地铁直流牵引供电系统框架保护功能优化改进研究

地铁直流牵引供电系统框架保护功能优化改进研究

陈启德

（深圳市地铁集团有限公司 运营总部，广东 深圳 518040）

摘 要：本文对地铁直流牵引供电系统的框架保护功能进行研究，分析了当前直流系统框架保护普遍存在的两大问题，保护稳定性不足以及缺少快速定位故障原因的手段。并以深圳地铁直流1500V开关柜设备为例，介绍了该问题的现状、原因的分析以及有效可行的解决方案。自主研究优化了框架保护的逻辑闭锁功能，可有效避免框架保护误动跳闸；同时自主开发了一套直流框架保护的故障回放程序，能够帮助检修人员快速定位故障原因，提高处置效率。课题成果可在各线路推广改进并具有重要的实施意义。

关键词：直流系统；框架保护；保护逻辑；故障回放；

0   引言

地铁直流牵引供电系统承担直接为列车开行提供电源，其稳定性直接关乎行车供电安全。当直流高压带电设备对开关柜体发生泄漏或绝缘损坏闪络时，基于直流设备安全供电的考量和保护巡检人员人身安全的因素，要求将短路故障迅速切除，由此直流系统设置了直流框架保护，当发生直流开关带电设备对直流柜柜体发生泄漏或绝缘损坏时，框架保护将快速动作切断所有来电方向的直流开关，防止故障点以外的部位受之牵连，确保人身和设备安全。

因此一旦框架保护误动作后，受影响跳闸的开关柜设备多，对直流供电系统造成的影响大。故障区段上下行共计4个接触网供电臂完全失电，将造成6-7个车站的行车供电中断。并且由于恢复供电耗时长，故障处置难度大，因此在运营期间一旦发生严重的框架保护动作故障，将导致线路大面积延误，造成各车站人员严重滞留情况。框架保护故障作为地铁牵引供电系统的最大软肋，对于保护可靠性、稳定性以及处置的快速性要求极高，针对以上问题，避免框架保护发生误动并通过硬件或软件设置提供故障数据记录成为了我们新的研究方向。

1   框架保护基本原理

直流牵引供电设备内部绝缘材料一旦失去功效，便可能危及人身安全。为防止人身伤害事故发生，牵引降压变电所内设置了直流系统框架泄漏保护，该保护主要包括反映直流泄漏电流的过电流保护以及反映接触电压的过电压保护，又称电流型框架保护和电压型框架保护，而电压型框架保护还作为钢轨电位限制装置的后备保护与车站的钢轨电位限制装置相配合。

两种框架保护由安装于负极柜或整流器边柜内的框架电压元件、框架电流元件（框架电流继电器和框架电压继电器）以及PLC逻辑控制装置来实现。电流继电器的两端分别与直流开关柜柜体保护接地和系统地相连接，当柜体对地故障泄漏电流大于整定值（80A）时，继电器发出动作信号。电压继电器的两端分别与负极母排和框架接地系统相连，当框架电压大于整定值达到条件时时（135V持续2000ms报警；150V持续600ms跳闸），继电器发出报警或调整信号。继电器发出的不同信号将传入PLC对应输入口，再由PLC发出报警或跳闸命令。

电压型框架保护一旦动作后，本所的直流牵引系统全部跳闸，并闭锁本所断路器。电流型框架保护一旦动作后，除了本所的直流牵引系统全部跳闸，并闭锁本所断路器，与本所相邻的牵引所的对应直流馈线开关也会跳闸，并闭锁邻所开关的重合闸。故障区段内的行车供电将受到严重影响。

2   研究背景及目的

2019年7月25日港铁四号线于早高峰期间发生的一起直流框架保护故障，导致清湖站至少年宫站实行有限度服务， 4号线全线列车大面积延误，受影响车站大量乘客滞留，严重影响了地铁运营安全。深圳地铁运营总部的线网内由于框架电流保护导致列车延误服务质量降低的事件也时有发生。2011年7月12日三号线红岭站、2014年10月11日三号线莲花村站、2016年7月27日一号线深大站、2019年9月26日一号线罗湖站等多次发生框架保护动作导致行车供电中断。

