1.地铁直流框架保护设置的意义
牵引变电所内的直流供电设备采用绝缘安装，主要包括1500V直流开关柜、整流器柜、负极柜等。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。当直流设备内的1500V正极对设备外壳发生泄漏时，如不及时切除，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。而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几万安培，对直流设备将造成严重危害。框架泄漏电流保护是专为直流设备配备的对正极与柜体发生故障时的一种保护措施，其保护原理是当正极对柜体外壳发生绝缘损坏时，快速切除故障，保证系统的安全运行。
2.地铁直流框架保护配置及工作原理
2.1框架泄漏电流保护范围的选择
框架泄漏电流保护的范围主要为整流器柜、直流开关柜、负极柜、上网隔离开关柜、再生制动能量回馈装置，根据不同的地铁线路设置有所不同，保护范围也有所不同。由于上网隔离开关柜安装于馈线断路器的馈出侧，所以当上网隔离开关发生正极对柜体泄漏故障时，对应的直流馈线柜保护装置的保护功能（如大电流脱扣保护、电流增量保护、电流速断保护、过电流保护、电流变化率保护）会准及动作，断开馈线断路器，切除故障点，保证设备的安全运行。为节约建设成本，同时也避免上网开关发生泄漏电流故障时保护重复动作，因此牵引变电所框架泄漏电流保护的范围一般不考虑上网隔离开关，但除上网隔离开关外其他直流供电设备均需考虑设置框架泄漏电流保护。
2.2 框架电流保护设置方案的选择
框架泄漏电流保护方案的设置对故障的发生几率和保护范围均有所影响，因此，对于不同的地铁线路考虑有所不同，框架泄漏电流的设置方案选择也有所不同。目前国内地铁线路的设计主要有以下几种：
（1）在负极柜设置一套框架泄漏保护装置，用于整流器、直流开关柜、负极柜的框架泄漏电流保护。当发生框架泄漏电流故障时，相邻两牵引所之间的供电区段全部停电，造成接触轨大范围失电，需通过单边供电或大双边供电为列车提供电能，该种设置方式由于只有一套框架泄漏保护，发生保护误动的几率较低，如青岛地铁就是这样设计的。
（2）设置三套框架泄漏电流保护，其中在两台整流器柜旁分别为两台整流器柜设置两套框架泄漏电流保护，在负极柜内为直流开关柜设置一套框架泄漏电流保护。当整流器正极对外壳短路，发生框架泄漏电流故障时，只联跳整流器对应的交流断路器和直流进线断路器，另一台整流器组初期可继续运行，不中断直流供电，后期根据运营需求可调整为大双边或单边供电方式运行。该种设置方式不会造成大范围停电，但是由于多增设了两台保护装置，误动作概率有所上升，如深圳二号线就是采取的该种设计方案。
（3）用一套框架泄漏电流保护实现三套的功能，主要思路是每台整流器柜和直流开关柜外壳通过串有分流器的电缆连接汇总到一点，再串一个总分流器后单点接地。每个分流器将检测到的电流信号输入到电流检测元件内，通过电流检测元件内部进行判断，总分流器检测的电流作用于跳闸。该设计方式集中了框架泄漏保护中的利用率，但容易造成保护动作的误判，给故障处理增加难度。
（4）在负极柜设置两套框架泄漏保护，一套为整流器泄漏电流故障设置、另一套为直流开关柜和负极柜泄漏电流故障设置。当整流器组发生泄漏电流故障时框架保护动作跳闸整流变压器35kV电源和直流进线断路器；当直流开关柜或负极柜发生泄漏电流故障时框架泄漏保护动作跳闸整流机组35kV断路器及所有直流断路器，并联跳相邻牵引变电所向相同供电区段供电的断路器，同时闭锁该区段两侧的直流馈线断路器合闸。该种设置方案将整流机组和直流开关柜分开设置，跳闸范围有所不同，贵阳地铁正式按照该种方式设计。
