研究课题地铁直流框架保护解析Word格式文档下载.docx

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2.3.1青岛地铁电压型框架保护设置10

2.3.2动作过程：

10

2.4钢轨电位限制装置11

2.4.1钢轨电位限制装置保护11

2.4.2钢轨电位限制装置动作特性12

2.4.3钢轨电位限制装置与电压型框架保护动作分析12

3FP-2型框架保护动作的应急处理措施13

3.1FP-2型框架保护动作13

3.2故障处理原则13

3.2.1对于框架保护主跳所14

3.2.2对于框架保护被联跳所14

3.3故障点判断及恢复供电流程14

3.3.1正线无车情况下的电流型框架保护动作（以万年泉路站为例）14

3.3.2正线有车情况下的电流型框架保护动作（以万年泉路站为例）15

3.3.3安顺车辆段电流型框架保护动作16

3.4车间抢修组织程序16

3.4.1发生电流框架泄漏保护时各岗位人员分工16

3.4.2赶往故障现场途中各岗位人员分工17

3.4.3抢修组到达现场后各岗位人员分工18

3.4.4故障抢修过程中各岗位人员分工18

3.4.5抢修完毕后各成员分工18

4总结18

1概述

1.1框架保护定义

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。

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。

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。

1.2框架保护分类

框架保护分为电流型框架保护和电压型框架保护。

电压型框架保护作为电流型框架保护的后备保护。

1.2.1电流型框架保护

电流型框架保护是通过一个电流元件检测框架对地之间的电流，当检测到的电流值达到整定时，电流型框架保护会启动。

电流型框架保护通常分为整流器柜框架保护（对应电流型保护元件FP-1）和直流开关柜框架保护（对应电流型框架保护元件FP-2）。

1.2.2电压型框架保护

电压型框架保护是通过一个电压保护元件检测框架对负极之间的电压，当检测到的电压达到设定值，并达到设定延时后，电压型框架保护会启动，本所的直流牵引系统全部跳闸，并闭锁本所直流断路器重合闸。

框架电压保护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。

1.3框架保护元件安装位置

电流型框架保护元件FP-1和FP-2元件安装在负极柜当中，接在绝缘的开关柜外壳和变电所接地网之间。

电压型框架保护元件也安装在负极柜当中，一端接于直流电源负极，另一端接设备外壳。

1.4框架保护动作的可能原因

1、接触轨短路伴随框架泄漏；

2、接触轨有闪络或局部持续放电伴随框架泄漏；

3、鼠害或其他动物、物件引起框架泄漏；

4、轨电位偏高引起框架电压动作；

5、开关柜正极或电缆存在对框架的短路或放电现象；

6、误操作或出清时遗留工器具引起正极对框架短路

2框架保护原理

图2.1框架保护原理示意图

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。

2.1框架保护的选择方案

2.1.1框架保护装置的数量选择

青岛地铁采用一套框架泄漏保护装置（包括FP-1,FP-2，框架电压元件），安装于负极柜当中，当发生框架电流泄漏事故时，相邻两牵引所之间的供电区段全部停电，会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。

由于只设置一套框架泄漏保护，误动作几率相对较低。

深圳地铁二号线采用三套框架泄露保护，两台整流器柜内分别设置一套框架泄露保护，由于空间有限，在每台整流器柜边侧增设一面柜体用于安装框架泄露保护装置，直流开关柜的框架保护原件安装于负极柜内。

当整流器正极对外壳短路，接地电流达到设定值时，只联跳整流器对应的交流断路器和直流进线断路器，另一台整流机组初期可继续运行，或通过大双边、单边供电为列车提供电能，不会造成大范围停电。

但是由于多增设了两台保护装置，误动作概率也上升了。

三号线取消三套框架泄露保护，用一套框架泄露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。

2.1.2与直流系统相关设备设置框架保护的必要性

框架保护主要检测整流器、直流进馈线柜内正极对框架的泄漏情况。

下面对变电所内上网隔离开关柜和再生制动能耗装置设置框架保护的必要性进行探讨。

当上网隔离开关柜发生正极对柜体泄漏事故时，泄漏电流超过对应直流馈线柜保护定值（如金属性短路会使断路器本体大电流脱扣动作，非金属性短路如果短路电流不够大，会使馈线柜过流或热过负荷保护动作）时对应的直流馈线断路器保护动作，断路器断开切除故障点，保证设备的安全运行。

