刘炜涛 李文根
成都地铁运营有限公司 四川成都 610000
摘要：框架保护是直流系统特有的一种保护方式，在地铁牵引供电系统中经常因框架绝缘降低造成开关误动，对地铁运营造成极大影响。本文介绍了框架保护的基本原理及其保护设置方案、根据国内地铁实际运营情况提出框架保护几点优化改进措施。
关键字：框架保护，保护方案，优化改进措施
1.直流框架保护动作原理
与交流系统不同，直流系统的正负极母排均采用绝缘安装方式，主要包括1500V直流开关柜、整流器柜、负极柜等。当直流设备内的1500V正极对设备外壳发生泄漏时，容易将故障扩大为1500V正极通过设备外壳对负极间的短路事故，如不及时切除，严重威胁人身及设备安全。框架保护就是为了防止带电体对柜体发生泄漏或绝缘闪络时，直流系统原有的保护并不能发挥作用，及时切除故障，保证系统的安全运行。直流系统的短路电流非常大，正、负极短路时的短路电流可达上万安培，对直流设备将造成严重危害。直流框架保护的设置是为了防止直流开关带电设备对直流柜柜体发生泄漏或绝缘损坏闪络时，其余的直流保护起不到应有的作用时，对人身和设备产生伤害。框架泄漏保护是专门针对直流供电设备对正极与柜体发生故障时的保护措施，其保护原理是当正极对柜体外壳发生绝缘损坏时，能及时切除故障，保证系统的安全运行。
框架保护动作可能原因有：1）接触网短路、或有闪络或局部持续放电伴随框架泄漏；2）小动物或其他物件引起框架泄漏；3）轨电位偏高引起框架电压动作；4）误操作或出清时遗留工器具引起正极对框架短路；5）开关柜正极或电缆存在对框架的短路或放电现象。
当发生正极对框架的泄漏事故时，泄漏电流通过开关柜柜体框架，流经框架电流检测 元件、接地网、钢轨对地泄漏电阻、钢轨回到负极。当框架电流元件检测到泄漏电流达到整定值时，会向相应设备发送保护动作信号。当框架电压元件检测到框架和负极之间的电位达到整定值时，向相应设备发送动作信号。
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2.直流框架保护的分类
在常规地铁设计中直流框架保护分为电流型和电压型两种，其中电压型框架保护作为电流型框架保护的后备保护。电流型检测设备外壳对大地的电流，电压型则检测设备外壳对负极之间的电压。由于设备壳体与大地间串接的电流元件电阻较小，通常可认为设备壳体直接接地，而钢轨和直流设备负极母排直接相连，所以框架电压实际检测的是钢轨和大地之间的电压值，还与车站的钢轨电位限制装置相配合，作为钢轨电位限制装置的后备保护。
3.地铁直流牵引系统框架保护基本设置情况
直流系统正常运行情况下，设备绝缘状况良好，电流元件检测框架电流为零，当直流设备绝缘降低后，正极对柜体外壳放电或短路时，采样电流达到保护整定值（通常设定为80A），电流型框架保护动作，同时向交直流侧断路器发出跳闸命令，本所4个直流馈线开关和2个35kV整流变开关跳闸，同时联跳相邻牵引站中与本站相同供电分区的上下行直流开关，经现场确认后才能进行送电。
在城市轨道交通的牵引供电系统中，为了减少杂散电流的泄漏途径，降低杂散电流对钢轨、道床结构钢筋等金属体的电化学腐蚀，直流设备和钢轨均采用绝缘安装。由于钢轨对地的绝缘电阻随着绝缘材料的性能改变发生变化，所以框架电流回路电阻是不确定的，当电阻很大时，可能会造成电流检测值达不到保护定值要求，造成设备无法可靠动作，设置电压型框架保护就是为了弥补这个缺陷，当框架电压超过报警值时发出报警信号，大于150V时向交直流开关发出跳闸命令，联跳本站和相邻2个牵引站的直流馈线开关。
4.框架保护优化措施
（1）合理选择绝缘安装措施，提高框架绝缘电阻值。传统绝缘安装方式采用在基础槽钢上增加绝缘板安装，该方式受现场施工、环境因素影响较大，安装完成后绝缘电阻测试值整体较低，运营后故障率高。经过优化调整，目前部分地铁采用绝缘支柱安装方式提高柜体整体绝缘电阻值，单体绝缘值可达到50兆欧甚至更高。
（2）合理设置框架保护方案。早期线路只考虑设置一套框架保护，电流元件无方向判断，且任一直流设备发生泄漏后均会造成全所直流设备跳闸，影响范围大；后续线路通常采用两套或多套框架保护方案（直流开关柜设置一套、整流柜和负极柜合用一套），此外新建线路设置有再生制动能馈系统需额外再设置一套保护。
（3）优化检测手段。框架电流检测通常设置继电器式或分流器式电流元件。目前两种方案均有正常使用案例，继电器式结构相对简单，更节约柜内安装空间，但受制于其整体质量和运行稳定性。分流器检测更直接，具有电流方向判断，由保护装置判断是否达到设定值从而启动保护。根据现场运行情况，笔者认为设置分流器方案更为可靠。同时设置框架电流实时显示及存储单元，便于运维人员及时观测框架电流变化情况，做好故障预判。
5.结束语
作为直流系统一种重要保护，框架保护直接影响到运营安全。今天，轨道交通以其便捷性已成为市民出行方式的首要选择，在公共安全要求不断提高的同时，根据地铁运营经验的不断积累，采取不同优化措施后，可靠性可得到进一步提升。框架保护动作会造成接触轨大面积停电，成熟的地铁必须有一套完备的框架保护应急机制。我们应吸取成熟地铁的经验并根据实际情况，改善框架保护监测装置的性能。同时在日常的巡检中要密切注意设备及电缆的绝缘情况特别是变电所设备大修时做好绝缘水平的测量；在防止异物入侵方面要加强对变电所孔洞的排查封堵，减少鼠害的发生；检修作业时严格注意现场工具出清，杜绝人为原因造成框架电流泄漏。在电流型框架保护动作时要第一时间启动应急预案，由变电所电力监控系统提供的信息和现场情况判断故障点的大致范围，尽快排除泄漏点，配合电调恢复送电，保证设备安全的同时将影响地铁运营的时间尽可能的缩短。
参考文献：
[1]黄伟光.地铁牵引所框架保护的优化方案[J].世界轨道交通，2010（04）.
论文作者:刘炜涛,李文根
论文发表刊物:《防护工程》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/26
标签：框架论文; 电流论文; 设备论文; 钢轨论文; 负极论文; 正极论文; 地铁论文; 《防护工程》2018年第24期论文;