分析城市軌道交通供電直流側(cè)短路故障定位

王志純 張益賀

沈陽渾南現(xiàn)代有軌電車運(yùn)營有限公司

分析城市軌道交通供電直流側(cè)短路故障定位

王志純 張益賀

沈陽渾南現(xiàn)代有軌電車運(yùn)營有限公司

在城市軌道交通運(yùn)輸中，通過將電網(wǎng)中引入的35kV以及10kV中壓交流點(diǎn)降壓整流后，在直流饋線基礎(chǔ)上實(shí)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(jī)車提供了使用電能，其直流側(cè)短路電流會(huì)對設(shè)備造成較大的危害，如何快速有效的對故障位置進(jìn)行確定并排除。本文對城市軌道交通供電直流側(cè)短路故障

軌道交通；供電方式；短路電流；故障位置

引言：

城市軌道交通在近百年的發(fā)展過程中，已經(jīng)成為了當(dāng)前大多數(shù)城市交通系統(tǒng)的命脈，在當(dāng)前的軌道交通運(yùn)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(diǎn)研究的話題。本文在對城市軌道交通直流側(cè)故障類型分析的基礎(chǔ)上，對當(dāng)前城市軌道交通供電直流側(cè)短路故障定位的幾種主要方法進(jìn)行論述，并詳細(xì)分析了基于貝瑞隆模型的時(shí)域故障定位方案的原理及實(shí)現(xiàn)。

一、城市軌道交通供電直流側(cè)短路故障定位的幾種方法

當(dāng)前階段，城市軌道交通運(yùn)輸中供電直流側(cè)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(cè)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(cè)短路故障定位方法的工作原理相對較為簡單且易于實(shí)現(xiàn)，并且具有著裝置成本優(yōu)廉的特點(diǎn)。但是其在實(shí)際運(yùn)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(cè)系統(tǒng)過渡電阻的影響。(2)雙端量阻抗法。該種故障定位測量方法是當(dāng)前城市軌道運(yùn)輸供電直流側(cè)短路故障定位中被廣泛運(yùn)用的技術(shù)方法，其主要是通過對兩端電壓流量的推算，并在故障點(diǎn)電壓相等的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)故障位置信息的獲取，其憑借著對現(xiàn)代通信技術(shù)和高精度互感器以及故障錄波裝置等現(xiàn)代技術(shù)和設(shè)備的支撐，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)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(chǔ)上達(dá)到實(shí)現(xiàn)故障定位的目的，通過對不同的故障行波到達(dá)測量裝置的速度以及時(shí)間差等，對故障位置進(jìn)行計(jì)算。

二、基于貝瑞隆模型的時(shí)域故障定位原理和實(shí)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(cè)發(fā)生短路故障后，導(dǎo)致了保護(hù)裝置動(dòng)作，在該故障造成的過程中，其進(jìn)行故障定位時(shí)能夠采用的主要數(shù)據(jù)為在保護(hù)動(dòng)作發(fā)生前饋線保護(hù)裝置所記錄的電流和電壓信息，不利于故障定位的實(shí)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(chǔ)的，但是在當(dāng)前故障發(fā)生和切除時(shí)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(jìn)行準(zhǔn)確提取的。

對于基于分布參數(shù)模型的輸電線路時(shí)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(jìn)行相應(yīng)的濾波處理，直接性的在時(shí)域?qū)收暇嚯x進(jìn)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(shí)現(xiàn)對城市軌道交通主流側(cè)輸電線路短路故障的定位。

2 定位實(shí)現(xiàn)

在城市軌道交通采用單邊供電系統(tǒng)時(shí)，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(yīng)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(cè)發(fā)生短路故障，那么故障點(diǎn)處的貝瑞隆模型勢必會(huì)遭到破壞，對應(yīng)點(diǎn)的電壓為0，但是故障點(diǎn)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(jìn)行分析計(jì)算，則可以得到電壓最小的一點(diǎn)，通過其與電源點(diǎn)距離的測定，最終完成故障定位。