所以上网隔离开关柜不设置框架泄漏保护。

再生制动能耗装置并联在直流母排上，将列车制动时产生的能量经逆变装置回馈到电网中。

为防止其直流部分发生正极对框架的泄漏事故，在再生制动能耗装置的隔离开关柜和逆变柜上设置一套框架保护装置，但该框架保护只作用于再生制动能耗装置。

当该框架保护动作时，只切除再生制动能耗装置，不影响牵引网的正常运行。

2.2电流型框架保护

2.2.1引起电流型框架保护的放电点

起电流型框架保护的放电点归纳起来分为三类：

1）放电点发生在整流器柜内。

运行中引起这种放电的主要原因包括异物侵入（如老鼠等）、空气高湿度电离、直流电缆绝缘击穿等。

2）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导致母线与框架绝缘击穿。

3）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。

4）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。

图2.2框架保护常见故障位置

2.2.2电流元件耐受短路电流的能力

当发生框架泄漏时。

如果排流柜或钢轨电位限制装置投入，那么流经框架电流检测元件的电流非常大，可以达到几十千安。

青岛地铁框架电流检测元件的耐受电流为100kA，可以满足极端条件下对短路电流耐受能力的需求。

电流元件的意义不仅在于对系统绝缘状态的监察，极端情况下的正极对外壳间的直接短路也在框架泄漏保护范围内，电流元件的设计选项除考虑其整定值外，还应考虑其可能承受的各种短路电流冲击。

图2.3正负极间的短路电流曲线图

正常情况下短路电流的开断曲线为Ids，此时短路电流可以到达的峰值为Id。

但是考虑到短路器分闸会有1-10ms的延时，所以对框架电流元件耐受能力进行选择时，要考虑极端情况下正负极直接短路时的短路电流峰值Icc，该电流可达几十甚至上百千安。

2.2.3青岛地铁电流型框架保护设置

当电流检测元件FP-1或FP-2检测到框架泄漏电流大于80A时，电流型框架保护启动。

使本所牵引机组馈线断路器跳闸，所有直流快速断路器跳闸并闭锁，联跳相邻牵混所对应的直流馈线开关并闭锁重合闸。

1#框架电流

IF

80

A

跳闸

2#框架电流

表2.1电流型框架保护定值设定

N极柜通过电流检测元件FP-1、FP-2实时采样直流1500V系统框架（设备外壳）的对地电流，并传送到SIMATICS7-200进行判断。

FP-2型框架保护：

当检测到直流开关柜框架（设备外壳）的对地电流大于80A时，K59A2的5、6触点闭合，向S7-200发送电流型框架保护动作信号。

S7-200输出端Q0.3，Q1.0内部触点闭合，分别使对应的K59A2-1继电器、K55-1继电器得电，使“FP-2框架保护跳闸”指示灯亮，,N极柜柜门上的“故障总”指示灯亮。

S7-200输出端Q0.4、Q0.5内部触点闭合，使K00-1FP及K00-2FP继电器得电，随即使K59-1FP、K59-2FP、K59-3FP继电器得电，通过闭合继电器K59-1FP辅助触点发送跳闸信号到两台35kV牵引机组馈线柜的7SJ686，7SJ686命令两台35kV牵引机组馈线柜跳闸；

通过闭合继电器K59-2FP辅助触点发送跳闸信号到两台直流进线柜的SIMATICS7-200，进线柜SIMATICS7-200命令两台直流进线柜跳闸并闭锁。

同时通过闭合继电器K59-3FP的辅助触点发送跳闸和闭锁信号到每个馈线柜的SEPCOS，直流馈线开关直接跳闸并闭锁。

在跳本所开关的同时，负极柜S7-200内部触点闭合使K00-3FP及K59-4FP得电，向211、212、213、214（车辆段还有215、216）发送联跳邻所直流开关的信号（4秒脉冲）到每个直流馈线柜的继电器K85，通过闭合继电器辅助触点11和14，向邻所对应直流开关发跳闸信号，邻所对应开关联跳继电器K85L或K85R接收信号，使对应馈线开关跳闸，并闭锁重合闸。

FP-1型框架保护:

