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摘要：本文简要介绍了常规的轨道交通直流牵引框架泄露保护系统的组成、原理、配置及配合关系，对佛山地铁2号线的直流牵引框架泄露保护配置及整定进行了详细的描述，并进行了对比分析。同时对存在的问题，也提出了下一步的研究课题，对地铁直流框架泄露保护的完善具有一定的指导意义。
关键词：直流框架泄露保护；直流框架电流保护；直流框架电压保护；轨道电位限制装置
引言
地铁供电系统可分为三个部分：外部电源；主变电所；牵引供电系统。如下图1：
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图1地铁供电系统组成示意图
牵引供电系统又分为交流系统和直流牵引供电系统，佛山地铁2号线交流系统采用35kV集中式供电，直流牵引供电系统采用DC1500V供电模式，全线设15座牵引变电所，其中地下所9座，高架和地面所6座。
直流系统保护是直流牵引供电系统安全可靠供电的重要一环，从直流主接线形式的构成角度来考虑，直流系统的保护可分为：直流进线保护，直流馈线保护和直流框架泄露保护，其中直流框架泄露保护因引起动作的原因复杂，影响范围大，在直流系统保护中占据重要的地位，值得进行深入的研究，本文以佛山地铁2号线为例，对直流框架泄露保护的应用进行了一些研究和探讨，希望能够对类似工程起到有益的借鉴。
1 直流框架泄露保护原理及配置
1.1 典型牵引变电所主接线
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图2典型牵引变电所电气主接线图
图2为典型的牵引变电所的电气主接线图，图中牵引变电所35kV侧接线采用单母线分段形式，设母联断路器。牵引变电所由35kV中压网络系统引入两路电源，两路电源接至两段母线。牵引变电所设两套12脉波整流机组，两套整流变压器的次级绕组外加延边绕组分别移相±7.5°，构成等效24脉波整流系统，接在同段35kV母线上并联运行，以减少谐波含量，这是目前具有最好整流效率和整流效果的运行方式。整流机组正极通过断路器与1500V母线联接，负极通过手动隔离开关与负极柜中的负母线连接。正母线通过1500V直流馈线断路器分别向接触网上、下行的上网隔离开关供电，佛山地铁2号线采用的就是这种方式，上海、广州、深圳地铁直流牵引供电系统也基本采用这种方式。
1.2 直流框架泄露保护的原理及配置
直流框架泄露保护，也称直流碰壳接地保护，通常由一组电流保护单元和一组电压保护单元组成，保护原理示意图如下图3。
直流框架泄露保护中的电流保护为正极接地的主保护，为保证可靠收集直流正极接地的泄露电流，全所的直流开关柜、整流器柜、负极柜均绝缘安装，将所有的绝缘安装的设备框架连接在一起，通过阻值很小（通常为0.015mῼ）的分流器单点与大地连接。直流系统正常运行情况下，电流检测回路没有电流通过，电流框架保护不动作，当任意一个直流设备内正极对外壳短路时，接地电流通过电流检测元件流入地网，再通过钢轨与地之间的绝缘泄漏电阻（或排流柜）回到钢轨（负极）。当接地电流达到整定值时，电流检测元件动作，跳开整流机组35kV进线断路器及本所所有直流断路器，同时联跳相邻所对应区间的直流馈线开关。故障排除后，需人工复归框架保护，断路器才能重新投入。
直流框架泄露保护中的电压检测单元测量负极与大地之间的电压（分流器阻值很小，电压可以忽略不计），从图3可以看出，直流框架保护的测量电压与OVPD（钢轨电位限制装置）的测量电压相同，因此直流框架电压保护是作为直流框架电流保护和OVPD的后备保护设置的，电压检测元件一般由2段组成：I段报警，II段跳闸。当直流设备内正极对外壳短路时，地电位升高，电压检测元件会在钢轨和地之间检测到一个电压，当检测电压大于电压保护报警整定值时，电压保护发出报警信号，当检测电压大于电压保护跳闸整定值时，保护发出跳闸信号，跳开本所整流机组35kV进线断路器及本所所有直流断路器。在故障排除后，手动或远动复归框架保护。
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图3直流框架泄漏保护装置原理示意图
2 佛山地铁2号线直流框架泄露保护配置及整定
2.1 直流框架泄露保护的配置
佛山地铁2号线直流框架泄露保护设置3套电流保护单元（当牵引变电所设置能馈系统时）和一套电压保护单元。
电流保护单元：两组整流机组共用一套电流保护单元，正极柜及负极柜共用一套电流保护单元，能馈系统使用一套电流保护单元。当正极柜、负极柜发生正极碰壳接地时，跳开整流机组35kV进线断路器及本所所有直流断路器，同时联跳相邻所对应区间的直流馈线开关，故障排除后，人工复归框架保护，断路器才能重新投入。当整流机组发生正极碰壳接地时，只跳开整流机组35kV进线断路器及本所正极柜进线直流断路器，故障排除后，人工复归框架保护。当能馈单元发生正极碰壳保护时，跳开能馈相关的直流及交流断路器，故障排除后，人工复归框架保护。
