軌道交通直流牽引供電系統線路測試回路短路試驗案例分析

摘" 要：為研究在接地短路情況下，直流電流方向對線路測試回路的影響，該文通過詳細介紹軌道交通牽引供電系統線路測試功能原理，并分析廣州地鐵1號線西塱站線路測試回路短路試驗案例與接觸器正反向電流試驗，結果表明線路測試回路反向電流影響接觸器內部電弧，造成燃弧時間長且容易燒損接觸器，并且，電弧碰撞疊加導致接觸器內部兩對觸點短接，即1 500 V母線短路。故線路測試回路必須正確接線且需完成短路測試以確保功能正常。

關鍵詞：直流牽引供電系統；直流滅弧；線路測試回路；直流接觸器；正反向電流

中圖分類號：TM922.3" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）04-0066-06

Abstract： In order to study the influence of DC current direction on the line test circuit in the case of grounding short circuit， the principle of line test function of rail transit traction power supply system is introduced in detail. The short circuit test case of the line test circuit of Xilao Station of Guangzhou Metro Line 1 and the forward and reverse current test of the contactor are analyzed. The results show that the reverse current of the line test loop affects the internal arc of the contactor， resulting in long arc time and easy to burn the contactor. Moreover， the arc collision superposition leads to the short connection of two pairs of contacts in the contactor， that is， 1 500 V bus short circuit. Therefore， the circuit test circuit must be connected correctly and short-circuit test must be completed to ensure normal function.

Keywords： DC traction power supply system; DC arc suppression; line test circuit; DC contactor; forward and backward current

軌道交通直流牽引供電系統獨特的供電方式區別于交流系統，直流電流無過零時刻，短路時產生的直流電弧較難熄滅，維持時間長且容易引起燃燒[1]，因此直流斷路器帶故障試合后再加速分閘會對設備造成極大危害。只有在合閘前判斷線路無永久性短路故障，才允許合閘，因此，必須在直流斷路器旁并聯加裝線路測試回路。針對直流牽引供電系統的線路測試回路功能原理和短路試驗案例進行詳細闡述，研究在接地短路情況下，直流電流方向對線路測試回路的影響。

1" 線路測試回路介紹

圖1為廣州地鐵一號線西塱直流饋線開關線路測試回路[2]，線路測試回路與直流饋線斷路器并聯，在合閘直流饋線斷路器前，先啟動線路測試。其中：FS3.FS4-熔斷器；LTC-線路測試接觸器；LTR-線路測試電阻（60 Ω）；SH-分流器（電流信號采集4 000 A/60 mV）；Rre-線路剩余電阻（接觸網與走行軌間的剩余電阻）。

由等效電路可知，線路測試回路相當于線路測試電阻R與線路剩余電阻Rre串聯，變送器檢測線路剩余電阻兩端的電壓。在線路測試接觸器合閘后，保護裝置通過變送器采集饋線電壓、饋線電流、母線電壓，計算出剩余電阻和剩余電壓，判斷是否通過線路測試。

不同的直流保護裝置，其內部線路測試回路判斷條件邏輯可能不同，部分保護裝置只判斷剩余電阻或只判斷剩余電壓。以廣州地鐵一號線西塱為例，通過線路測試，需同時判斷剩余電阻和剩余電壓滿足定值。

2" 線路測試回路短路試驗

2.1" 現場短路試驗分析

2022年9月18日廣州地鐵1號線西塱站送電過程中211饋線柜報“線路測試失敗”，其中多次嘗試送電亦不能成功。通過檢查，線路測試失敗原因為熔斷器熔斷，線路測試回路開路。

在廣州地鐵一號線西塱站多次進行接觸網接地短路，測試直流饋線開關線路測試回路功能，測試熔斷器規格分別為16、25及 32 A（額定電壓1 500 V），直流接觸器為沈陽二一三BC98-Z100，限流電阻60 Ω，線路測試回路可等效為純電阻回路。測試時熔斷器均在第一次接觸器分閘過程中發生熔斷。根據圖2可知，在測試過程中的2 s時間內其電流無異常（約29 A），熔斷器未發生熔斷。由圖3可知，在2 s測試結束后電流有瞬時上升過程，峰值電流最大為58 A（熔斷器熔斷）。在第二次接觸器合閘時的錄波波形未見測試電流，即熔斷器已熔斷，線路測試回路為開路。

從圖4錄波波形看，接觸器分閘時，線路測試回路的電流瞬間急劇突變，明顯為直流1 500 V短路現象。

經檢查線路測試回路的線纜、熔斷器、電阻均無異常，而接觸器內部有燒損跡象。

初步判斷造成電流急劇突變的原因應為接觸器分閘時內部相鄰的2對觸點“1L1”與“3L2”及“2T1”與“4T2”短路，即短接串聯電阻，如圖5所示，正極母線1 500V經熔斷器、接觸網直接接地，電流瞬間急劇增大，測試熔斷器（16A、25A、32A）均熔斷。

