地鐵供電系統(tǒng)直流側(cè)短路故障研究

譚金龍

【摘 要】地鐵供電系統(tǒng)本身的作用是給地鐵運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保證，地鐵的正常運(yùn)行能夠給乘客生命安全以及財(cái)產(chǎn)安全提供保證，然而，從近些年一些案例來看，地鐵牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)易出現(xiàn)短路故障，短路電流過高，對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)的安全運(yùn)營(yíng)造成嚴(yán)重的影響。所以就城市軌道交通系統(tǒng)的安全運(yùn)行而言，研究牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)短路故障具有十分顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】地鐵供電系統(tǒng)；可靠性；安全性；方法

地鐵供電系統(tǒng)，是地鐵工程中重要機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)之一，它擔(dān)負(fù)著為地鐵列車和各種輔助設(shè)備供電的重要任務(wù)。供電系統(tǒng)的安全性，關(guān)系著乘客安全、運(yùn)營(yíng)人員安全、行車安全、設(shè)備安全等多個(gè)方面。直流系統(tǒng)短路故障分析即是地鐵供電系統(tǒng)設(shè)備選型及繼電保護(hù)整定計(jì)算的依據(jù)，同時(shí)也是保證繼電保護(hù)可靠性、選擇性、靈敏性及速動(dòng)性的基本條件，為地鐵供電系統(tǒng)的安全性提供了必不可少的保障，具有重要意義。

1.城市軌道交通供電直流側(cè)短路故障的主要類型

1.1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(shí)，北京地鐵一名乘客隨身攜帶的金屬水平尺從站臺(tái)中墮落，造成正在運(yùn)行中的列車與第三軌之間的通路，從而導(dǎo)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(shí)將接觸網(wǎng)接地線撤銷，從而在恢復(fù)供電時(shí)發(fā)生金屬性短路故障，如果此時(shí)特別是在運(yùn)行期間不能及時(shí)對(duì)故障位置進(jìn)行確定和排出，勢(shì)必會(huì)對(duì)軌道交通的運(yùn)行產(chǎn)生較大的影響。

1.2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(dǎo)體從而與行軌發(fā)生短路。另一方面，也可能是在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)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(dǎo)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(fù)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(duì)較小，所以造成了其短路現(xiàn)象不容易被察覺。但是隨著運(yùn)行時(shí)間的不斷加長(zhǎng)，可能會(huì)產(chǎn)生接觸電壓或者是跨步電壓，嚴(yán)重情況下還會(huì)出現(xiàn)電弧，從而使短路故障進(jìn)一步擴(kuò)大，給城市交通軌道電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及人身安全都帶來了較為嚴(yán)重的影響。

2.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。

2.1正極對(duì)負(fù)極短路故障

多數(shù)是由于架空接觸網(wǎng)對(duì)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(duì)接觸網(wǎng)放電、錯(cuò)誤掛接地線等，造成直流正極對(duì)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)。

2.2正極對(duì)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(duì)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(duì)多處直流設(shè)備將造成嚴(yán)重?zé)龘p，破壞性及危害更大。

2.3正極對(duì)走行軌短路故障

正極對(duì)走行軌短路，即饋電接觸網(wǎng)對(duì)走行軌短路，主要是由機(jī)車故障等外部原因引起的。接觸網(wǎng)對(duì)走行軌發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流隨短路故障點(diǎn)離牽引變電所的距離不同，表現(xiàn)出的特性有很大不同。當(dāng)離牽引變電所較近處發(fā)生短路故障時(shí)，線路中產(chǎn)生的沖擊電流會(huì)很大，且短路電流上升變化率很大；隨著短路故障點(diǎn)離牽引變電所越來越遠(yuǎn)，短路電流曲線近似于指數(shù)函數(shù)曲線，且電流上升變化率較小，電流幅值也較小，這個(gè)過程的電流情況一般與多機(jī)車同時(shí)取流時(shí)相似，這就造成實(shí)際運(yùn)行中遠(yuǎn)端發(fā)生短路故障時(shí)難以區(qū)分短路電流與機(jī)車啟動(dòng)電流的情況，造成短路故障修復(fù)的延時(shí)。接觸網(wǎng)對(duì)走行軌短路示意圖如圖1所示。

3.直流系統(tǒng)短路故障排查方法

3.1重合閘原理

線路測(cè)試功能通過測(cè)量直流母線電壓和饋線電壓可以判斷出主回路是否正常工作，這樣一來，線路測(cè)試回路電阻Rx將決定斷路器是否被允許合閘。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：Rx>2.5Ω，瞬時(shí)性故障，重合閘成功。Rx<2.5Ω，瞬時(shí)性故障，重合閘不成功。注：框架保護(hù)不起動(dòng)線路測(cè)試和重合閘。