电压保护单元：设置一套电压框架保护单元，电压保护由2段组成：I段报警，II段跳闸。当电压保护跳闸时，跳开本所整流机组35kV进线断路器及本所所有直流断路器。在故障排除后，可手动或远动复归框架保护。
2.2直流框架电流保护的整定
电流保护的整定计算，目前还没有完善的模型进行精确计算，一般是根据运营经验，取大于等于30A，且小于100A，整定值设置过大，保护的灵敏度不足，设置的过小，容易误动作，目前佛山地铁2号线整定值设定为80A。
2.3直流框架电压保护的整定
2.3.1钢轨电位限制装置保护整定
根据EN50122-1标准人体耐受电压及时间特性曲线，钢轨电位限制装置设三段保护：
一段动作电压：90V（车辆段及停车场应整定为60V），延时时间500ms后，钢轨电位限制装置动作，短接钢轨及大地，连续三次动作后，钢轨电位仍然高于整定值，则钢轨电位限制装置合闸后闭锁；
二段动作电压：DC 150V，延时100ms，闭合接触器；
三段动作电压：DC 600V，晶闸管无延时短接。
2.3.2直流框架电压保护整定
考虑到直流框架电压保护和钢轨电位限制的配合，直流框架电压保护设二段保护：
一段报警：95V，延时1s；
二段跳闸：155V，延时0.5s；
3 佛山地铁2号线直流框架泄露保护应用分析
3.1 保护配置比较分析
佛山地铁2号线直流框架泄露保护设置多套电流保护单元和一套电压保护单元，设置1套电流保护单元的直流框架泄露保护对比分析如下：
表1 直流框架泄露电流保护对比表
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虽然直流框架泄露保护设置多套电流保护单元，存在投资较高的问题，但有效地减少了故障跳闸后的影响的范围，对直流牵引供电系统的可靠运行意义重大，值得推广。
3.2 钢轨电位限制装置及直流框架泄露保护的配合
从图3可知，电压框架泄露保护和钢轨电位限制装置检测的电压基本上是同一个值，即钢轨与大地电位，故在整定电压和延时上进行了配合考虑，将电压框架泄露保护作为钢轨电位限制装置的后备保护，同时根据多条线的运营经验，钢轨电位升高较为普遍，原因复杂，导致电压框架泄露保护误动作频繁，给运营带来了极大的麻烦，故佛山地铁2号线将电压框架保护在正常运营时，做撤出处理。同时当正极对框架泄露时，如果钢轨对地绝缘良好，电流框架保护不动作，通过钢轨电位限制装置的动作，将钢轨与大地短接，从而使泄露电流通过大地经钢轨电位限制装置回到负极，而不是通过大地与钢轨之间的过渡电阻回到负极，完全能够保证电流型框架泄露保护的快速动作。
3.3 需进一步研究的问题
3.3.1排流柜的运行状态对框架保护及OVPD保护的影响
当大地电位较高时，为减少杂散电流对钢筋的腐蚀，排流柜需动作，短接大地与负极，收集杂散电流。此时排流柜回路旁路了框架保护及钢轨电位限制的电压测量回路，因此，需进一步研究排流柜的动作条件及与框架泄露保护和钢轨电位限制装置的配合关系，同时应进一步设定排流柜的参数，避免排流柜误动作而烧毁。
3.3.2负极柜碰壳保护的问题
目前将负极柜与正极柜共用一套电流框架泄露保护装置，当正极柜发生正极碰壳保护时，将正极电压引也至负极柜框架，这种方式增大了负极柜的风险，并不合理。当负极柜发生负极碰壳时，实际相当于将负极接地，是否需要跳开直流断路器，是否需要联跳相关断路器，值得商榷。
3.3.3 地下站电流框架保护设置的必要性
根据文献[3]的有关研究，轨道交通地下站的正极接地实际上是个大电流接地系统，在一定的电压下，其接地电流可达数十千安，接地短路与变电所出口短路类似，完全可以靠开关本身的保护跳闸。基于此，有必要通过深入的试验和研究，进一步科学论证地下站直流框架保护的设置方式。
4 结论
本文通过对佛山地铁2号线和常规轨道交通牵引供电系统直流框架泄露保护的设置进行对比分析，认为佛山地铁2号线直流框架泄露电压保护与钢轨电位限制配合合理，电流保护分设备配置，能有效地减少故障跳闸后的影响的范围，提高了牵引供电运行的可靠性，值得推广。同时基于目前的研究成果，对现行的保护配置提出了一些问题，为进一步的深化研究明确了方向。
参考文献：
[1]佛山市城市轨道交通2号线一期工程初步设计，佛山，2014
[2]于松伟等，城市轨道交通供电系统设计原理及应用. 成都：西南交通大学出版社，2008
[3]黄德胜.地铁接地问题研究【J】.车辆、设备及其国产化论文集，2004（12）
作者简介：
张健 1972.12.26，硕士，工程师，中交机电局，佛山市禅城区季华西路金盈绿岛国际A座8楼，
赵神宝 1993.06.24，学士，工程师，中交机电局，佛山市禅城区季华西路金盈绿岛国际A座8楼，