濟南R3線短路試驗研究

柳 鑫 1，吳 雙2，張桂林，劉光輝

(1.中鐵第六勘察設計院集團有限公司電氣化設計院分公司，天津 300250；2.濟南軌道交通集團建設投資有限公司，山東 濟南 250300；3.鄭州鐵路職業技術學院電氣工程學院，河南 鄭州451460)

0 引 言

作為當今世界城市交通重要組成部分的軌道交通是大中型城市人員市內流動的主要運輸方式。軌道交通的建設和運營可以促進沿線區域快速、可持續發展。近年來，中國城市軌道交通在修建里程上增長速度最快，在建規模最大，年發送旅客最多，運行速度最快，大大緩解大中城市日益擁擠的交通狀況。可靠、穩定的直流牽引供電系統是城市軌道交通列車安全、高效運行的重要保障[1]。

對城市軌道交通可靠運營影響最大的因素是短路故障，因此在新線開通之前要進行牽引供電系統短路試驗。該試驗可以檢驗牽引直流供電系統運行的可靠性、電氣設備的穩定性以及校驗牽引供電系統繼電保護整定值的準確性[2-4]。當發生短路故障時，保護設備可以快速、準確切斷故障點，從而保障設備和人員的安全。不同的供電線路，其接觸網類型不同、牽引變電所的容量不同、開關設備選擇的廠家不同，短路試驗時布置不盡相同。下面對濟南R3線選擇合適的短路點進行短路試驗，應用專用的設備對相關參數進行測量并對其進行分析。結果表明，濟南R3線選擇的保護裝置對不同短路故障響應靈敏、可靠。

1 試驗布置和參數測量

1.1 濟南R3線項目概況

濟南市軌道交通R3線二期工程線路全程共21.57 km(龍洞站—灘頭站)。供電系統由主變電所、35 kV供電環網、牽引降壓混合變電所及降壓變電所、接觸網系統、電力監控系統、雜散電流防護及接地系統、供電車間組成。供電系統采用2個110/35 kV主變電所集中雙邊供電方式，合用一期工程既有的濟南東主變電所，主變電所提供35 kV電源，向地鐵牽引變電所及降壓變電所供電。

接觸網系統的牽引網電壓等級為直流1500 V，牽引網饋電形式為架空剛性接觸網。

1.2 短路試驗點的選擇

短路試驗點的合理選擇是保證達到試驗目的關鍵，應保證短路試驗點可以獲取最大短路電流及最小短路電流。文獻[5]規定接觸網最小短路電流是接觸網中離饋入點最遠端發生正負極間短路時的電流。反之，接觸網最大短路電流是在接觸網的饋入點處發生正負極間短路時的電流。根據R3線牽引變電所實際布置情況，選取濟南新東站進行最小短路電流試驗，由于該點短路電流理論為最小，可以驗證電流速斷保護、過電流保護、di/dt+ΔI保護的可靠性；選取丁家東站和盛福莊站進行最大短路電流試驗，因為該點理論電流最大，可以檢驗di/dt+ΔI保護、斷路器本體的大電流脫扣保護動作的可靠性，短路試驗布置如圖1所示。

