鋼軌電位限制裝置

1、摘 要 對直流牽引供電系統(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配合關(guān)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(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，框架保護城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)采用DC 1500 V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產(chǎn)生腐蝕，軌道交通建設(shè)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(tǒng)設(shè)計為不接地系統(tǒng)，對直流 供電設(shè)備采用絕緣安裝，鋼軌通過絕緣墊與大地絕

2、緣，以減少雜散電流的 泄漏。當供電區(qū)段有起動或運行的列車、 或發(fā)生系統(tǒng)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(chǎn)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(shè)有鋼軌電位限制裝置（OVPD ）。為滿足直流牽引供電系統(tǒng)安 全可靠運行及保護乘客安全的要求，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。1 OVPD動作特性及鋼軌對地電位升高原因1.1 OVPD動作特性O(shè)VPD安裝在各個車站及停車場內(nèi)，監(jiān)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(jiān)測流過 OVPD中（鋼軌與地之間

3、）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(tài)下，供電區(qū)段內(nèi)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(shù)量、負荷電流、牽引所間距、鋼軌地間的過渡電阻等因素相關(guān)。當發(fā)生以下故障時，引起鋼軌對電位的陡升：接觸網(wǎng)與鋼軌發(fā)生短 路;接觸網(wǎng)對架空地線（地）發(fā)生短路故障；直流設(shè)備發(fā)生柜架泄漏故 障;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，必須在短時間內(nèi)切除故障或降低鋼軌對地電 位，以保證人身及設(shè)備安全。2框架保護裝置特性框架保護裝

4、置主要用于當直流設(shè)備正極對設(shè)備外殼發(fā)生短路時 ，起 動相應(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、 電壓測量元件組成。電流測量元件一端接設(shè)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(shè)備外殼與直 流設(shè)備負極之間的電壓，一端接于負極，另一端接設(shè)備外殼。當任意一個直流設(shè)備內(nèi)正極對外殼短路時，接地電流通過電流測量 元件流入地網(wǎng)，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(shè)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(nèi)動作，使相應(yīng)的交、直

5、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。3 OVPD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(yīng)能滿足EN50122-1（ ProtectiveProvisionsRelatngtoElectricalSafetyandEarthin g ）標準中規(guī)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,OV PD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(yīng)動作。目前采取的配合方式

6、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(shè)備的正極對設(shè)備外殼發(fā)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(yīng)先于O VPD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(shè)備發(fā)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(nèi)動作，整流機組交、直流側(cè)斷路器跳閘。當某一個牽引變電所發(fā)生框架泄漏故障時，整條線路的鋼軌對地電位都會升高。即

7、 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(fā)生框架泄漏故障的牽引變電所 框架保護產(chǎn)生誤動作，擴大了事故停電范圍。當接觸網(wǎng)對架空地線發(fā)生 短路時，其動作情況與其相同。(2) 經(jīng)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(fā)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(yīng)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(shè)備發(fā)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I 1/2、I 2/2),直流快速開關(guān)不能在短 時間內(nèi)切除故障，即

8、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(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電壓元件測量的電壓相同，若OVPD不能在要求的時間內(nèi)閉合，則可能導致電擊傷人事件的發(fā)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(wǎng)對架空地線發(fā)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

9、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(shè)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。4 OVPD電氣參數(shù)分析4.1 OVPD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150200 mso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(gòu)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3 m4.2晶閘管接觸器型O

10、VPD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承受短路電流最嚴重的情況是發(fā)生框架泄漏故障或接觸網(wǎng)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I 1、I 2之和(如圖1所示)。根據(jù)計算結(jié)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(yīng)能滿足最嚴重故障時的短路電流而不致?lián)p壞。(2)晶閘管承受的時間當發(fā)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(cè)斷路器及直流斷路器全部跳閘的時間約為120仃0 ms ,而接觸器的動作時間約為150200 ms。因此，晶閘管回路承受短路電流的持續(xù)時間，應(yīng)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(jié)語(1) 當直流設(shè)備發(fā)生框架泄漏故障或接觸網(wǎng)與架空地線短路時，為保證人身安全，OVPD動作時間應(yīng)滿足EN 50122-1標準的要求。(2) OVPD裝置工作的最嚴重工況為發(fā)生框架泄漏故障或接觸網(wǎng)與架空地線短路時。此時OVPD承受短路電流最大，持續(xù)時間最長，選擇的OVPD應(yīng)能承受最嚴重故障情況下的短路電流，而不致?lián)p壞設(shè)備。