地鐵供電系統直流側短路故障研究

譚金龍 / 成都地鐵運營有限公司

地鐵供電系統直流側短路故障研究

譚金龍 / 成都地鐵運營有限公司

地鐵供電系統本身的作用是給地鐵運行提供強有力的保證，地鐵的正常運行能夠給乘客生命安全以及財產安全提供保證，然而,從近些年一些案例來看,地鐵牽引供電系統直流側易出現短路故障，短路電流過高，對城市軌道交通系統的安全運營造成嚴重的影響。所以就城市軌道交通系統的安全運行而言，研究牽引供電系統直流側短路故障具有十分顯著的現實意義。

地鐵供電系統；可靠性；安全性；方法

地鐵供電系統,是地鐵工程中重要機電設備系統之一,它擔負著為地鐵列車和各種輔助設備供電的重要任務。供電系統的安全性,關系著乘客安全、運營人員安全、行車安全、設備安全等多個方面。直流系統短路故障分析即是地鐵供電系統設備選型及繼電保護整定計算的依據,同時也是保證繼電保護可靠性、選擇性、靈敏性及速動性的基本條件,為地鐵供電系統的安全性提供了必不可少的保障,具有重要意義。

1.城市軌道交通供電直流側短路故障的主要類型

1.1 金屬性短路

金屬性故障主要是指由于第三軌或者是接觸網與走形軌間產生直接金屬性接觸后，造成其絕緣支架擊穿，從而形成與大地的短路。比如在2010年時，北京地鐵一名乘客隨身攜帶的金屬水平尺從站臺中墮落，造成正在運行中的列車與第三軌之間的通路，從而導致了金屬性短路故障的發生。造成該種故障的另外一種原因也可能是在停電檢修作業的過程中，沒有及時將接觸網接地線撤銷，從而在恢復供電時發生金屬性短路故障，如果此時特別是在運行期間不能及時對故障位置進行確定和排出，勢必會對軌道交通的運行產生較大的影響。

1.2 非金屬性短路

非金屬性短路主要是指第三軌與走形軌經過渡電阻短路或者是絕緣泄漏，從而發生非金屬性短路故障。比如在雨雪天氣環境下，暴露在戶外的城市輕軌在雨水或者是積雪作用下被覆蓋，間接的成為導體從而與行軌發生短路。另一方面，也可能是在長時間的運行過程中接觸網或者是第三軌的出現絕緣老化現象，從而導致電流外放和泄漏，泄漏的電流通過絕緣支座在流向接地扁銅后經由變電所地網，最終回流至變電所負極，從而引發非金屬性短路故障。同金屬性故障相比，非金屬性故障下產生的短路電流相對較小，所以造成了其短路現象不容易被察覺。但是隨著運行時間的不斷加長，可能會產生接觸電壓或者是跨步電壓，嚴重情況下還會出現電弧，從而使短路故障進一步擴大，給城市交通軌道電力系統的穩定運行以及人身安全都帶來了較為嚴重的影響。

2.直流系統短路故障原因

牽引電流經直流饋線開關、饋線電纜、上網隔離開關輸送到接觸網上,再經列車、鋼軌、回流線回到負極,形成一個有效的閉合回路。造成直流牽引供電系統短路故障的原因總體來說歸納為以下兩大類。

2.1 正極對負極短路故障

多數是由于架空接觸網對鋼軌短路所引起的,如接觸網斷線掉落到鋼軌上、機車頂部對接觸網放電、錯誤掛接地線等,造成直流正極對負極瞬時短路,短路電流可達幾萬安,導致直流開關大電流脫口保護瞬間動作,DDL-Delta-I相繼啟動。

2.2 正極對大地短路故障

設備本體:老鼠、蜈蚣等小動物爬入帶電回路；小金屬線頭、未使用的螺絲、墊圈等零件,掉落在帶電回路上,造成直流正極與框架短路,引起框架保護動作。線路:可能是接觸網、饋線或變電所饋線電纜接地；絕緣子擊穿、折斷；隔離開關處于接地狀態、引線脫落；接觸網對架空地線放電；機車主回路接地等。正極接地故障多為持續性短路故障,如不及時清除,容易將故障擴大為直流正極通過綜合接地裝置、鋼軌與地之間的泄露電阻到負極的短路事故,對多處直流設備將造成嚴重燒損,破壞性及危害更大。

