地鐵牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)短路故障及對(duì)策探討

范忠林

東莞市諾麗電子科技有限公司，中國(guó)·廣東 東莞 523000

1 引言

地鐵利用地下通道，節(jié)約了地面空間，在很大的程度上延緩了城市人口的出行壓力。但在地鐵的運(yùn)行環(huán)節(jié)，也存在著很多隱患，制約著地鐵的運(yùn)行。地鐵供電系統(tǒng)是地鐵工程中重要系統(tǒng)之一，它為地鐵列車(chē)和各種設(shè)備提供電能。在地鐵的供電系統(tǒng)中，直流側(cè)的額定電壓1500V，如此高的電壓供電系統(tǒng)直流側(cè)也易出現(xiàn)短路故障，造成地鐵的供電中斷問(wèn)題。對(duì)地鐵直流系統(tǒng)短路故障進(jìn)行分析，找出故障原因并進(jìn)行排查，保證地鐵的順利運(yùn)行，對(duì)地鐵供電系統(tǒng)的安全性提供保障具有重要意義。

2 地鐵牽引供電系統(tǒng)概述

電力牽引供電系統(tǒng)是指從電力系統(tǒng)或一次供電系統(tǒng)接收電能，通過(guò)變壓、變相或換流（將工頻交流變換為低頻交流或直流電壓）后，向電力機(jī)車(chē)負(fù)載提供所需電流制式的電能，并完成牽引電能傳輸、配電等全部功能的完整系統(tǒng)。牽引供電系統(tǒng)的性能直接影響列車(chē)牽引功率的發(fā)揮和牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)的性能。現(xiàn)階段的地鐵牽引供電系統(tǒng)一般采用直流電，直流電具備耗材較少、節(jié)省費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)，而且在事故發(fā)生后的處理環(huán)節(jié)比較簡(jiǎn)便。就使得直流電在地鐵供電系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。牽引供電系統(tǒng)是將交流中壓電壓經(jīng)降壓整流變成直流1500V 或直流750V 的電壓，為電客車(chē)提供牽引供電。它包括牽引變電所與牽引網(wǎng)，城市地鐵供電線(xiàn)路的牽引供電系統(tǒng)通過(guò)牽引變電所將三相交流電轉(zhuǎn)變成適用于軌道車(chē)輛的低壓直流電（750V 或1500V），經(jīng)饋電線(xiàn)將直流電輸送至牽引網(wǎng)，軌道車(chē)輛通過(guò)受流器與接觸網(wǎng)的直接接觸獲得電能，由此為電客車(chē)供電[1]。

3 地鐵牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)電力故障的類(lèi)型

3.1 金屬性短路

在地鐵供電系統(tǒng)中，直流側(cè)的金屬性短路是指第三軌、接觸網(wǎng)等設(shè)施和走行軌或其他建筑物之間產(chǎn)生金屬接觸，進(jìn)而造成絕緣設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，引起設(shè)備故障的現(xiàn)象。還有可能是現(xiàn)在停電后的檢修環(huán)節(jié)，如果檢修人員在檢修工作結(jié)束后沒(méi)有將接觸網(wǎng)的接地線(xiàn)拆除，造成接觸網(wǎng)/軌和大地短路[2]。另外，線(xiàn)路上異物侵入接觸網(wǎng)/軌，導(dǎo)致短路。

3.2 非金屬性短路

在線(xiàn)路短路故障的類(lèi)型中，除了會(huì)有金屬性短路狀況發(fā)生意外，還會(huì)存在非金屬性短路現(xiàn)象，依舊會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響。非金屬性短路是由第三軌和走行軌在電阻短路和絕緣裝置出現(xiàn)問(wèn)題引發(fā)的?；蚴窃谠O(shè)備的運(yùn)行過(guò)程中，由于線(xiàn)路使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，相關(guān)設(shè)備的絕緣裝置出現(xiàn)老化，絕緣層不能保護(hù)電路的作用，進(jìn)而造成電流的泄露，經(jīng)過(guò)相關(guān)導(dǎo)電物品，最終流動(dòng)到電力的負(fù)極，引發(fā)直流側(cè)短路故障。在非金屬性線(xiàn)路短路故障發(fā)生之后，由于非金屬性產(chǎn)生的電流相對(duì)較小，就很難在事故發(fā)生之前對(duì)故障進(jìn)行察覺(jué)，所以非金屬性短路故障造成的危害較之金屬性短路更加嚴(yán)重，甚至可能產(chǎn)生電弧，對(duì)操作人員造成生命危險(xiǎn)。

4 地鐵牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)電力故障的產(chǎn)生原因

4.1 自然原因

在地鐵的牽引供電中，正極對(duì)地短路是常見(jiàn)的一種故障，地鐵供電系統(tǒng)直流側(cè)為了避免線(xiàn)路漏電，具備多種絕緣保護(hù)裝置。例如，采用對(duì)地絕緣的安裝方法，在帶電金屬裝置和大地之間設(shè)置直流框架電流泄露保護(hù)裝置。當(dāng)這些絕緣裝置出現(xiàn)老化、破損等現(xiàn)象時(shí)，供電設(shè)備產(chǎn)生的正極電流就會(huì)經(jīng)由金屬設(shè)備外殼和大地產(chǎn)生對(duì)地短路故障，這就是正極對(duì)地短路。在露天的線(xiàn)路中，存在雷擊破壞絕緣設(shè)備的現(xiàn)象，也會(huì)造成接觸網(wǎng)和地線(xiàn)之間產(chǎn)生短路。

