地鐵牽引供電系統(tǒng)直流短路試驗調(diào)試的探討

游利平

（中國中鐵股份有限公司，北京 100039）

1 引言

地鐵牽引供電系統(tǒng)直流短路試驗的原理就是在牽引網(wǎng)可靠接地的前提下，通過直流開關(guān)柜向牽引網(wǎng)送電，根據(jù)短路試驗前保護定值的設(shè)定，對應的饋線開關(guān)應保護動作，校驗牽引供電直流開關(guān)柜保護的可靠性、準確性、選擇性、靈敏性。通過試驗，主要檢驗牽引供電系統(tǒng)的完整性、安全性、可靠性和承受短路電流的能力，校核牽引供電設(shè)備保護的可靠性、選擇性、靈敏性，考驗對牽引供電系統(tǒng)及其他設(shè)備的影響。

2 傳統(tǒng)短路試驗方法的原理和存在的問題

傳統(tǒng)的短路試驗方法，是在數(shù)據(jù)采集中通過直流開關(guān)柜的分流器與隔離變壓器和示波器連接，顯示短路電流的波形圖；通過與直流開關(guān)柜模塊接線采集短路試驗數(shù)據(jù)；在控制回路的控制過程中，通過手動開關(guān)或制作臨時控制箱（含時間繼電器和控制單元）進行控制回路的試驗操作。

此方法存在的主要問題包括：①控制回路中的手動或者自制控制箱是未經(jīng)過校核的設(shè)備，穩(wěn)定性較差；②在模擬試驗時，同步性差，時間參數(shù)的調(diào)整不方便，操作復雜；③短路試驗屬于破壞性試驗，在后備保護中存在不確定因素，安全風險高；④傳統(tǒng)試驗方法，短路試驗次數(shù)多，時間長，試驗成本高。

3 改進試驗調(diào)試方法的可行性研究

3.1 采用微機繼電保護測試儀試驗調(diào)試的可行性和優(yōu)勢

通過試驗原理分析，采用傳統(tǒng)的試驗方案時，直流開關(guān)向短路的牽引網(wǎng)送電后，假設(shè)不能靈敏地斷開，會造成牽引網(wǎng)的破壞；同時這種破壞性的短路試驗，其中一路控制直流開關(guān)柜，另一路控制因保護不動作的后備保護，人為操作的影響因素較大，不能保證兩個操作的同步性，因此其危險程度極高。通過現(xiàn)有試驗裝置的性能比較，可以選取具有雙控制回路的延時微機繼電保護測試儀器，來解決傳統(tǒng)試驗方法的劣勢。同時，通過微機繼電保護測試儀器，可以在試驗位進行多次模擬輸出試驗，確保設(shè)備的穩(wěn)定，不帶負荷操作，降低設(shè)備損壞的概率，而且克服了操作人員的恐懼心里，保證了操作人員的安全。

3.2 采用微機繼電保護測試儀試驗方法的試驗原理

短路試驗接線原理如圖1所示。

圖1 短路試驗接線原理圖

4 試驗調(diào)試方案實施的重點

4.1 短路試驗準備

4.1.1 變電所內(nèi)設(shè)備狀態(tài)

以寧波地鐵2號線二期供電系統(tǒng)為例，其中有3個35 kV/1 500 V（DC）牽引混合變電所，2個35 kV/0.4 kV降壓變電所為2號線二期供電。

試驗開始前，五里牌、聰園路站牽引混合變電所整流機組在停用狀態(tài)，所有直流斷路器在停用狀態(tài)，所有上網(wǎng)隔離開關(guān)和越區(qū)隔離開關(guān)處于分閘狀態(tài)，所有鋼軌限位裝置處于正常工作狀態(tài)，各牽引所排流柜的各支路負荷開關(guān)均在斷開狀態(tài)。試驗直流開關(guān)柜保護測控裝置參數(shù)調(diào)整為：自動重合閘取消，線路檢測取消。