3.2重合閘成功

一般是由列車故障等外部原因或接觸網(wǎng)短時(shí)閃絡(luò)造成金屬性短路所致，多為瞬時(shí)性短路故障，且保護(hù)類型多為大電流脫扣、DDL-Delta-I。此時(shí)供電設(shè)備均能夠正常運(yùn)行，應(yīng)注意觀察設(shè)備運(yùn)行狀況并對(duì)直流開關(guān)動(dòng)作過程進(jìn)行錄波；組織該趟列車下線運(yùn)營(yíng)，安排接觸網(wǎng)人員對(duì)故障區(qū)段正線進(jìn)行登乘巡視，待運(yùn)營(yíng)結(jié)束后組織相關(guān)專業(yè)對(duì)直流開關(guān)本體、接觸網(wǎng)、列車做詳盡的檢查和分析。

3.3重合閘不能成功

此時(shí)故障應(yīng)為持續(xù)性故障。若框架保護(hù)動(dòng)作，應(yīng)嘗試對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行復(fù)歸。若復(fù)歸成功，經(jīng)電調(diào)允許后進(jìn)行試送電，按照電調(diào)要求作進(jìn)一步處理；若不能復(fù)歸，則解除故障所對(duì)相鄰牽引變電所的閉鎖條件，退出本所的整流機(jī)組，通過越區(qū)開關(guān)進(jìn)行大雙邊供電。若大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作，故障點(diǎn)有可能在饋線至上網(wǎng)電纜處，現(xiàn)場(chǎng)人員應(yīng)聽從電調(diào)安排進(jìn)行設(shè)備檢查。

3.4后續(xù)處理措施

對(duì)于變電所，仔細(xì)檢查直流斷路器動(dòng)靜觸頭、滅弧柵片等，對(duì)燒傷部分進(jìn)行打磨、更換；若為電纜故障，使用電纜故障測(cè)試儀對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位，故障點(diǎn)找到后，做電纜中間接頭，將兩端非故障電纜連接起來；若為接觸網(wǎng)或列車故障，應(yīng)采用打磨、重新連接或更換元器件等措施滿足檢修標(biāo)準(zhǔn)。

4.直流側(cè)短路故障電流仿真

牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，接觸網(wǎng)上出現(xiàn)的短路電流由該供電區(qū)間上的所有牽引變電所提供，其中，短路故障點(diǎn)所在區(qū)間的2個(gè)牽引變電所饋給電流最大，其次是離短路故障點(diǎn)所在區(qū)間兩側(cè)較近的2個(gè)牽引變電所。

4.1牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)供電模型

搭建模型的過程中，由于短路故障發(fā)生是瞬時(shí)的，導(dǎo)致電流變化率很大。由于暫態(tài)參數(shù)的存在，系統(tǒng)中必然會(huì)出現(xiàn)一個(gè)暫態(tài)的過程。根據(jù)文獻(xiàn)和文獻(xiàn)選取模型中的基本參數(shù)。

4.2直流側(cè)短路故障電流仿真

在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下，搭建牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)短路故障仿真模型。仿真模型中主要參數(shù)設(shè)置如下：走行軌單位內(nèi)阻為30Q/km，走行軌單位內(nèi)電感為1.75mH/km；接觸網(wǎng)單位電阻為28Q/，接觸網(wǎng)單位內(nèi)電感為2.6mH/km；走行軌對(duì)地過渡電阻取3Q.，小電阻Rf取0.001Q。當(dāng)0.1s時(shí)距離變電所A500m、1000m、1.5km處易發(fā)生短路故障。

通過搭建模型與仿真，得到直流側(cè)短路故障電流波形。根據(jù)短路電流波形可知，當(dāng)供電區(qū)間發(fā)生短路故障時(shí)，線路上會(huì)產(chǎn)生很大的暫態(tài)電流，短路電流上升變化率很大，短路電流穩(wěn)態(tài)值也很大；隨著短路故障發(fā)生點(diǎn)離相鄰變電所越來越遠(yuǎn)，短路電流上升變化率隨之減小，短路電流穩(wěn)態(tài)值也逐漸減小。此外，當(dāng)短路故障點(diǎn)離兩側(cè)牽引所的距離相近時(shí)，兩側(cè)牽引所的電流波形也相近。

5.結(jié)束語

總而言之，隨著城市交通壓力的增加，地鐵修建技術(shù)的水平在不斷提高，城市地鐵工程量也在不斷增加。但是，從實(shí)際情況看，地鐵運(yùn)行還是存在一些安全隱患的，一旦發(fā)生供電系統(tǒng)直流側(cè)短路故障，就可能造成重大的安全事故，產(chǎn)生惡劣的社會(huì)影響。因此，相關(guān)部門和工作人員必須要努力提高地鐵運(yùn)行的安全性和可靠性。因?yàn)榈罔F的運(yùn)行是由供電系統(tǒng)提供動(dòng)力的，所以，應(yīng)保證供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

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