当检测到整流器框架（设备外壳）的对地电流大于80A时，K59A1的5、6触点闭合，向S7-200发送电流型框架保护动作信号。

S7-200输出端Q0.2，Q1.0内部触点闭合，分别使对应的K59A1-1继电器、K55-1继电器得电，使“FP-1框架保护跳闸”指示灯亮，,N极柜柜门上的“故障总”指示灯亮。

S7-200输出端Q0.4内部触点闭合，使K00-1FP继电器得电，随即使K59-1FP、K59-2FP、K59-3FP继电器得电，通过闭合继电器K59-1FP辅助触点发送跳闸信号到两台35kV牵引机组馈线柜的7SJ686，7SJ686命令两台35kV牵引机组馈线柜跳闸；

复位：

框架电流保护的本站复位须在就地位置，将框架电流继电器复归后，通过按下在负极柜柜门上的“故障总信号（复位）”按钮及直流进线柜、馈线柜上的复位按钮进行复位。

临站可以手动复归，也可以由电调远方解除闭锁后进行复归。

2.3电压型框架保护

2.3.1青岛地铁电压型框架保护设置

当发生框架泄漏时，如果钢轨对地绝缘非常好，那么流经框架电流检测元件的电流可能达不到整定值80A，所以设置框架电压保护作为电流型框架保护的后备保护。

青岛地铁三号线北段将排流柜投入，相当于将钢轨对地泄漏电阻短接，泄漏电流主要通过排流柜而不是钢轨对地泄漏电阻回到负极，大大提高了电流型框架保护的灵敏性。

但这样做使框架电压元件旁路失效，此时电压型框架保护可以退出。

通过电压测量元件检测设备外壳与负极之间的电压值，当电压值U>

120V时延时15s报警，电压元件一端接于负极，另一端接设备外壳，测量两者之间的电压。

框架电压

U

120

V

报警

t

15

s

表2.2电压型框架保护定值设定

N极柜通过实时采样直流1500V负极与设备外壳之间的电压，并传送到负极柜SIMATICS7-200进行判断。

①报警：

当电压检测元件K59U1采样到负极与设备外壳之间的电压U>

150V时，SIMATICS7-200判断负极与设备外壳之间的电压值达到报警值,Q0.0、Q1.0内部触点闭合，使K59U1-1和K55-1继电器得电，对应的N极柜柜门上的“故障总”指示灯亮，“负/地保护报警”指示灯亮。

②跳闸：

当电压检测元件K59U2采样到负极与设备外壳之间的电压U>

150V时，SIMATICS7-200判断负极与设备外壳之间的电压值达到报警值,Q0.1、Q1.0内部触点闭合，使K59U2-1和K55-1继电器得电，对应的N极柜柜门上的“故障总”指示灯亮，“负/地保护跳闸”指示灯亮。

③复位：

框架电压保护的复位须通过按下在负极柜柜门上的“故障总信号（复位）”及直流进线柜、馈线柜上的复位按钮进行复位。

2.4钢轨电位限制装置

2.4.1钢轨电位限制装置保护

钢轨电位限制装置一端接钢轨，一端接变电所接地网，检测的是钢轨和地之间的电压。

当正极对框架泄漏发生时，如果钢轨绝缘良好，电流型框架保护没有启动，并且电压型框架保护失灵，此时钢轨电位限制装置检测到的电压为钢轨和框架之间的电压，通过钢轨电位装置三段动作闭合，使泄漏电流主要通过钢轨电位限制装置而不是钢轨对地泄漏电阻回到负极，此时电流能大到几十千安，使电流型框架保护能够迅速动作。

（1）当钢轨电位大于120V（安顺车辆段为60V）时钢轨电位限制装置延时500ms动作，使钢轨与地相连，降低钢轨电位，并连续动作3次后钢轨电位仍然高于整定值，合闸后不再断开；

（2）当钢轨电位大于250V时钢轨电位限制装置延时100ms永久合闸；

（3）当钢轨电位大于600V时钢轨电位限制装置晶闸管在10ms之内导通，钳制钢轨对地电位，向接触器发出合闸命令，接触器永久合闸。

钢轨电位限制装置

I段过电压

U>

120（60）

接触器闭合

T

500

ms

N

3

次数

II段过电压

>

150

100

III段过电压

600

晶闸管无延时导通，接触器闭合，晶闸管断开

表2.3钢轨电位限制装置定值

2.4.2钢轨电位限制装置动作特性

当供电分区没有车辆行驶时，牵引直流系统运行正常情况下，钢轨对地电位为零；

当供电分区有车辆行驶或接触轨发生短路故障时，由于钢轨对地泄漏电阻的存在，钢轨电位快速升高，为了保护在钢轨上行走的人身安全，当钢轨电位达到一定值时，钢轨电位限制装置迅速动作，将钢轨与接地网短接，从而降低了钢轨电位，保护了在钢轨上行走的人的人身安全。

