直流牵引系统正极接地保护方式的探讨

摘要 阐述了取消框架保护电压元件的正极接地保护方式不宜采用的原因，说明了采用为牵引所外的正极接地而设置框保电压元件的正极接地保护方式的理由，介绍了正极接地保护与钢轨电位限制器电压监视整定值的正确配合。

关键词 正极接地保护 框架保护 钢轨电位限制器 电压监视整定值

轨道 交通 直流牵引供电系统的正极、负极均不接地。一旦负极接地，因牵引负荷的回流除由走行轨返回外，还可以从地返回，这样会使杂散电流增大;若发生正极接地，就会对人身安全造成严重威胁。本文针对正极接地，介绍不宜采用的保护方式的原因及宜采用的保护方式的原理。

1 直流牵引供电系统应设置正极接地保护

正极接地，在钢轨电位限制器(GDX)不动作及负极对地有一定绝缘电阻的情况下(见图

1)，按说不 影响 车辆的运行，但是车辆停在车站上卜乘客时有极大安全隐患生车乘客脚踩带正极电位的地，若手碰车身外壳(是接触网负极)，会因触电而伤亡。为避免触电，上下车的乘客需要以跳跃方式进出车厢。所以，在直流牵引供电系统牵引变电所内应设置正极接地保护装置，一旦检测到正极接地就不允许运营，正极接地保护动作，使向接地故障供电区间送电的本所及相邻所的全部馈线快速断路器HSCB跳闸，停止车辆运营。

2 不宜采用取消框保电压元件的正极接地保护方式

2.1 钢轨电位限制器的作用

在直流牵引供电系统中，由于供电区段有启动及运行列车电流或短路电流的存在，可能会引起走行轨与大地之间产生超出许可的接触电压。为保护车站旅客的人身安全，就需要装置一套将走行轨与地连通的钢轨电位限制器(GDX)，以限制车站范围走行轨的电位，避免接触电压超出安全许可值。图1为当两牵引变电所供电区间有列车启动或运行时，走行轨对地的电位分布示意图。

2.2 框架泄漏保护原理

图2为取消框保电压元件的正极接地保护接线示意图。其中:框架泄漏保护由电流检测元件K;及电压检测元件K。组成(K。画虚线表示取消)，GDX为钢轨电位限制器，PL为排流柜，HSCB为直流馈线快速断路器，R为走行轨对地的泄漏电阻。

在正常情况下，框架保护K;中没有电流通过。当牵引所任意一个直流设备内正极对外壳短路时(图2的K,点)，接地电流通过K;流人地网，再经R回到走行轨(负极)。当接地电流达到K;整定值时，K;动作跳脱本所全部的HSCB，并联跳相邻所向相同供电区间供电的HSCB。

忽略Ki低阻抗，Ku检测的电压就是正极与负极之间的电压。所以，在发生K1点现象时，除Ki动作外，Ku也要动作。

2.3欲消彬保电所元件的理由

理由1:由于框保Ku及GDX的电压检侧元件基本上均是检侧的走行轨与地之间的电压，当两者动作整 定值配合不妥时，往往仅需要GDX动作确发生框保Ku误动作，造成不必要的供电区间HSCB全部跳闸，影响正常运行。为避免K，误动造成HSCB跳闸，一种办法是取消Ku;另一种办法是整定值的合理配合，如在GDX整定值为90V is及150 V无延时(含接触器50 ms合闸时间，全部动作时间约在70 ms)时，取K。为90 V1.5s,保证动作有选择性，尽量减少Ku的误动作。为避免Ku误动致使HSCB跳闸，也有采取将Ku只用于报警而不跳HSCB的做法。

理由2:在图2发生K:点正极接地时，国外厂商认为在有GDX和PL情况下，通过它们的动作为正极接地提供了短路电流通路，可以使HSCB跳闸，能够实现对正极接地起保护作用，从而建议取消Ku(有若干家轨道交通 企业 采纳了这种做法)。

