論是電流元件還是電壓元件動(dòng)作,不但本牽引變電所解列退出運(yùn)行,同時(shí)將導(dǎo)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(shí),必須及時(shí)進(jìn)行倒閘作業(yè),通過接觸網(wǎng)越區(qū)隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)越區(qū)供電,將故障牽引變電所隔離。框架泄漏保護(hù)動(dòng)作將直接導(dǎo)致大面積停電,且恢復(fù)送電的時(shí)間過程長(zhǎng),對(duì)列車運(yùn)營(yíng)造成極大的影響。3 框架泄漏保護(hù)優(yōu)化設(shè)置方案3. 1 設(shè)置原理 一般情況下,整流器是在牽引變電所直流設(shè)備中相對(duì)比較容易出現(xiàn)故障的設(shè)備,其故障大部分都會(huì)啟動(dòng)框架泄漏保護(hù)動(dòng)作,造成接觸網(wǎng)大面積停電,影響地鐵運(yùn)營(yíng)。 南京地鐵2號(hào)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(guān)選用直流快速斷路器,因此可通過直流進(jìn)線斷路器將整流器故障隔離。根據(jù)這一特點(diǎn),可以為整流器獨(dú)立設(shè)置一套框架泄漏保護(hù)裝置。當(dāng)發(fā)生整流器故障時(shí),只需切斷直流進(jìn)線斷路器和整流機(jī)組交流35 kV進(jìn)線斷路器,就不會(huì)造成直流饋線斷路器跳閘和接觸網(wǎng)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(hù)裝置中,電壓元件測(cè)量的是外殼(地)與負(fù)極的電壓,因此整流器和直流開關(guān)柜可以共用一套,并統(tǒng)一設(shè)置在負(fù)極柜內(nèi)。3. 2 安裝形式 框架泄漏保護(hù)裝置的兩套電流元件、一套電壓元件都安裝在負(fù)極柜內(nèi)。其元件設(shè)置及電纜聯(lián)系如圖3所示。 整流器和負(fù)極柜絕緣安裝。其框架保護(hù)接地銅排經(jīng)過電流元件單點(diǎn)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(guān)柜也需絕緣安裝。其框架保護(hù)接地銅排先用1×150 mm2接地電纜連接到負(fù)極柜內(nèi)的電流元件后,再單點(diǎn)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(fù)極柜內(nèi)的保護(hù)接地銅排與負(fù)極間設(shè)置框架泄漏保護(hù)電壓元件。3. 3 故障動(dòng)作分析3. 3. 1 整流器發(fā)生框架泄漏故障 整流器發(fā)生故障一般都會(huì)啟動(dòng)框架泄漏保護(hù)裝置的電流元件動(dòng)作。在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中,整流機(jī)組35 kV交流進(jìn)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(qū)供電,使接觸網(wǎng)不會(huì)停電,列車正常運(yùn)行。3. 3. 2 直流開關(guān)柜發(fā)生框架泄漏故障 直路開關(guān)柜發(fā)生框架泄漏故障時(shí),電流元件動(dòng)作。在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中,整流機(jī)組35 kV交流進(jìn)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(shí)聯(lián)跳并閉鎖相鄰牽引變電所對(duì)應(yīng)向本區(qū)段供電的直流饋線斷路器。此時(shí),故障牽引變電所解列,通過接觸網(wǎng)越區(qū)隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)大雙邊供電,需要當(dāng)?shù)嘏懦收喜?fù)歸電流元件,才能恢復(fù)故障牽引變電所向接觸網(wǎng)供電。3. 3. 3 框架泄漏保護(hù)電壓元件動(dòng)作 牽引變電所內(nèi)設(shè)置鋼軌電位限制裝置。當(dāng)鋼軌對(duì)地電位超過設(shè)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(hù)電壓元件的測(cè)量電壓與鋼軌電位限制裝置的測(cè)量電壓相同。此時(shí)電壓元件僅作為鋼軌電位限制裝置的后備保護(hù),其保護(hù)的對(duì)象是設(shè)備,而鋼軌電位限制裝置保護(hù)的對(duì)象是人。 當(dāng)鋼軌電位限制裝置拒動(dòng)后,負(fù)極與地的電位將繼續(xù)升高,框架泄漏保護(hù)電壓元件首先發(fā)出報(bào)警。當(dāng)超過一定時(shí)限和電壓值時(shí),電壓元件將發(fā)出跳閘信號(hào),將整流機(jī)組的35 kV交流進(jìn)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(shí)聯(lián)跳相鄰牽引變電所對(duì)應(yīng)向本區(qū)段供電的直流饋線斷路器。4 結(jié)語 框架泄漏保護(hù)的設(shè)置一直是地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。這是因?yàn)榭蚣苄孤┍Wo(hù)動(dòng)作后影響范圍大,停電面積廣,恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng),對(duì)列車運(yùn)行造成的影響大。根據(jù)國(guó)內(nèi)地鐵直流牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行情況,在直流設(shè)備中,因整流器發(fā)生故障導(dǎo)致框架泄漏保護(hù)動(dòng)作的情況較為普遍。因此,通過對(duì)框架泄漏保護(hù)的優(yōu)化設(shè)置,可以隔離整流器故障導(dǎo)致框架泄漏保護(hù)動(dòng)作的影響范圍,保證了直流系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和靈活性。參考文獻(xiàn)[1]趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2004.[2]朱德敏,王純偉,趙明.框架泄漏保護(hù)裝置的應(yīng)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(guān)柜框架泄漏保護(hù)探討[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2001, 25(14): 64.[4]何宗華.城市軌道交通工程設(shè)計(jì)指南[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1993.