圖1 短路試驗布置

1.3 短路試驗步驟

為保證短路試驗順利進行，制定操作流程如圖2所示。

1)試驗準備

(1)按照濟南地鐵公司停電作業程序辦理好作業票和配合協議。

(2)短路試驗區間的接觸網處于停電狀態，一直到短路試驗開始。

(3)做好安全防護措施，例如試驗區段按帶電設備處理，除試驗人員外，試驗區段不允許有其他人員；短路點兩側30 m做好防護等。

2)接觸網短路連接

為保護短路大電流對短接導線沖擊，圖1中的短路接地線采用2條TRJ-150 mm2軟銅線連接短路試驗QF和鋼軌。

圖2 試驗流程

3)控制和測量設備連接調試

(1)在接地線中串接斷路器，該斷路器可以用遠程控制裝置操作。

(2)連接電流互感器到示波器，并啟動示波器用于記錄短路時的參數。

(3)核對短路試驗區段的保護定值及動作時間配合的正確性。

(4)在試驗前，檢查相關電動隔離開關觸頭閉合情況，并進行短路模擬試驗驗證保護裝置的可靠性。

4)數據采集和分析比對

(1)閉合短路試驗QF，連通電路。

(2)從示波器及保護裝置讀取短路電流及電壓數值、波形及電弧分斷時間,將收集的數據與設計整定值比較。

5)清理現場

(1)短路試驗結束后,檢查各類開關動靜觸點、短接地線與鋼軌、架空剛性匯流排的連接點是否有燒傷。

(2)拆除短路接地線，并清理相關安全防護設施，恢復到試驗前的面貌。

2 試驗數據分析及評估

2.1 直流保護的基本原理

濟南R3直流1500 V饋線的保護有大電流脫扣保護(斷路器本體保護)、電流速斷保護、過電流保護、電流增量保護ΔI和電流上升率保護di/dt等[6-7]。

圖3 濟南東站至灘頭站短路試驗模式

斷路器本體大電流脫扣保護是牽引網近端短路的主保護。當牽引網發生金屬性近端短路故障，短路電流數值很大。當短路電流達到整定值時，脫扣器動作，斷路器能在短路電流達到穩態值之前提前快速切斷，其動作時間僅為斷路器本身固有動作時間。

電流速斷是斷路器本體大電流脫扣的近后備保護，電流設定值一般小于斷路器本體的定值，主要通過分析饋線電流識別故障。

過電流保護是整段線路的后備保護，整定值相對較小，時間延遲相對長。

ΔI+di/dt保護作為饋線保護的主保護，它既能切除近端短路電流，也能切除大電流脫扣保護不能切除的故障電流較小的中遠端短路故障。該保護克服了單獨di/dt保護受干擾而誤動以及ΔI保護存在拒動現象的缺點。

2.2 接觸網最小電流試驗

單邊供電模式下在濟南新東站斷路器214遠端短路，驗證大電流情況下斷路器的開斷能力、設備的短路耐受能力和繼電保護裝置的速動性。短路試驗模式如圖3所示。

短路試驗的故障錄波采用鎮江大全賽雪龍繼電保護裝置sepcos-2故障錄波儀，波形如圖4所示。

從圖4可以看到，鎮江大全賽雪龍繼電保護裝置sepcos-2的短路電流最大值為12 544 A，保護增量變化時間為16.8 ms。圖中箭頭1所示起弧時間為-17 ms，箭頭2為完全息弧時間57 ms，從起弧時間至完全息弧歷時約74 ms。

短路試驗中ΔI+di/dt和電流速斷保護動作跳閘，214斷路器ΔI+di/dt保護整定值為6000 A，繼電保護的動作值為12 544 A，斷路器動作的可靠系數為2.09。經檢查，短路點導線及鋼軌短路試驗后沒有明顯燒損情況。

圖4 遠端短路錄波儀采集的數據

2.3 接觸網最大電流試驗

丁家東站與盛福莊站雙邊供電模式下，在丁家東站斷路器214和盛福莊站212近端短路，短路試驗模式如圖5所示。驗證在正線雙邊供電模式下，一端發生短路故障時，相關繼電保護裝置的速動性、靈敏性。

短路試驗的故障錄波采用鎮江大全賽雪龍繼電保護裝置sepcos-2故障錄波儀和中元華電ZH-102錄波儀。前者波形如圖6所示，后者波形如圖7所示。

圖5 丁家東站至盛福莊站短路試驗模式

圖6 近端短路錄波儀采集的數據

從圖6可以看到，短路的最高電流約為19 339 A，保護增量變化時間為2.4 ms。圖中箭頭1起弧時間為-2 ms，箭頭2完全息弧時間為23 ms，從起弧時間至完全息弧歷時約25 ms。

圖7 盛福莊站212短路電流波形

短路試驗中電流速斷保護及ΔI+di/dt動作，盛福莊站電流速斷保護整定值為7500 A，繼電保護動作值為19 339 A，繼電保護動作的可靠系數為2.58。經檢查，短路點導線及鋼軌短路試驗后沒有明顯燒損情況。

在圖7可以看到，短路電流最大值為19 339.4 A，從起弧至完全息弧歷時約29 ms，與盛福站212繼電保護裝置記錄的波形基本一致。

3 結 語

結合軌道交通具體項目濟南R3線論述了直流牽引供電系統短路試驗的試驗點的選擇、試驗步驟等內容。短路試驗精心組織、科學安排，為此線路試運行提供了保障，同時為其他同類型線路牽引供電短路試驗提供了借鑒。

從2次短路試驗的過程記錄和波形分析中可以看出，被試斷路器耐受住了短路電流的考驗，直流保護測控裝置的動作的可靠性、速動性、選擇性、靈敏性滿足設計要求，繼電保護裝置記錄的故障波形真實可靠。對參加本次短路試驗的設備的試驗結論為合格。