南寧地鐵 1 號線直流牽引供電系統(tǒng)短路試驗方案研究

李 軍，韋庭三，黃 俊

（南寧軌道交通集團有限責任公司，廣西南寧 530029）

0 引言

目前，新建成的城市軌道交通線路中絕大部分都是采用直流 1 500 V 作為牽引動力電源。直流牽引供電系統(tǒng)短路試驗是必須完成的試驗項目，其目的是通過試驗獲取必要的參數(shù)，以便對直流饋線保護裝置的保護參數(shù)進行正確整定，確保故障短路時斷路器能可靠跳閘。同時可以校驗正常運營條件下（如列車起動、地鐵乘客最大密度時）線路的實際參數(shù)與設計參數(shù)的匹配程度。

1 直流保護的基本原理

直流牽引供電系統(tǒng)發(fā)生接觸網(wǎng)短路時，短路電流很大，為此，設置了高性能的保護設備。南寧地鐵 1 號線直流斷路器的保護由開關(guān)本體的大電流脫扣保護和直流保護裝置 SEPCOS 組成。

大電流脫扣保護是直流斷路器的主保護，與交流保護中的速斷保護類似，用以快速切除金屬性近端短路故障。這種保護是直流斷路器內(nèi)設置的固有保護，沒有延時性，它通過斷路器內(nèi)設置的脫扣器實現(xiàn)。當通過斷路器的電流超過整定值時，脫扣器馬上動作，使斷路器跳閘。

保護裝置 SEPCOS 是后備保護，用于保護中長距離的線路故障，主要通過檢測電流的變化率（di /dt）來反映線路是否有故障。當電流的變化率達到設定動作值時，保護裝置動作，使直流斷路器跳閘。

如果保護整定值設置不恰當，就會出現(xiàn)保護拒動或者誤動的情況，造成設備損壞和較大的社會影響，故在城市軌道交通中需通過短路試驗來校驗牽引供電系統(tǒng)保護裝置的功能完備性，獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，供設計校驗各設備的保護參數(shù)配置，保證在牽引供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，供電設備能及時迅速地切除故障部分，確保人員設備的安全。

通過抽樣試驗，檢驗直流牽引供電系統(tǒng)中各設備短路耐受能力和可靠性是否符合合同和相關(guān)規(guī)范技術(shù)要求。

2 試驗方法與注意事項

2.1 試驗方法

2.1.1 試驗點選擇

短路點的選擇應根據(jù)理論產(chǎn)生最大短路電流及最小短路電流的地點進行選取。選取最近容易發(fā)生短路故障的地點進行短路，該點短路電流理論為最大，可以檢驗大電流脫扣保護是否正確動作；選取最遠端容易發(fā)生短路故障的地點進行短路，該點短路電流理論為最小，可以檢驗電流速斷保護、過電流保護、電流變化率保護（di /dt）以及電流增量保護（ΔI）是否正確動作。不論選擇何種短路方式，其控制、保護、信號設置均需按單邊供電投入，在接觸網(wǎng)線路發(fā)生短路時進行試驗的變電所內(nèi)的開關(guān)應可靠分斷、信號顯示正確且設備無異常。

2.1.2 試驗接線

結(jié)合南寧地鐵 1 號線直流牽引供電系統(tǒng)工程實際情況，短路試驗地點選擇在南湖站—萬象城站左、右線，具體選取如下。

（1）南湖站 214 饋線近端短路測試。接觸網(wǎng)短接點（近端）在南湖站—萬象城站區(qū)間（右線）靠近南湖站車站側(cè)，如圖1所示。

（2）萬象城站 211 饋線短路測試（遠端短路）。接觸網(wǎng)短接點（遠端）在南湖站—萬象城站區(qū)間（左線）靠近南湖站車站側(cè)，如圖2所示。

圖1 供電近端短路試驗示意圖（連接鋼軌）

圖2 供電遠端短路試驗示意圖（連接架空地線）

2.1.3 數(shù)據(jù)采集

短路試驗數(shù)據(jù)的采集需使用直流保護裝置 SEPCOS自帶的故障錄波功能以及外接示波器進行記錄，接線如圖3所示。

直流開關(guān)分流器正、負極分別與測量放大器輸入端口正、負極相連，測量放大器輸出端正、負極分別與直流保護裝置 SEPCOS 輸入端子以及示波器探頭正、負端相連。連接示波器與放大器的接線需采用帶屏蔽層信號線，以減少干擾。示波器采樣時間調(diào)整為“格/1 s”，試驗結(jié)束后將示波器采集數(shù)據(jù)及波形保存，并使用專用電腦連接保護裝置，調(diào)出錄波數(shù)據(jù)。

