地下轨道交通电源屏输入配电漏电监测报警问题分析

地下轨道交通电源屏输入配电漏电监测报警问题分析

吕东军

天津铁路信号有限责任公司，天津300300

摘要：针对地下轨道交通信号电源屏输入配电端漏电监测应用场景,基于供电和信号配电系统设计标准差异与传统设计习惯,对铁路信号电源屏前端漏电监测报警问题进行分析。通过隔离措施及改变检测方式,对信号电源屏前端漏流进行隔离或进行有效检测,拟解决地下轨道交通信号电源屏前端漏电监测报警问题。

关键词：地下轨道交通、信号电源屏、电气火灾监控系统、问题分析

中图分类号： U231.7

Abstract：Aiming at the application scenario of leakage monitoring at the input distribution end of signal power supply panel in underground rail transit, based on the difference between the design standards of power supply and signal distribution system and the traditional design habits, the leakage monitoring alarm problem at the front end of railway signal power supply panel is analyzed. Through the isolation measures and changing the detection mode, the leakage current at the front end of the signal power supply panel is isolated or effectively detected, and the problem of leakage monitoring and alarm at the front end of the signal power supply panel of underground rail transit is proposed to be solved.

KeyWords：Underground rail transit；Signal power supply panel；Electrical fire monitoring system；problem analysis

1. 概述

地铁做为城市轨道交通运输工具中的“绿色交通”,与城市中的其他交通工具相比具有运输量大、污染少、速度快、低能耗、乘坐舒服方便等优点,但是由于地铁深埋在地下, 狭小的运行空间与有限的出入口，乘客流量大、人员集中、人员疏散条件差等对救生和火灾扑救带来非常不利的影响[1]，因此对地铁设施防火的要求极高。据统计，国内外地铁火灾中，电气原因导致火灾所占比例达37%[2]，而设备配电线路导线因绝缘破损、老化，在环境潮湿时的对地泄漏电流变大，在集中泄露点产生局部放电、高温而引燃周围可燃物又是电气火灾的主要原因之一。因此，地铁建设均将如何防止电流泄漏引起的火灾作为其中重要一环。

信号电源屏是地铁信号系统的供电设备，为地铁信号设备提供稳定的交直流不间断电源。地铁电气火灾报警设计中，一般对信号电源屏供电的上部电力变压器配电输出端进行漏流检测。但由于供电和信号配电两个系统设计标准和传统设计习惯对于配电的设计要求存在差异，导致漏流检测设备无法有效进行检测。

2. 问题分析

信号电源屏输入端的电力变压器采用TN-S设计，即三相五线制，N线与保护地PE线分开设置，同时N线在远端（电力变压器端）接地。《TB/T 1528.1-2018铁路信号电源系统设备第1部分：通用要求》要求：三相交流电源的中性线不应设置开关、熔断器、断路器或接触器[3]。因此，两路输入电源进入信号电源屏后经两路切换装置选择后输出一路为电源系统中的UPS供电。两路输入电源的N线不切断，并短接在一起。

电气火灾监控系统采用剩余电流保护装置（RCD）监控导线绝缘，其工作原理是对电源的整体回路进行电流矢量和的检测判断[4]。如图1中的RCD1、RCD2，因电源屏内部两路市电的N线为短接状态，则I路RCD1仅采集了回路1，由于I、II路回路路径阻抗量级近似，所以II路的N线同样存在电流回流，RCD1或RCD2仅对部分回流进行了计算，结果电流矢量不为零，最终导致漏流检测装置错误报警或无法闭合开关。

图1

3. 拟解决的方案

上述问题在于供电和信号两系统对于配电的设计要求存在差异：电气火灾报警RCD要求多回路时不得共用N线，而信号电源屏则要求两路输入电源的N线不得设置开关装置且短接。因此，问题解决的关键在于采取措施将两系统隔离开来或采用新的漏流检测方法。

1. 改变电源屏切换装置切换方式

目前，4极电源切换已作为通常设计纳入到民规中，如改变信号电源屏切换装置切换方式，设置4极断路器与接触器，实现对两路市电连同N线的切换隔离，由此解决漏流检测装置N线不能共用的问题。