经过研究发现，各线路中发生的各类框架保护跳闸，其中一半以上是由于保护回路的硬件或软件出现故障而导致的保护误动。本研究旨于在设备上添加电压电流信息记录功能为故障处理排查提供可靠依据，并通过研究调整保护整定范围、改造逻辑程序、采样元器件的参数等方法来提高框架保护的可靠性和安全性，避免发生框架保护误动导致大范围停电故障，使直流牵引系统的运行变得更加稳定可靠。

3   直流系统框架保护现状需改进的缺陷分析及改进措施

3.1框架保护缺少高精度的测量回路

框架电压继电器与电流继电器两端直接连接的是系统一次回路，通过继电器直接加测电压、电流实现保护动作。设备设计中缺少高精度的测量采样回路，导致框架电压框架电流和框架电压无法实时监测数据。

措施：选择合适的电压变送器，由负极母排和框架接地系统引出，将一次电压转化为弱电压输入至PLC扩展模块的B+，B-端；选择合适的霍尔电流传感器，套入框架电流一次回路电缆，由原本柜内的24VDC电源位供电，将一次电流转化为弱电压信号输入至PLC扩展模块C+,C-备用。供PLC装置读取。

测量采样回路的完善将为框架保护PLC逻辑优化和框架电压电流数据记录打下硬件基础。

3.2框架保护元器件可靠性不足

经统计分析，在深圳地铁线网内发生的各类框架保护动作故障中，有一半以上都是由于各类元器件故障或外部干扰导致的误动情况，无论是框架继电器、测量变送器、PLC逻辑控制器、框架保护装置等均出现过错误动作导致的框架保护报警或跳闸事故。因此，我们有必要通过优化措施避免发生因单一元器件故障导致的框架保护误动。

措施：目前的框架保护逻辑主要通过框架继电器检查框架电压和框架电流，达到设定值后触发继电器动作，PLC逻辑控制器接收到信号之后直接出口启动保护跳闸。改进后的方案在PLC扩展模块实时接收框架电压和框架电流测量值后，在PLC逻辑中增加条件，除了原有的框架继电器发出保护信号动作之外，新增框架电流/电压值的整定值比较判断逻辑，只有当两项条件同时具备，PLC才向设备发出报警/跳闸命令，并且PLC发出跳闸指令的接点改造为双路串联方式，避免PLC故障而导致误动。同时在两条检测回路中设置自检程序，当判断逻辑自检发现故障或错误，能够提前预警并对故障回路进行隔离，确保框架保护的可靠性。

经过逻辑优化之后，无论是由于框架继电器的故障或是由于PLC保护装置的故障均不会引起框架保护的误动作，确保了框架保护功能的稳定性。

图1 框架保护逻辑功能优化

4结束语

本次技术创新达成了了研究小组的研究目的，通过采样回路的完善和表计设备的选择安装，实现了框架电压电流的实时测量和最大值纪录；通过调整PLC逻辑程序增加保护闭锁条件，提升了框架保护的可靠性；通过程序开发，实现了故障回放功能。最终避免了框架保护动作的误动，同时能够大幅提高处置故障速度与抢险效率。同时本次创新研究的所有程序修改和功能开发完全为小组成员自主研究和实施，对于人员技能的提升以及设备核心层次的原理掌握都有极大的提升。

随着经济飞速发展，地铁线路将越来越多，随之投入运行的新型供电设备越来越多，也将会有越来越多无法预见的问题和难题出现。我们将永不停歇地对设备进行摸索，不断发现困难，解决问题，积累经验，为供电系统的维护及确保地铁安全稳定运营做出贡献。

参考文献：

［1］地铁直流系统中框架保护原理及常见故障处理.中国铁建电气化局集团第一工程有限公司电气试验中心,2016.

［2］早高峰深圳地铁4号线突发故障！全线延误、空调停开，因供电故障. 南方都市报,2019-07-25.