研究课题地铁直流框架保护.docx
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研究课题地铁直流框架保护
地铁供电系统牵引设备框架保护及应急处理措施
部门：
供电机电部姓名：
荀浩
1
1概述............................................................................................................................4
1.1
1.2
框架保护定义...............................................................................................4
框架保护分类...............................................................................................4
1.2.1
1.2.2
电流型框架保护..............................................................................4
电压型框架保护..............................................................................4
1.3
1.4
框架保护元件安装位置...............................................................................4
框架保护动作的可能原因...........................................................................5
2框架保护原理............................................................................................................5
2.1
框架保护的选择方案...................................................................................5
2.1.1
2.1.2
框架保护装置的数量选择..............................................................5
与直流系统相关设备设置框架保护的必要性..............................6
2.2
电流型框架保护...........................................................................................6
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
引起电流型框架保护的放电点......................................................6
电流元件耐受短路电流的能力......................................................7
青岛地铁电流型框架保护设置......................................................8
动作过程：
......................................................................................8
2.3
电压型框架保护.........................................................................................10
2.3.1
2.3.2
青岛地铁电压型框架保护设置....................................................10
动作过程：
....................................................................................10
2.4
钢轨电位限制装置.....................................................................................11
2.4.1
2.4.2
2.4.3
钢轨电位限制装置保护................................................................11
钢轨电位限制装置动作特性........................................................12
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
3.2.2
对于框架保护主跳所....................................................................14
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
2
3.4
车间抢修组织程序.....................................................................................16
3.4.1
3.4.2
3.4.3
3.4.4
3.4.5
发生电流框架泄漏保护时各岗位人员分工................................16
赶往故障现场途中各岗位人员分工............................................17
抢修组到达现场后各岗位人员分工............................................18
故障抢修过程中各岗位人员分工................................................18
抢修完毕后各成员分工................................................................18
4总结..........................................................................................................................18
3
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。
4
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
整流器及直流开关柜体整流变压
器
钢
轨
对
地
支架
集电靴
钢轨
接触轨
泄
漏
电
阻
N
P
M
P
D
排
流
柜
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
2.1.1
框架保护的选择方案
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），
5
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。
6
2.2
2.2.1
电流型框架保护
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。
2.2.2
图2.2框架保护常见故障位置
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。
7
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
I
F
80
A
跳闸
2#框架电流
I
F
80
A
跳闸
表2.1电流型框架保护定值设定
8
2.2.4
动作过程：
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；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
9
进线柜跳闸并闭锁。
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
2.3.1
电压型框架保护
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
2.3.2
动作过程：
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
10
柜门上的“故障总”指示灯亮，“负/地保护跳闸”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。
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
2.4.1
钢轨电位限制装置
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
）
V
接触器闭
合
T
500
ms
N
3
次数
II段过电压
U>>
150
V
接触器闭
合
11
T
100
ms
III段过电压
U>>>
600
V
晶闸管无延时导通，接触器闭
合，晶闸
管断开
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