2.4 取消框保Ku的缺点

没有Ku，在区间发生金属性K2点故障时由于GDX的动作，通过HSCl3的电流速断保护或di/dt和△I保护是能够使HSCB跳闸的。 问题 是GDX接触器的主触点耐受电流能力不行，往往在HSCB跳闸前主触点已发生熔接。因牵引网正极接地造成GDX接触器烧损的现象，在国内外时有发生。GDX接触器主触点熔接原因:在靠近牵引所附近发生正极接地，短路电流有可能大于50kA, HSCB通过电流速断的全分断时间在di/dt=S5x l06A/s时约25ms;若远离牵引所发生正极接地故障，通过di/dt及△I保护使HSCB跳闸，全分断时间约100 ms。而西门子SCD一T型GDX接触器的技术参数:额定50ms浪滨电流为7kA,短路试验测试在预期分闸电流t=9.9ms, I=50kA时有可能发生触头熔接。所以，在靠近牵引所的正极接地，GDX接触器的耐受电流及时间值有可能均不满足要求;在远离牵引所的正极接地，GDX接触器的耐受电流的时间有可能满足不了要求。

没有Ku,，在区间发生非金属性接地故障时，虽然GDX动作将负极与地短接，但由于回路阻抗大，短路电流达不到HSCB的di/dt和△I保护的工作灵敏度而SCB跳不了闸，也是完全有可能发生的(用假设来解释:在电源电压为750 V情况下，走行轨对地泄漏电阻为1. 5 Ω，若发生接触网的正极接地也有1. 5Ω阻抗，则GDX检测走行轨对地因有375 V电压便动作，但GDX将走行轨与地连通后的短路电流仅为SODA, HSCB不可能跳闸)。一旦发生此类故障，将直接威胁人身安全。

关于通过PL动作来实现正极接地保护，更不现实。因为一般地排流操作方式采用“手动”不是“自动”，既使能“白动”排流，也同样会发生如上述通过GDX动作实现正极接地保护带来的问题。

3 推荐采用为正极接地而设置的框保电压元件的正极接地保护方式 图3是框保电压元件为正极接地而设置的保护方式接线示意图。

图3与图2比较，在图2中Ku接在直流柜外壳与负极之间，在图3中将Ku写成Kz(表示为正极接地而设置)，其接在地与负极之间。此外，在Kz回路中多了一个二极管D,共作用就是在发生正极接地时才允许K:动作，在非正极接地时若因走行轨电位高于地电位达到GDX动作值时，Kz绝对不会误动作。

单纯从牵引所自身的框架保护而言，有了电流检测元件Ki就没有必要再设置电压检测元件Ku是对的。但是从实现牵引所外的正极接地保护来说，就必须要有电压检测元件，就是图3中的Kz,所以严格说它不属干牵引所内的框架保护范畴。

3.2 正极接地保护的要求

对正极接地保护Kz动作的要求:

(1)非正极接地时，在正常情况下GDX因走行轨对地电位差达到整定值的动作，Kz绝对不应动作;

(2)在正极接地时，Kz动作借助与框保K;组成的或门保护电路使本所HSCB跳闸，并联跳相邻所向相同供电区间供电的HSCB;

(3)在正极接地时，尽可能做到在GDX还来不及动作前，Kz动作己将HSCB跳闸。

3.3 Kz与GDX电压监视整定值的配合 如果GDX整定值在大于150 V仍然要求无延时，则对于远离牵引所的正极接地，在HSCB跳闸需要110 ms时GDX实际接通的时间约为40 ms，在短路电流不大的情况下应该说是不会出现GDX接触器烧损间题的。

所以，GDX动作值在150 V时不想采用延时50 ms值，也完全可以。

4 框保与正极接地的两种不同保护信号的判断

发生图3的K;点正极接地时，框架保护Ki肯定动作，与此同时Kz也会动作;而发生Kz点的正极接地时，仅Kz动作，Ki是不动作的。由此，可以根据K;及Kz是否同时动作，来判断牵引所全部HSCB跳闸是属于哪一种正极接地故障造成的:凡有Ki动作，故障发生在牵引所内;仅Kz动作，故障都般在牵引所外。正极接地故障类型不同，电调处理的 方法 是不同的，为了减少处理时间，电调必须在电力监控控制中心能判断出正极接地的类型。由于现在的SCADA系统是不能判断的，为此建议利用Ki及Kz的多余辅助接点，经图5的电路处理(注:图中的Ki, Kz继电器及S按钮是需要添增的元器件)，可以实现在远方判断出正极接地的故障类型。

参考 文献 l21庞开阳.高劲.直流牵引供电系统框架保护的运行 分析 及探讨「J].地铁 科技 ，2002

(2).

[3] SIEMENS.短路装置SITRAS SCD-T用于直流牵引系统的钢轨电位限制茉置，技术信息〔G]Il大连轻轨三号线1500V