但是经咨询多家UPS厂商，均不建议对UPS输入端的N线设置开关。原因在于，UPS在N线缺失情况下可能产生过高的零地电压，进而损坏后端设备；且输入电源转换期间，UPS由于N线缺失，UPS因瞬间输入断电转逆变过程中可能造成输入断电判断时间延长，进而导致UPS转逆变时间延长，致使输出断电时间延长；有文献提出某品牌UPS在切断N线后，造成UPS停机的事故发生[5]、[6]；工程经验中，在N线缺失时，亦有信号电源屏两路市电切换产生反电动势造成信号电源屏内部开关电源模块损毁的现象发生。

因此，不宜更改信号电源屏输入电源的切换原则。

2. 电源屏前端增加隔离装置

如图2所示，在电力变压器与电源屏之间增设隔离柜，柜中设置两台DYn11隔离变压器TM，每台隔离变压器TM各自将两路市电的电力变压器与电源屏之间进行隔离，电源屏输入电源改由隔离变压器TM隔离后的二次侧输出进行供电，电源屏内部的N线短接亦改为将隔离变压器TM二次侧输出零线进行短接。

由于隔离变压器TM的隔离作用，电力变压器输出与隔离变压器TM一次侧形成实际的电流回路，即电力变压器输出配电柜侧的漏流检测装置采集经由隔离变压器TM一次侧的电流矢量和进行检测判断，因此，有效解决了两系统设计原则的冲突。

而隔离变压器TM采用Dyn11联结，其3n次（n为整数）谐波励磁电流在其三角形结构的一次绕组内形成环流，不注入上部电网中去，较之一次绕组接成星型接线的Yyn0联结变压器更利于抑制高次谐波电流。

设置隔离柜虽然能有效解决漏流检测与电源屏N线短接的使用冲突，实际工程实施中，一台隔离变压器亦可实现隔离作用，但由于隔离柜中隔离变压器容量较大，变压器亦需满足电源屏额定容量与上电、转换冲击特性。因此，隔离柜外形尺寸较大，占用一定的安装空间，需考虑信号设备室或电源室的空间大小是否合适，同时也会造成设备成本上升。

图2

3. 采用新的漏流检测方法

如图3所示，在I、II路电力变压器配电输出侧原漏流检测位置加装精密电流互感器，互感器副边（同名端）相串联。

图中，I1为一路配电输出电流矢量和所对应的互感器副边感应电流，I2为经由中线N2的支路回流所对应的互感器副边感应电流，由于互感器副边（同名端）相串联，两电流呈抵消关系，此时，通过检测串联在互感器副边回路中电阻R上的电压变化情况U=(I1-I2)*R，可检测两路市电整体漏流情况。

图3

4. 结论

通过以上为地下轨道交通信号电源屏前端漏电监测报警问题及解决措施的理论分析，在信号电源屏前端加装隔离装置或采用新的漏流检测方法可以作为问题解决的途径，而要实际实施，还需多方面考虑方案实现的影响因素。在信号电源屏前端增加隔离装置，带来的设计、土建、物料采购成本的增加，供电与隔离装置、隔离装置与信号电源屏之间的容量、冲击的匹配以及彼此影响等因素，还需进一步分析验证；而新的漏流检测方法则在检测手段上提供了一种解决思路，能否有效实现还需相关领域的设备供应商予以支持。

参考文献：

［１］张萍,黄强．地铁火灾的原因分析及预防［J］．山西建筑,2010（29）：182．

［２］付朝立.基于泄漏电流监测的电气火灾报警系统在地铁中的应用.城市轨道交通研究,2014（4）：122.

［３］国家铁路局.TB/T 1528.1-2018 铁路信号电源系统设备第1部分：通用要求.北京：中国铁道出版社，2018.

［４］吴桂清,黄璐,戴瑜兴,昕宇.剩余电流火灾报警系统的设计原理及应用.低压电器,2008（2）:12.

［５］张大鹏,张金浩,董建民,李存国,邢梅娟.零线中断导UPS停机事故分析.制造业自动化,2010（3）：7.

［６］林伟.三相高频整流UPS输入电源零线中断对UPS运行影响的分析.通信电源技术，2019（8）：225.

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