4.2 操作原因

在電力系統(tǒng)中，也會(huì)出現(xiàn)正負(fù)極相連，造成供電線(xiàn)路電壓瞬間增大，破壞線(xiàn)路造成短路故障。在解控線(xiàn)路的搭建和施工維修過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)操作人員施工不當(dāng)造成架空電網(wǎng)和鋼軌接觸，施工不當(dāng)造成的架空線(xiàn)路掉落，接觸到鋼軌，或者是機(jī)車(chē)頂部在接觸網(wǎng)的操作過(guò)程中出現(xiàn)電力線(xiàn)路連接錯(cuò)誤等行為時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致電力的正負(fù)極直接相通，正負(fù)極間沒(méi)有負(fù)載而是直接接通被稱(chēng)為短路現(xiàn)象，一旦發(fā)生就會(huì)產(chǎn)生上萬(wàn)甚至十幾萬(wàn)安的大電流。因此，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，損毀設(shè)備，電弧會(huì)將許多元件短時(shí)間融化。同時(shí)，產(chǎn)生的電流還會(huì)帶來(lái)一定的電磁力，它同樣會(huì)損壞設(shè)備，同樣可能造成重大火災(zāi)及傷害事件。

4.3 設(shè)備原因

在設(shè)備的使用過(guò)程中，當(dāng)相關(guān)的機(jī)電設(shè)備、線(xiàn)路裝置和絕緣設(shè)備等出現(xiàn)故障時(shí)，也會(huì)造成直流側(cè)短路故障。在相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)故障，造成接觸網(wǎng)和走行軌接觸，就會(huì)造成正極對(duì)走行軌短路故障。

5 地鐵牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)電力故障的發(fā)現(xiàn)和治理措施

5.1 利用重合閘對(duì)線(xiàn)路故障進(jìn)行判斷

在線(xiàn)路的故障對(duì)策中，電力檢修人員可以利用重合閘對(duì)線(xiàn)路進(jìn)行檢查，找出故障位置并進(jìn)行治理。在線(xiàn)路的治理環(huán)節(jié)，可以通過(guò)對(duì)直流母線(xiàn)的電壓進(jìn)行測(cè)量，然后將計(jì)算結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，如果結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。就表示可以進(jìn)行合閘，若結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)值之外，故障就比較嚴(yán)重，重合閘就不會(huì)合并。當(dāng)重合閘不成功時(shí)，線(xiàn)路的故障就是線(xiàn)路出現(xiàn)斷裂或者是絕緣設(shè)備常出現(xiàn)問(wèn)題等重大損壞，這時(shí)候，如果設(shè)置有框架保護(hù)系統(tǒng)，就可以試著將相應(yīng)地區(qū)的線(xiàn)路斷開(kāi)，然后通過(guò)實(shí)施大雙邊供電，電力系統(tǒng)出現(xiàn)脫扣保護(hù)時(shí)，相關(guān)工作人員就可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查[3]。

5.2 行波故障尋找法

在直流線(xiàn)短路故障排查中，行波法是常見(jiàn)的一種電力故障檢修方法，這種方法通過(guò)行波傳輸對(duì)故障部位進(jìn)行確定，然后進(jìn)行維修。具體的操作方法是，行波在線(xiàn)路中會(huì)以勻速狀態(tài)傳播，這時(shí)候如果景觀存在故障部位，就會(huì)在速度上和時(shí)間上產(chǎn)生差異，相關(guān)人員就可以通過(guò)對(duì)行波相關(guān)數(shù)字進(jìn)行計(jì)算，從而得到故障的位置。這種方法在使用過(guò)程中十分簡(jiǎn)便，而且效率高，十分精準(zhǔn)，所以在直流側(cè)短路故障的檢測(cè)中被廣泛應(yīng)用。但是這種方法也有自身的缺陷，就是相關(guān)的設(shè)備造價(jià)很高，而且設(shè)備需要具備一定的操作技術(shù)才能使用。

5.3 大電流脫扣保護(hù)裝置

在直流側(cè)短路故障中，不能單單只進(jìn)行故障的檢修和確定，還要擁有能夠在故障發(fā)生時(shí)能夠起到阻斷電流作用的相關(guān)裝置，避免造成更大的危害。大電流脫扣保護(hù)能夠在電路中電流超標(biāo)時(shí)切斷電路，保護(hù)線(xiàn)路，也避免造成更大的破壞。在線(xiàn)路發(fā)生短路時(shí)，會(huì)在線(xiàn)路中產(chǎn)生強(qiáng)大的電流，很容易就會(huì)對(duì)下路造成重大破壞，如果沒(méi)有對(duì)電流進(jìn)行阻斷，就會(huì)造成重大的危害[4]。所以，就需要在電流對(duì)線(xiàn)路造成破壞之前截?cái)嚯娏鳌４箅娏髅摽郾Ｗo(hù)裝置內(nèi)部有電流識(shí)別裝置，當(dāng)經(jīng)過(guò)的電流達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，就會(huì)自動(dòng)跳閘，進(jìn)而保護(hù)線(xiàn)路。

6 結(jié)語(yǔ)

在地鐵的發(fā)展過(guò)程中，為大眾出行帶來(lái)了極大的方便，但地鐵運(yùn)行需要電力系統(tǒng)可靠而穩(wěn)定維持，地鐵線(xiàn)路很容易出現(xiàn)短路現(xiàn)象，牽引線(xiàn)路直流側(cè)短路故障就是其中之一，在自然、設(shè)備和技術(shù)等原因的影響下，直流側(cè)會(huì)發(fā)生金屬性短路和非金屬性短路兩類(lèi)故障，可以通過(guò)性行波法和重合閘等方法進(jìn)行檢測(cè)，然后設(shè)置大電流脫扣保護(hù)裝置進(jìn)行故障保護(hù)，避免直流側(cè)短路故障對(duì)地鐵供電系統(tǒng)造成更大的危害。