、

图2.4框架电压与轨电位限制装置的整定曲线

图2.5正常情况下的钢轨电位及NPMPD合位下的钢轨电位

2.4.3钢轨电位限制装置与电压型框架保护动作分析

电压型框架保护与钢轨电位限制装置两者都是检测钢轨电位对地电压，不同的是电压型框架保护的作用是保护直流设备安全，动作于跳闸（报警），切除直流绝缘泄漏或短路故障；

钢轨电位限制装置的作用是降低钢轨对地电压，保护线路上行走的人的人身安全，不动作跳闸，牵引直流系统不受影响，列车正常运行。

由于电压型框架保护整定时间大于钢轨电位限制装置，正常情况下当发生钢轨电位升高时，应有钢轨电位限制装置首先动作，使钢轨与地连通，保证线路上人身安全，当钢轨电位限制装置拒动时，电压型框架保护动作于跳闸（报警），具体参数如下：

当钢轨电位大于120V时电压型框架保护延时1500ms发出报警信号。

国内其他地铁曾经有将电压型框架保护设置为跳闸，并且在钢轨对地电压急剧上升时，电压型框架保护动作的优先级高于钢轨电位限制装置。

这种设置在电压型框架保护的整定曲线和轨电位装置整定曲线的交点处容易产生误动作。

并且电压型框架保护容易扩大事故影响范围，所以现在大部分地铁都设定轨电位装置的整定值小于电压型框架保护整定值，这样做可以减小误动作几率，但也使电压型框架保护变成钢轨电位限制装置的后备保护。

3FP-2型框架保护动作的应急处理措施

3.1FP-2型框架保护动作

由于FP-1型框架保护故障影响范围相对较小，电调确认整流机组退出运行后采用单边供电或者大双边供电方式为接触轨供电。

这里重点讨论FP-2型框架保护动作时的应急处理措施。

下面以万年泉路站为故障所为例：

当万年泉路检测到本所直流开关柜框架对地电流大于80A时，负极柜内S7-200发出跳闸信号。

本所321、323跳闸，201、202、211、212、213、214开关跳闸并闭锁。

同时联跳相邻牵引所得相应馈线开关并闭锁重合闸。

即万年泉211联跳地铁大厦213，万年泉212联跳地铁大厦214开关。

万年泉213联跳振华路211，万年泉214联跳振华路212开关。

这样，从地铁大厦到振华路区段的接触轨都会停电，使故障设备与有电区域彻底隔离，保证人员及设备安全。

3.2故障处理原则

FP-2型框架保护动作后，为了保护故障变电所的设备运行安全，设计上采用了在没有复归动作出口的框架保护信号前，故障所所有的直流开关及相邻牵引所的对应馈线开关是不能合上的。

为了尽快恢复接触轨的供电，应立即将动作出口的框架保护信号复归，将故障牵引所撤出运行，采用越区供电的方法，恢复接触轨的供电，但切记，故障牵引所在没有经过彻底检查前不能送电。

在行车时间，为了尽可能减小框架保护故障对行车的影响，缩短故障处理时间，变电所值班员应按应急处理步骤进行处理，在PSCADA上确认报警信号等有关记录，注意观察保护动作类型，跳闸开关，并进入《框架保护应急预案》，将情况及时通报相关人员。

3.2.1对于框架保护主跳所

电调拉开主跳所所有上网隔离开关，确认临站对应直流馈线断路器在分闸位置及接触轨无电后，合上越区隔离开关，在解除临站对应馈线断路器闭锁信号后，合上临站对应的直流馈线断路器，实行大双边供电。

当电调无法解除临站闭锁，不能远程控制邻所开关合闸时，拆除负极柜X3-5端子上的联跳发送线或断开负极柜内联跳空开F85-211、F85-213、F85-212、F85-214，解除向邻所闭锁信号。