（5）由于再生制动能馈装置是地铁供电系统中的节能装置，属于辅助设备，其整套系统可在运营中退出运行，不影响行车。一般考虑为在再生制动能馈装置逆变器柜内单独设置一套框架泄漏保护装置，当再生制动能量回馈装置的直流设备发生框架泄漏故障时，只跳闸其对应的35kV馈线断路器及直流进线断路器，将再生能馈系统暂时退出运行，无需抢修，待行车结束后再进行故障排查处理。
2.3 框架保护动作原理
当发生正极对框架的泄漏事故时，泄漏电流通过框架，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，向相应设备发送保护动作信号。
图1： 框架保护原理示意图
3.框架泄漏电流保护动作的原因分析
框架保护是直流牵引供电系统最致命的故障，发生框架电流保护故障后故障牵引变电所直流开关对应的供电区域内上、下行线的四个供电臂全部停电，对地铁的正常运营服务造成严重影响，经统计部分地铁运营中发生的框架保护动作原因进行分析，目前，引起框架保护动作的原因主要有以下几种：
（1）保护测量设备故障引起的保护误动作，此类故障主要为框架泄漏保护测量回路中的框架电流变送器故障、电压变送器、或者保护集成装置PLC故障导致传输至保护程序中接收的参数错误引起的故障；
（2）直流开关设备绝缘击穿引起的设备对柜体行成尖端放电引起的故障，如在进行35kV负荷切换时因操作过电压引起整流器柜内的压敏电阻击穿，对柜体形成尖端放电；再如直流开关柜内固定件与框架空气距离较短处空气被电离导致绝缘下降击穿形成的故障。
（3）异物入侵直流设备柜体引起的框架保护动作故障，此类故障主要为小动物进入或施工遗留异物在柜体内部，导致框架和设备间的绝缘距离变短，从而发生泄漏电流放电。
（4）所外发生金属性短路故障，此类故障主要为正线或地面车辆、接触网设备直接短路引起跳闸，如接触网断裂接地短路，机车受电弓取流故障对地短路放电、隧道内其他金属异物入侵使接触轨发生金属性接地。
（5）放电点发生在1500V母排或直流开关母线侧取电部分的导体。运行中引起这种放电的主要形式为1500V母线尖端对外壳放电或因雨水侵入、空气高湿度电离、直流电缆绝缘击穿导致母线与框架绝缘击穿。
（6）放电点发生在直流开关柜后端的1500V电缆出线桩头上。运行中引起这种放电的主要原因包括异物入侵、因电缆高差引起雨水沿绝缘层倒流导致绝缘击穿。
（7）放电点发生在负极母排附近。运行中引起这种放电的主要原因包括异物入侵，电缆与框架绝缘击穿。
（8）误操作或出清时遗留工器具引起正极对框架短路
5、框架保护动作应急处置中存在的问题分析
5.1 正常应急处置流程
发生框架保护动作后由现场巡视发现人员或控制中心供电调度通知生产调度，生产调度通知相关负责人及设备管理班组值班员，设备管理班组值班员通知应急值守人员达到现场组织故障处理，其他相关人员赶到现场进行应急故障处理支援。控制中心供电调度通过综合监控系统查看故障报文，判断框架保护动作范围，当发生整流器框架保护动作，确认本所及相邻所馈线断路器未发生联跳，供电调度远动分开本所馈线断路器及上网隔离开关，再分开相邻所相同供电区段馈线断路器，合上本所越区开关，再分别合上相邻所相同供电区段馈线断路器，实现大双边供电，本所退出运行待故障处理完成。
当发生直流开关柜框架保护动作，确认本所35kV断路器、直流进线及馈线断路器、相邻变电所相同供电区段馈线断路器均已跳闸，待故障应急抢修人员到达故障本所将直流端子柜上的联调开关打至退出位置，相邻所应急处置人员在负极柜上复归掉联跳闭锁信息，供电调度断开故障本所上网隔离开关，合上越区隔离开关，在合上相邻所馈线断路器实现大双边供电，本所退出运行待故障处理完成。