三、直流系統(tǒng)發(fā)生 短路故障案例

地鐵運(yùn)營時(shí)段，列車運(yùn)行至某接觸網(wǎng)供電區(qū)間，因受電弓上方遺留的金屬工具在列車行駛過程中與接觸網(wǎng)、車體碰撞發(fā)生短路，造成直流開關(guān)大電流脫扣及DDL Delta I保護(hù)動(dòng)作而跳閘，中斷地鐵運(yùn)營5 min以上，故障時(shí)兩端短路電流分別達(dá)到12925 A、13657 A(大電流脫扣保護(hù)定值為8000 A)。

(一)保護(hù)配置原則

直流系統(tǒng)的多數(shù)保護(hù)都是為了切除正極對負(fù)極短路故障，一般為大電流脫扣、L-Delta-I保護(hù)，框架保護(hù)則是為了切除正極對地短路故障。 大電流脫扣保護(hù)，用以快速切除金屬性近端短路故障，通過斷路器內(nèi)設(shè)置的脫扣器實(shí)現(xiàn)。一旦檢測到瞬時(shí)短路電流超過保護(hù)定值，磁場產(chǎn)生的作用力將使斷路器動(dòng)、靜觸頭迅速脫扣，使斷路器跳閘，起到保護(hù)作用，其固有動(dòng)作時(shí)間僅幾毫秒，往往先于電流上升率及電流增量保護(hù)動(dòng)作。 di/dt和ΔI保護(hù)， 兩種保護(hù)相互配合使用，簡稱DDL-Delta-I，應(yīng)用于中、遠(yuǎn)端短路故障保護(hù)，既能切除近端短路電流，也能切除大電流脫扣保護(hù)不能切除的故障電流較小的遠(yuǎn)端短路故障，誰較早激活就由誰先出口跳閘。

(二)直流系統(tǒng)短路故障原因

牽引電流經(jīng)直流饋線開關(guān)、饋線電纜、上網(wǎng)隔離開關(guān)輸送到接觸網(wǎng)上，再經(jīng)列車、鋼軌、回流線回到負(fù)極，形成一個(gè)有效的閉合回路。造成直流牽引供電系統(tǒng)短路故障的原因總體來說歸納為以下兩大類。

一是正極對負(fù)極短路故障。多數(shù)是由于架空接觸網(wǎng)對鋼軌短路所引起的，如接觸網(wǎng)斷線掉落到鋼軌上、機(jī)車頂部對接觸網(wǎng)放電、錯(cuò)誤掛接地線等，造成直流正極對負(fù)極瞬時(shí)短路，短路電流可達(dá)幾萬安，導(dǎo)致直流開關(guān)大電流脫口保護(hù)瞬間動(dòng)作，DDL-Delta-I相繼啟動(dòng)。

二是正極對大地短路故障。設(shè)備本體：老鼠、蜈蚣等小動(dòng)物爬入帶電回路；小金屬線頭、未使用的螺絲、墊圈等零件，掉落在帶電回路上，造成直流正極與框架短路，引起框架保護(hù)動(dòng)作。線路：可能是接觸網(wǎng)、饋線或變電所饋線電纜接地；絕緣子擊穿、折斷；隔離開關(guān)處于接地狀態(tài)、引線脫落；接觸網(wǎng)對架空地線放電；機(jī)車主回路接地等。正極接地故障多為持續(xù)性短路故障，如不及時(shí)清除，容易將故障擴(kuò)大為直流正極通過綜合接地裝置、鋼軌與地之間的泄露電阻到負(fù)極的短路事故，對多處直流設(shè)備將造成嚴(yán)重?zé)龘p，破壞性及危害更大。

結(jié)語：

本文在對城市軌道交通直流側(cè)故障類型分析的基礎(chǔ)上，對當(dāng)前城市軌道交通供電直流側(cè)短路故障定位的幾種主要方法進(jìn)行論述。并列舉了直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障案例。

[1]李煒.基于多折線外特性模型的直流牽引供電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)短路計(jì)算[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2015(01)：61-64.

[2]張勛.直流牽引供電系統(tǒng)短路故障分析[J].電氣技術(shù)，2015(11)：01-04.

[3]王乃永.城市軌道交通直流牽引供電網(wǎng)短路故障分析[J].大功率變流技術(shù)，2015(03)：24-27.