2.2" 直流接觸器正反向電流試驗

對此型號接觸器進行正向電流試驗（正向接入1 600 V、100 A），接觸器正常滅弧，無弧光外泄，熔斷器、電阻無異常，錄波電流無異常變化，如圖6所示。

對此型號接觸器進行反向電流試驗（反向接入1 500 V、30 A），第一次燃弧明顯并有短暫燃燒現象。拆開后輔助觸頭機械部分及其附近（位于2個觸頭銀點的下方位置）有高溫熔化現象，如圖7所示。

通過超慢鏡頭錄拍，電弧受力相向運動疊加在一起，電弧碰撞往左右方向運動，經原冷空氣入口處外泄（圖8），對下方電磁鐵放電、燃燒。

此實驗證明接觸器電流反向會導致接觸器內部電弧疊加在一起，造成燃弧時間長，且容易出現內部2對觸點的弧光對下方電磁鐵放電燃燒（圖9），電弧碰撞疊加導致內部2對觸點短接，故此接觸器不可反向接線導致電流方向相反。

3" 直流接觸器有極性滅弧

直流電弧[3]之所以能被永磁體磁吹熄滅，是因為直流電弧是按一定的方向運動，在一個恒定磁場，作用在電弧上的力方向恒定，利用電磁力將電弧吹向外部，實現快速滅弧。直流接觸器常見的滅弧方式有拉長弧、強冷弧等。強冷弧包括線圈磁吹滅弧、永磁磁吹滅弧、窄縫滅弧和電網滅弧等形式。滅弧室結構也是基于上述滅弧方法中的1種或2種以上的組合設計的。目前市場上大多數直流接觸器采用永磁磁吹滅弧（大多數為有極性滅弧），讓電弧受到洛倫茲力的作用，延長運動軌跡，加速冷卻、熄滅。

以沈陽二一三BC98-Z100接觸器[4]為例，內置永磁體，滅弧室結構主要是永磁磁吹滅弧、窄縫滅弧組合設計（有極性滅弧室），實物如圖10、圖11所示。

在接觸器正確接線方式下，直流電流從“1L1”端流入，從“2T1”端流出，分斷時，電弧受到電動力，過程如下：回路中電流，即電弧電流，如細線箭頭；磁場中的電流有效長度和方向如粗線箭頭；磁感應強度方向由產品內置永磁體確定，如虛線箭頭；電弧受到安培力，如灰色輪廓箭頭，如圖12所示。

直流接觸器分開時，電弧受到的電動力使電弧往相反方向拉伸，進入絕緣窄縫，電弧在狹縫中運動受到冷卻，加強去游離，并且電弧被縮短，弧徑被壓小，弧電阻增大，加速電弧熄滅，如圖13所示。

電弧受力進入窄縫往上方運動，被滅弧罩切割為短弧，加速電弧熄滅，如圖14所示。

電弧及熱量會由滅弧室上方噴出（箭頭），下方箭頭的冷空氣進入接觸器內部，形成空氣環流。如圖15所示。

當接觸器反向接線時，直流電流方向相反，其他條件不變，電動力方向相反，如圖16、圖17所示。

電弧疊加在一起，造成燃弧時間長，燒損接觸器，且容易出現內部2對觸點的弧光交叉，可能會對下方電磁鐵放電，亦可能會發生電弧碰撞疊加導致內部2對觸點短接，故此接觸器不可反向接線導致電流方向相反。

4" 結論

軌道交通直流牽引供電系統線路測試回路的極端情況容易被忽視，目前新線驗收項目里無直流饋線開關線路測試回路短路試驗測試，建議新線設備投用前，每個直流饋線開關均測試一次接觸網接地狀態，檢驗線路測試回路功能是否正常（測試前須解除直流斷路器合閘功能），驗證線路測試回路每個元件是否匹配、功能是否正常。

無論是直流電的“正負”或者磁鋼的極性，“無極性”直流接觸器的電弧只會向左或者向右偏轉，不會出現相向偏轉導致電弧疊加的情況[5]。軌道交通直流牽引供電系統線路測試回路接觸器可進一步考慮選用“無極性”接觸器，避免線纜接地短路或接觸器接線錯誤等其他原因造成接觸器電流反向、分閘時電弧疊加等問題，進一步導致內部DC1 500 V短路損害設備。

線路測試回路元件分布，可考慮將線路測試接觸器放置回路中間，兩側均放置熔斷器和線路測試電阻，從而消除接觸器內部觸點短路導致短接線路測試電阻引發DC1 500 V短路大電流的安全隱患。

參考文獻：

[1] 付春燕，饒棋，直流牽引供電系統線路測試與自動重合閘的作用及配合[J].科技信息，2013（6）：475.

[2] BYE交直流繼電保護裝置維護軟件說明書[Z].2021.

[3] 陳偉剛.直流接觸器滅弧時間試驗分析[J].低壓電器，2014（5）：12-14.

[4] BC98—Z100直流接觸器說明書[Z].2021.

[5] 李宏.城市軌道交通裝備的雙向直流接觸器滅弧方式比較[J].城市軌道交通研究，2022，25（4）：186-189.