考慮多供電分區的地鐵接觸網短路故障原理分析

池代臻

0 引言

城市地鐵接觸網是架設在軌道上空的供電設備，為地鐵列車提供1 500 V或750 V的牽引電能。由于接觸網為無冗余設備，若其發生故障將直接影響線路的正常運營。短路故障是接觸網故障中較為嚴重的一種，可能造成設備損壞、運營中斷[1，2]。接觸網若發生斷線、脫線、絕緣子閃絡、弓網撞擊、錯掛地線等故障，均可能造成接觸網短路。短路故障會引起系統內萬安培級別大電流的流通[3，4]，對此，直流開關柜的保護裝置通常能夠對短路電流進行判斷，有選擇性地切除故障對應區域，縮小故障范圍。

然而地鐵供電系統較為復雜，其故障具有一定的復雜性，即使在直流開關正確動作的情況下，也可能因為短路故障電壓電流的變化而引發非故障區域的跳閘。近期某地鐵車輛段內發生一起接觸網短路故障，故障造成了2個相鄰且有電客車取流的供電分區發生聯跳，擴大了故障范圍。經查閱，相關文獻多涉及短路試驗、短路保護設計及開關設計制造等方面，未對短路故障造成擴大范圍跳閘的情景進行分析。本文將詳細介紹此次故障的經過與故障波形特征；在分析供電系統主要模塊后建立等效電路，以對故障過程中電壓電流變化原理進行詳細分析，從而合理解釋擴大跳閘范圍的原因，以期掌握此類故障的規律，形成可資借鑒的經驗。

1 故障概述

1.1 跳閘區域的設備情況

此次接觸網短路故障發生在車輛段內，車輛段內直流供電系統的主要供電結構如圖1所示。

圖1 牽引變電所供電結構示意圖

牽引變壓器與整流器將AC 35 kV電壓轉換成DC 1 500 V電壓，經直流進線開關201與202輸送至直流母排上。車輛段內接觸網共設置6個分區，由直流饋出開關211～216（以下簡稱開關）分別向各分區接觸網供電。電客車從接觸網取電，電流經鋼軌、回流電纜回流至整流器負極。整流機組、直流開關、鋼軌等直流供電系統采用絕緣安裝，全套直流系統與綜合接地系統形成電氣絕緣。故障發生前所有開關均處于正常狀態，其中接觸網第3分區L16股道與第4分區的L23股道各有一輛機車升弓運行。

1.2 跳閘事件概況

本次故障的直接原因：第5供電分區的L28股道在隔離開關G28手動合閘時，因機械故障造成接地刀閘未聯動分閘，導致接觸網短路。短路電流導致隔開主刀閘上消弧棒接觸燒融、斷路器動靜觸頭明顯灼傷、滅弧柵拉弧燒黑，如圖2所示。本文主要對短路過程進行電氣分析，不對G28隔開故障原因及設備損傷情況進行過多描述。

圖2 短路點灼燒痕跡

故障發生后，215開關觸發電流變化率保護和電流增量保護（DDL+ΔI）與電流速斷保護動作，開關跳閘；213與214開關觸發（DDL+ΔI）保護動作跳閘；其中211、212及216開關無動作。因213與214開關電流波形相似度高，故僅選取213與215開關的故障波形作進一步分析，如圖3所示。

圖3 中的0時刻為開關保護裝置判定滿足跳閘條件輸出分閘指令的時刻。圖3（a）所示為215開關短路錄波波形。在-3 ms時刻，L28股道發生短路，215開關電流迅速上升，保護裝置立即啟動DDL+ΔI保護，在0時刻電流增大至7 965 A，饋線電壓被拉低至1 124 V，動作輸出。由波形可以看出：開關動作后因電弧通道的存在，電流上升至11 562 A后，采樣截頂；在24 ms時刻，滅弧完成，電流降低為0。分析保護電流與時限符合設置定值，判斷保護動作正確。圖3（b）所示為213開關故障錄波波形。需要指出的是，由于故障錄波是以開關動作輸出為記錄的0時刻，因此圖3（a）、（b）所示波形并非同步波形，因此僅能通過波形本身進行分析。由圖1可以看出213與215開關均連自同一進線母排，當L28股道發生短路時，母線電壓被拉低，在-16 ms時刻，直流電壓被拉低至1 027 V，同時產生-2 080 A電流，而后直流電壓與電流均上升；在0時刻，電流上升至3 783 A，電流變化滿足DDL+ΔI保護動作定值，開關動作輸出；經過19 ms后，斷路器滅弧完成，電流降為0。

圖3 直流饋出開關的故障錄波

調取L16股道電客車電流錄波發現，在相同時刻，直流母線反饋-141 A電流，但其保護裝置采樣周期為500 ms，僅測取單點電流值，無法還原完整波形。電客車斷路器因低壓下限保護跳閘失電。通過以上分析，有以下幾點思考：