圖3 短路試驗測試數(shù)據(jù)采集接線示意圖

2.1.4 試驗步驟

短路試驗步驟：①相關(guān)區(qū)間接觸網(wǎng)按試驗要求停電；②在選取地點按圖1、圖2的連接方式進行連接；③連接完成后，利用直流開關(guān)保護裝置的線路測試功能測試短路回路的完整性；④檢查站內(nèi)整流機組斷路器、直流開關(guān)保護整定值是否與設計整定相符；⑤試驗前，先進行保護裝置模擬跳閘試驗，確保裝置可靠動作；⑥按圖3接好數(shù)據(jù)采集示波器，啟動示波器錄波按鈕后立即合上被測試開關(guān)；⑦從示波器及保護裝置讀取短路電流及電壓數(shù)值、波形及電弧分斷時間，將收集的數(shù)據(jù)與設計整定值比較；⑧短路試驗結(jié)束，檢查直流開關(guān)本體及觸頭是否燒傷及存有殘留物；⑨撤除試驗區(qū)段短路點的輔助導線及臨時接地線，檢查接觸網(wǎng)匯流排、架空地線、鋼軌的短路連接點處是否有燒傷、損壞。

2.2 注意事項

（1）短路試驗開始前，先進行模擬短路試驗，在設備不帶電的情況下，使用微機繼電保護測試儀和直流毫伏發(fā)生器分別對 35 kV 氣體絕緣開關(guān)設備（GIS）、整流器柜以及直流開關(guān)發(fā)送跳閘信號，確保裝置可靠動作后，再正式進行短路試驗。

（2）為確保參與試驗人員的人身安全，短路試驗前應將被試開關(guān)本體的合閘按鈕臨時引出，遠離直流開關(guān)室的控制室，試驗過程中嚴禁在直流開關(guān)本體上進行分合閘操作。

（3）近端短路試驗前，應將數(shù)據(jù)采集回路的放大器量程調(diào)至最大或臨時更換更大量程的放大器（≥35 000 A），以防檢測波形因短路電流超放大器量程出現(xiàn)“削頂”。

（4）短路試驗對開關(guān)主觸頭壽命損傷很大，屬于破壞性試驗，應盡量減少試驗的次數(shù)。

3 試驗數(shù)據(jù)搜集及分析評估

直流短路試驗是破壞性試驗。南寧地鐵 1 號線的直流牽引供電系統(tǒng)短路試驗分別按接觸網(wǎng)近端短路、遠端短路各進行 1 次試驗。直流短路時示波器檢測到電流、電壓實際波形見圖4、圖5。

圖4 南湖站 214 饋線電流示波器錄波波形圖

圖5 萬象城站 211 饋線電流示波器錄波波形圖

直流保護裝置 SEPCOS 保護整定值及短路試驗時的故障錄波數(shù)據(jù)分別見表1、表2。

表1 直流保護裝置 SEPCOS 整定值

從表2的數(shù)據(jù)分析得出如下結(jié)論。

（1）南湖站在進行試驗前未明確測量放大器檔位，實際測量放大器量程偏小（-12 000～12 000 A），而短路峰值電流很大，超出放大器量程范圍，導致放大器飽和輸出，形成如圖4所示的“削頂”波形。

（2）南湖站 214 饋線近端短路開始后 16ms，短路電流達到峰值，母線電壓值約為 612 V，根據(jù)電流變化率估算，短路電流峰值約為 32 100 A。整個短路試驗過程，214斷路器的大電流脫扣保護、電流速斷保護及電流增量（ΔI）保護均可靠動作并使斷路器分閘，上級進線直流斷路器（201、202）出現(xiàn)大電流脫扣保護動作分閘。第 16ms 斷路器開始分閘，第 20ms 斷路器完成分閘，第 30ms 饋線電流趨于 0 A。

（3）萬象城站 211 饋線遠端短路開始后 48ms，短路電流達到峰值約為 8 769 A，母線電壓為 1 411 V。整個短路試驗過程，萬象城站上級進線直流斷路器（201、202）保持合閘狀態(tài)，211 斷路器電流增量（ΔI）保護、電流速斷（Imax++）動作跳閘。第 48ms 斷路器開始分閘，第 54ms 斷路器完成分閘，第 72ms 饋線電流趨于 0 A。

（4）上述短路試驗數(shù)據(jù)表明，南寧地鐵 1 號線供電系統(tǒng)的直流開關(guān)性能優(yōu)良，直流保護裝置動作準確，直流牽引系統(tǒng)運行可靠。

表2 南湖站 214 饋線近端短路、萬象城站 211 饋線遠端短路故障錄波數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

這次試驗從方案準備、實施以及數(shù)據(jù)采集處理都比較成功，達到預期目的，對今后建立和完善直流牽引供電系統(tǒng)的短路試驗方案和測量方法有很好的參考價值。對南寧地鐵后續(xù)線路的工程項目，還應結(jié)合實際情況具體分析，試驗前還應綜合考慮試驗環(huán)境、不同接線方式等因素對短路試驗的影響，以便更真實、準確地分析系統(tǒng)短路工況。

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