分析城市軌道交通供電直流側短路故障定位方法

李福琴

摘 要：城市軌道交通中較多采用的是低壓直流上下行接觸網(wǎng)全并聯(lián)的雙端供電方式向機車提供電能，由于受到系統(tǒng)容量和供電電壓的影響，其直流側短路電流會對設備造成較大的危害，如何快速有效的對故障位置進行確定并排除，成為了當前城市軌道交通中研究的重點。

關鍵詞：軌道交通；供電方式；短路電流；故障位置

中圖分類號：TM562 文獻標識碼：A

城市軌道交通在近百年的發(fā)展過程中，已經(jīng)成為了當前大多數(shù)城市交通系統(tǒng)的命脈，在當前的軌道交通運行過程中，如何保證其供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性成為了重點研究的話題。本文在對城市軌道交通直流側故障類型分析的基礎上，對當前城市軌道交通供電直流側短路故障定位的幾種主要方法進行論述，并詳細分析了基于貝瑞隆模型的時域故障定位方案的原理及實現(xiàn)。

一、城市軌道交通供電直流側短路故障的主要類型

在城市軌道交通運輸中，通過將電網(wǎng)中引入的35kV以及10kV中壓交流點降壓整流后， 在直流饋線基礎上實現(xiàn)了電能向接觸網(wǎng)和第三軌的傳輸，從而為城市軌道交通機車提供了使用電能，如果按照短路方式的不同對城市軌道交通供電直流側短路故障進行分類的話，其主要可以分為金屬性短路和非金屬性短路兩種主要類型。

1 金屬性短路

金屬性故障主要是指由于第三軌或者是接觸網(wǎng)與走形軌間產(chǎn)生直接金屬性接觸后，造成其絕緣支架擊穿，從而形成與大地的短路。比如在2010年時，北京地鐵一名乘客隨身攜帶的金屬水平尺從站臺中墮落，造成正在運行中的列車與第三軌之間的通路，從而導致了金屬性短路故障的發(fā)生。造成該種故障的另外一種原因也可能是在停電檢修作業(yè)的過程中，沒有及時將接觸網(wǎng)接地線撤銷，從而在恢復供電時發(fā)生金屬性短路故障，如果此時特別是在運行期間不能及時對故障位置進行確定和排出，勢必會對軌道交通的運行產(chǎn)生較大的影響。

2 非金屬性短路

非金屬性短路主要是指第三軌與走形軌經(jīng)過渡電阻短路或者是絕緣泄漏，從而發(fā)生非金屬性短路故障。比如在雨雪天氣環(huán)境下，暴露在戶外的城市輕軌在雨水或者是積雪作用下被覆蓋，間接的成為導體從而與行軌發(fā)生短路。另一方面，也可能是在長時間的運行過程中接觸網(wǎng)或者是第三軌的出現(xiàn)絕緣老化現(xiàn)象，從而導致電流外放和泄漏，泄漏的電流通過絕緣支座在流向接地扁銅后經(jīng)由變電所地網(wǎng)，最終回流至變電所負極，從而引發(fā)非金屬性短路故障。同金屬性故障相比，非金屬性故障下產(chǎn)生的短路電流相對較小，所以造成了其短路現(xiàn)象不容易被察覺。但是隨著運行時間的不斷加長，可能會產(chǎn)生接觸電壓或者是跨步電壓，嚴重情況下還會出現(xiàn)電弧，從而使短路故障進一步擴大，給城市交通軌道電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行以及人身安全都帶來了較為嚴重的影響。

二、城市軌道交通供電直流側短路故障定位的幾種方法

當前階段，城市軌道交通運輸中供電直流側短路故障定位所采用的方法主要有阻抗法以及行波法兩大類：

1 阻抗法

城市軌道交通供電直流側短路故障定位方法中的阻抗法又可以分為單端量阻抗法和雙端量阻抗法兩種：（1）單端量阻抗法。該種供電直流側短路故障定位方法的工作原理相對較為簡單且易于實現(xiàn)，并且具有著裝置成本優(yōu)廉的特點。但是其在實際運行過程中的故障定位精度較差，主要原因是在定位過程中容易受到對側系統(tǒng)過渡電阻的影響。在對該種方法的實際運用過程中，可以采用微分方程工頻法、一元二次方程法以及迭代法和電壓法等，從而消除過渡電阻或者是對側系統(tǒng)對單端量抗阻法故障測量精度造成的影響。（2）雙端量阻抗法。該種故障定位測量方法是當前城市軌道運輸供電直流側短路故障定位中被廣泛運用的技術方法，其主要是通過對兩端電壓流量的推算，并在故障點電壓相等的基礎上實現(xiàn)故障位置信息的獲取，其憑借著對現(xiàn)代通信技術和高精度互感器以及故障錄波裝置等現(xiàn)代技術和設備的支撐，實現(xiàn)了強大的故障定位功能。

2 行波法

行波法是城市軌道交通直流輸電系統(tǒng)中較為常用的一種方法，主要是在行波傳輸?shù)睦碚摶A上達到實現(xiàn)故障定位的目的，通過對不同的故障行波到達測量裝置的速度以及時間差等，對故障位置進行計算。

以上兩種主要的故障定位方法具有著較多的優(yōu)點，在直流輸電系統(tǒng)的故障定位中得到了較為廣泛的應用，但是在城市軌道交通直流供電系統(tǒng)中應用時，其對測量設備以及通訊設備具有著較高的要求，相應的設備投資較大。

三、基于貝瑞隆模型的時域故障定位原理和實現(xiàn)

1 基本原理分析

對于城市軌道交通來說，其供電直流側發(fā)生短路故障后，導致了保護裝置動作，在該故障造成的過程中，其進行故障定位時能夠采用的主要數(shù)據(jù)為在保護動作發(fā)生前饋線保護裝置所記錄的電流和電壓信息，不利于故障定位的實現(xiàn)。不論是對于以上單端測距還是雙端測距方法來說，其都是以電壓以及電流的基波相量為基礎的，但是在當前故障發(fā)生和切除時間越來越短的情況下，大多數(shù)基波相量數(shù)據(jù)是無法進行準確提取的。

對于基于分布參數(shù)模型的輸電線路時域故障定位方案來說，其可以通過對跳閘前原始數(shù)據(jù)的采用，不需要進行相應的濾波處理，直接性的在時域?qū)收暇嚯x進行測算，其與直流輸電線路本質(zhì)上不存在較大的區(qū)別，僅僅是兩者能量集中頻域不同，所以該方案模型能夠有效實現(xiàn)對城市軌道交通主流側輸電線路短路故障的定位。

2 定位實現(xiàn)

在城市軌道交通采用單邊供電系統(tǒng)時，在線路內(nèi)部無故障情況下，其所獲得的電壓理論狀態(tài)下應是成線性均勻變化的，對于直流供電系統(tǒng)下的線路電壓來說，其主要是呈現(xiàn)線性下降的趨勢。如果其供電直流側發(fā)生短路故障，那么故障點處的貝瑞隆模型勢必會遭到破壞，對應點的電壓為0，但是故障點處和電源端之間仍然是呈現(xiàn)均勻性分布的，符合貝瑞隆模型。在該種情況下，通過貝瑞隆模型對故障線路的電壓采用一定的步長進行分析計算，則可以得到電壓最小的一點，通過其與電源點距離的測定，最終完成故障定位。

參考文獻

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