3.2.2对于框架保护被联跳所

电流型框架保护动作后，电调可以通过主控系统远程解除临站馈线闭锁，控制邻所馈线开关合闸，恢复单边供电。

电调也可以远程解除临站馈线闭锁，拉开主跳所所有直流馈线隔离开关后，合上主跳所越区隔离开关，控制邻所馈线开关合闸实现大双边供电。

对于被联跳所，电调远方解除闭锁信号后后可以通过主控系统远程控制或站内PSCADA直接进行合闸。

如果无法解除联跳信号合闸失败，可通过现场拆除211、212、213、214小车二次接线室内的X1B-4端子上的联跳接收线，解除联跳信号接收后，对相应馈线开关进行合闸，恢复单边供电或大双边供电。

3.3故障点判断及恢复供电流程

3.3.1正线无车情况下的FP-2型框架保护动作（以万年泉路站为例）

若正线车辆无车时，A8和A8、B7和B8供电区段之间分别由电分段断开。

万年泉路电流型框架保护动作，此时电调先确认万年泉路牵引系统退出，随后拉开万年泉路2111、2131、2121、2141上网隔离开关。

根据“先通后复”的原则，电调应先对临站进行试送电。

此时分为两种情况:

3.3.1.1正极对框架泄漏点在万年泉路直流设备内

若正极对框架泄漏点在万年泉路直流设备内，此时正线无短路点。

PSCDAD上只有框架保护动作报文。

电调将地铁大厦站213、214断路器，振华路站211、212断路器复归并试送成功，对A7/A8/B7/B8区段进行单边供电。

或者先合万年泉路2113、2124越区隔离开关，再对地铁大厦站213、214断路器，振华路站211、212断路器进行复归并合闸成功，实现大双边供电。

（若复归失败参考第3.2节）待抢修组前往现场查明故障原因并处理之后，夜间对万年泉路进行试送电。

3.3.2.1由于线路短路伴随电流型框架保护发生

若此次框架保护动作是由于正线接触轨或直流电缆有短路点，使万年泉路直流保护动作伴随框架保护的发生。

以地铁大厦至万年泉路有短路点存在为例，电调若选择进行单边供电，振华路211、212断路器复归并合闸成功。

A8/B8供电区段恢复送电。

1）短路点性质为金属性

地铁大厦站213或214线路测试达不到使断路器合闸的最小电阻2500mΩ，无法成功合闸。

此时应根据万年泉路PSCADA报文进行判断。

若万年泉路报211或212断路器DDL保护跳闸，则故障点多数为接近地铁大厦一侧并可确定故障点在上行或下行。

随后接触轨专业由该信息进入区间排查短路点。

短路点排除后，建议按3.3.1.1进行单边送电。

若万年泉路报211或212断路器本体大电流脱扣动作，那么故障点多数为靠近万年泉路一侧并可确定故障点在上行或下行。

短路点排除后，按3.3.1.1进行恢复送电。

2）短路点性质为非金属性

此时故障发生原因可能为线路有非金属性短路点存在时，直流电缆绝缘破损，发生对框架的泄漏事故。

地铁大厦213或214线路测试通过，合闸成功。

此时线路上如果仍有非金属性短路点，可能会启动馈线柜过流保护或热过负荷保护（未投入），电流持续超过3600A延时40s后对应断路器跳闸。

需接触轨专业根据相应馈线断路器跳闸信息前往区间进行排查。

当故障点排除后，按3.3.1.1所述进行恢复送电。

由于非金属性短路伴随框架保护发生或者本所直流设备泄漏时故障报文相似，无法判断线路上是否有故障，需要抢修组先前往万年泉路站，对直流设备进行检查，找到故障点后，对直流进馈线柜的电流曲线进行分析。

若电流波形正常，则是直流设备发生的框架泄漏事故；

如果电流波形显示为过流，那么则是线路上有非金属性短路。

针对这种情况，最好的处理措施不是发生故障后进行处理，而是在日常检修中确保电缆绝缘良好。

当发生线路非金属性短路时不会导致框架保护的发生。

3.3.2正线有车情况下的FP-2型框架保护动作（以万年泉路站为例）

青岛地铁3号线后期规划每辆电客车的行车间隔在2-3min，如果正线上某站FP-2型框架保护动作，并且此时若有一辆电客车刚好在主跳所电分段上，使相邻的两个供电区段造成连电，此时如果不采取正确的停送电流程，会扩大事故范围，对直流设备造成严重损害。