2.3 正極對走行軌短路故障

正極對走行軌短路，即饋電接觸網對走行軌短路，主要是由機車故障等外部原因引起的。接觸網對走行軌發生短路故障時，短路電流隨短路故障點離牽引變電所的距離不同，表現出的特性有很大不同。當離牽引變電所較近處發生短路故障時，線路中產生的沖擊電流會很大，且短路電流上升變化率很大；隨著短路故障點離牽引變電所越來越遠，短路電流曲線近似于指數函數曲線，且電流上升變化率較小，電流幅值也較小，這個過程的電流情況一般與多機車同時取流時相似，這就造成實際運行中遠端發生短路故障時難以區分短路電流與機車啟動電流的情況，造成短路故障修復的延時。接觸網對走行軌短路示意圖如圖1所示。

圖1 接觸網對走行軌短路示意圖

3.直流系統短路故障排查方法

3.1 重合閘原理

線路測試功能通過測量直流母線電壓和饋線電壓可以判斷出主回路是否正常工作,這樣一來,線路測試回路電阻Rx將決定斷路器是否被允許合閘。根據計算結果可知：Rx>2.5Ω,瞬時性故障,重合閘成功。Rx<2.5Ω,瞬時性故障,重合閘不成功。注:框架保護不起動線路測試和重合閘。

3.2 重合閘成功

一般是由列車故障等外部原因或接觸網短時閃絡造成金屬性短路所致,多為瞬時性短路故障,且保護類型多為大電流脫扣、DDL-Delta-I。此時供電設備均能夠正常運行,應注意觀察設備運行狀況并對直流開關動作過程進行錄波；組織該趟列車下線運營,安排接觸網人員對故障區段正線進行登乘巡視,待運營結束后組織相關專業對直流開關本體、接觸網、列車做詳盡的檢查和分析。

3.3 重合閘不能成功

此時故障應為持續性故障。若框架保護動作,應嘗試對故障信號進行復歸。若復歸成功,經電調允許后進行試送電,按照電調要求作進一步處理；若不能復歸,則解除故障所對相鄰牽引變電所的閉鎖條件,退出本所的整流機組,通過越區開關進行大雙邊供電。若大電流脫扣保護動作,故障點有可能在饋線至上網電纜處,現場人員應聽從電調安排進行設備檢查。

3.4 后續處理措施

對于變電所,仔細檢查直流斷路器動靜觸頭、滅弧柵片等,對燒傷部分進行打磨、更換；若為電纜故障,使用電纜故障測試儀對故障點進行定位,故障點找到后,做電纜中間接頭,將兩端非故障電纜連接起來；若為接觸網或列車故障,應采用打磨、重新連接或更換元器件等措施滿足檢修標準。

4.直流側短路故障電流仿真

牽引供電系統直流側發生短路故障時，接觸網上出現的短路電流由該供電區間上的所有牽引變電所提供，其中，短路故障點所在區間的2個牽引變電所饋給電流最大，其次是離短路故障點所在區間兩側較近的2個牽引變電所。

4.1 牽引供電系統直流側供電模型

搭建模型的過程中，由于短路故障發生是瞬時的，導致電流變化率很大。由于暫態參數的存在，系統中必然會出現一個暫態的過程。根據文獻和文獻選取模型中的基本參數。

4.2 直流側短路故障電流仿真

在Matlab／Simulink仿真環境下，搭建牽引供電系統直流側短路故障仿真模型。仿真模型中主要參數設置如下：走行軌單位內阻為30Q／km，走行軌單位內電感為1．75mH／km；接觸網單位電阻為28Q／，接觸網單位內電感為2．6mH／km；走行軌對地過渡電阻取3Q．，小電阻Rf取0．001Q。當0．1s時距離變電所A500m、1000m、1．5km處易發生短路故障。

通過搭建模型與仿真，得到直流側短路故障電流波形。根據短路電流波形可知，當供電區間發生短路故障時，線路上會產生很大的暫態電流，短路電流上升變化率很大，短路電流穩態值也很大；隨著短路故障發生點離相鄰變電所越來越遠，短路電流上升變化率隨之減小，短路電流穩態值也逐漸減小。此外，當短路故障點離兩側牽引所的距離相近時，兩側牽引所的電流波形也相近。

5.結束語

總而言之，隨著城市交通壓力的增加，地鐵修建技術的水平在不斷提高，城市地鐵工程量也在不斷增加。但是，從實際情況看，地鐵運行還是存在一些安全隱患的，一旦發生供電系統直流側短路故障，就可能造成重大的安全事故，產生惡劣的社會影響。因此，相關部門和工作人員必須要努力提高地鐵運行的安全性和可靠性。因為地鐵的運行是由供電系統提供動力的，所以，應保證供電系統的安全性和可靠性。

[1]徐勁松,高勁,江平,等.淺析地鐵直流牽引變電所的保護原理[J].電氣化鐵道,2003.

[2]林國松.牽引供電系統新型保護與測距原理研究[D].西南交通大學,2010.

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