5.2 现阶段故障处理中存在的问题分析
根据目前框架泄漏电流保护的设计和采取的应急处理流程，任一所发生框架泄漏电流保护动作后，按照“先通后复”的原则送电成功，恢复供电均需要30分钟以上，尤其是直流开关柜发生框架泄漏保护动作后恢复送电时间更是无法卡控，主要存在问题有以下几个原因：
（1）框架泄漏保护设置不合理，按照现有的设置，发生故障后需要应急处置人员到达现场将故障本所联跳开关打至退出位、且将相邻所框架保护联调故障信息复归后供电调度才能实现开关的操作，采取倒闸恢复应急送电，
（2）框架保护跳闸肯定会引起电客车停运，电客车停运后抢修人员是无法坐地铁到达故障所及相邻所的，只能走城市道路，目前，一般城市道路均比较拥堵，从响应到赶赴故障现场的时间没法卡控；
（3）针对以上两种情况，为了确保故障设备故障情况应急抢修人员能够尽快赶到现场配合供电调度进行应急恢复送电处理，需要在地铁线路沿线多点设置应急驻点，随时保持不少于两人的抢修人员值守，这在当前地铁事业发生迅速、行业人员短缺的环境下无疑是增加了地铁运营的成本和人才培养压力。
（4）由于故障处理时间的延长，会给运营客服质量带来较大的社会负面影响。给公司的运营形象带来不好的风险。
6、框架保护设计思路改进（思路优化；对应急处置的好处）
6.1 方案优化思路
（1）根据目前的框架泄漏保护设计原理，在负极采用框架分流器配置测量放大器，以满足站级电力监控后台对框架电流参数的采集，同时在框架泄漏保护集成装置PLC控制模块中增加检查判断电流方向的控制输出模拟量，将相关动作电流参数上传至综合监控，同时在站级电力电控系统中增加框架泄漏保护远方/当地操作功能，并将此信息上传至控制中心供电调度综合监控系统。
（2）在框架泄漏保护集成装置PLC控制模块中增加电流参数分级判断功能，按照此功能设置不同的保护动作定值，以此实现通过保护装置检测到的泄漏电流参数大小跳不同级别的断路器，如一级定值跳闸本所馈线，二级电流定值跳闸相邻所馈线断路器，以此确保在本所发生的框架保护不影响到地铁接触网的正常工作。同时也确保在馈线保护的正常保护动作时不会引起框架保护动作。
（3）改变整流器机组框架保护动作应急处置模式，当整流机组框架保护动作后，仅跳35kV断路器和直流进线断路器，相当于只退出整流机组，上网隔离开关、馈线断路器、母排均处于运行状态，该种情况下电流可以由相邻所相同方向的馈线通过母排串联实现大双边供电。减少倒闸流程，实现接触网不间断供电。
6.2 方案优化的意义
（1）方案优化后在故障处理时供电调度可以先根据综合监控后台判断框架泄漏保护动作的类型和参数，并采取远动复位后恢复送电倒闸操作，提高恢复供电效率，极大的缩短故障停电时间，减小停电对运营的影响。
（2）在故障应急处置方面节约人力和物力。
7、结语
框架泄漏电流保护是供电系统中存在的一种特有的供电保护装置，也是危害行车最严重的故障，一旦发生框架保护动作，将会造成接触网大范围停电，中断列车运行，对地铁运营造成严重后果。根据本文提出的框架泄漏电流保护改进方案，能够在框架保护动作后较短时间内恢复供电，满足地铁运营要求。
[参考文献]
[1]杨卫东.浅析地铁直流框架保护原理及应急处置.学术理论，2015(12)：
[2]荀浩.地铁供电系统牵引设备框架保护及应急处理措施:
[3]西南交通大学出版社.城市轨道交通供电系统设计原理与应用
论文作者:朱龙佳
论文发表刊物:《中国建筑知识仓库》2019年01期
论文发表时间:2019/6/18
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