（1）為何L28股道發生短路后會造成213與214開關跳閘，而211、212、216開關未動作？

（2）為何在215開關的分閘過程中出現-1 225 V的反向電壓？

（3）為何213開關出現-2 080 A的反向電流，同時在分閘后出現超過額定電壓的1 820 V電壓？

地鐵供電系統采用單極直流供電方式，上述問題不易分析得出，下文對其進行等效分析。

2 等效模型分析

2.1 整流電源分析

地鐵通常采用等效24脈波整流機組，如圖4（a）所示。研究整流機組外特性時，可將其視為二端網絡，得到圖4（b）所示的等效電路。由于整流變壓器與整流器本身參數不同，存在感抗與內阻，則可以設定空載電壓為Ud0，等效感抗為Leq，等效內阻為Req。

圖4 整流機組等效電路

圖4 （b）中等效電抗Leq可取整流變壓器及電纜等主要回路的等效電抗。對于等效電阻Req，北京城建設計研究院通過短路試驗，總結出等值內阻的經驗公式[5]：

式中：U2N為直流側額定電壓（kV）；Uk%為牽引變壓器短路電壓百分值；SN為牽引變壓器額定容量（MV·A）；n為牽引整流機組套數；牽引變與整流器的匹配系數可取0.9；kr為內阻系數，根據短路點至變電所的不同距離可取不同值，短路點遠離變電所時可取1，短路點與變電所距離小于400 m時可取1.3。

2.2 接觸網等效分析

接觸網本身存在線路電阻RL；由于接觸網采用長距離平行布置，對地及線路之間存在容抗，兩者疊加為CL；分析接觸網短路的瞬時狀態時，其感抗值LL不能忽略。為分析其原理，可采用最為簡單的τ型等值電路來等效，如圖5所示。

圖5 接觸網τ型等值電路

2.3 牽引電路分析

電客車牽引供電結構如圖6所示，其主體由斬波單元與逆變單元并聯構成，并在前端并聯LC濾波單元。分析易得，未動車時車載高壓斷路器S1合閘后，雖因斬波與逆變單元未工作，而無法提供正向電流通道，但由于IGBT模塊均反并聯二極管，為反向電流提供通道；同時因網壓被拉低，LC濾波單元反向釋放已儲存電能。具體電流通道如圖6中箭頭所示，電流傳感器LH檢測到電流-141 A（4個牽引單元之和）。由于反向電流通道的存在，所以僅是電客車升弓的分區跳閘。根據故障情景，短路過程斬波與逆變單元并未工作，因此可采用反向并聯二極管簡化等效。

圖6 電客車牽引供電結構

3 故障過程分析

正常運行時，215、213開關均處于合閘狀態，結合圖1與上節分析，可得到如圖7所示短路分析的等效電路。圖中，R1、L1、C1為對應線路的等效參數，R2、L2、C2為對應線路的等效參數疊加機車LC單元參數，D2為牽引電路提供的反向電流通道。其中Ud為整流機組輸出電壓；UF1、UF2分別為215、213開關饋出端的電壓；UC2為線路末端機車處的接觸網電壓；Uarc為215開關的電弧壓降。

圖7 階段1短路分析

3.1 階段1

短路過程等效電容C1處于被短路狀態，忽略其電容作用。根據KVL，可以得到215開關饋出端電壓UF1與整流機組輸出電壓Ud：

G28隔開發生短路后，迅速形成超過萬安級別的短路電流i1，其主要由整流機組提供短路電流id，在整流機組等效內阻抗上產生壓差(Leqdid/dt+Reqid)，因此在整流機組輸出端口電壓Ud被拉低。由圖3可以明顯看出，在215開關電壓下降約800 V出現明顯臺階，213開關電壓最低下降至852 V，由此可以判斷出Ud被拉低至850 V左右，從而造成整流機組輸出端口電壓小于213供電分區末端電壓，即Ud

因為短路拉低整流機組電壓，213供電臂上運行的電客車由于低壓下限保護跳閘。

3.2 階段2

在215開關切除后，進入階段2，得到如圖8所示的等效電路。

圖8 階段2跳閘分析

由上文分析可知，因為短路拉低整流機組電壓，從而在213開關處檢測到反向電流i2達-2 080 A。215開關切除G28短路故障點后，整流機組輸出電壓Ud迅速恢復，大于UC2。213開關上電流恢復為正向的電流i2。因為短路在整流機組中形成大電流id，電感Leq上電流不能突變，形成續流電流id(續)，疊加構成電流i2′。213開關上電流迅速由負變為正，其電流變化率和增量滿足DDL+ΔI保護定值，觸發213開關跳閘動作。同時因續流電流id(續)的原因，Leq與后端負載等效構成Boost升壓電路，Ud抬高超過整流機組空載電壓Ud0，由于接觸網的電容作用儲存正向電荷，在213開關分閘后，出現超過額定電壓的1 703 V電壓。

4 總結和建議

本文詳細介紹了一起接觸網短路故障工況，給出了故障等效電路模型，定性分析了短路后的故障電壓與電流的變化機理。由此可得到如下經驗：

（1）接觸網短路可能造成有電客車取流的相鄰供電分區跳閘，擴大故障跳閘范圍，進而可能影響正常線路上的列車運行。在應對該類故障時，應把握其動作規律，優先恢復被聯跳線路的運營。

（2）針對被聯跳開關柜的電流具有明顯的先降低后升高的波形特征，在設計開關柜保護時可以采用如形態學、小波等算法對特征進行識別后閉鎖，防止開關誤動，從而縮小故障影響范圍。