4.1.2 短路點的設(shè)置

接觸網(wǎng)短接點的選擇應根據(jù)理論產(chǎn)生最大短路電流及最小短路電流的地點進行選取。

牽引所上網(wǎng)隔離開關(guān)外側(cè)容易發(fā)生短路故障的地點，其短路電流理論值為最大，可以檢驗大電流脫扣保護是否正確動作。當牽引所越區(qū)供電時，最長相鄰的兩個供電區(qū)間的遠端容易發(fā)生短路故障，該點短路電流理論值為最小，可以檢驗過電流速斷保護或者DDL保護是否正確動作。本次短路試驗選擇在聰園路站至五里牌站區(qū)段進行，依據(jù)寧波市軌道交通2號線二期工程供電系統(tǒng)圖，不具備越區(qū)供電短路試驗的條件。

從短路試驗的角度，要考慮直流牽引系統(tǒng)的如下因素：①變電所整流機組容量；②直流1 500 V供電臂的長度；③直流保護的配合，大電流脫扣DA，上升率保護ROR、獨立過電流保護IOP。

綜合考慮上述因素以及試驗的便利性，選擇接觸網(wǎng)短接點（遠端）：聰園路站至五里牌站區(qū)間靠近聰園路站附近，距離隔離開關(guān)上網(wǎng)點50 m范圍外。

4.2 接觸網(wǎng)設(shè)備短路準備

4.2.1 牽引網(wǎng)與架空地線短接

接地線采用TRJ-120 mm2軟銅線連接線2根，每根不短于4 m。

4.2.2 牽引網(wǎng)與鋼軌短接

由于短路試驗為破壞性試驗，為防止在試驗時對接觸網(wǎng)系統(tǒng)造成直接傷害，配合試驗時在接地點上安裝一組臨時接地連接裝置。

4.3 短路條件確認

4.3.1 技術(shù)資料準備

技術(shù)資料應具備以下條件：①應具有經(jīng)審批的短路試驗文件；②設(shè)計應提供相關(guān)設(shè)備的定值通知單；③供貨商提供的有關(guān)直流斷路器短路形式試驗報告；④接觸網(wǎng)工程應當按設(shè)計要求全部完成；⑤試驗區(qū)段各分段絕緣器性能經(jīng)過測試，并有測試記錄；⑥牽引所已經(jīng)正常運行144 h，接觸網(wǎng)已具備受電條件。

4.3.2 安全條件確認

安全條件應具備以下幾個方面：①在試驗前應與運營事業(yè)部聯(lián)系，嚴格執(zhí)行運營公司的停送電施工的規(guī)定；②短路點按要求做好防護，無關(guān)人員禁止進入此區(qū)域；③在試驗前，檢查鋼軌限位裝置處于正常工作狀態(tài)；④檢查保護定值是否符合設(shè)計，沿線回流裝置應該全部完成；⑤將線路檢測功能退出，同時退出重合閘；⑥確認牽引回流回路中的設(shè)計短路電流不會對屏蔽門設(shè)備造成影響，確認站臺絕緣地板已經(jīng)施工完成并達到設(shè)計絕緣要求。

4.4 短路電流計算

根據(jù)寧波地鐵2號線二期工程的特點及短路電流選取的原則，短路電流的計算采用電路圖法。首先需要計算牽引變電所內(nèi)阻，主要包括4個設(shè)備的阻抗：交流中壓電纜、牽引變壓器、整流器、直流電纜。此部分的計算根據(jù)廠家資料由設(shè)計院提供變電所的回路等效直流電阻；其次需要測量直流開關(guān)柜下樁頭與負極隔離刀閘下口的短路回路電阻。由此根據(jù)一座牽引變電所單邊供電（不考慮相鄰牽引變電所影響）公式為：

式（1）中：U為牽引變電所母線電壓，V；r1為牽引變電所內(nèi)阻，Ω；R1為短路回路電阻，Ω。

設(shè)計單位提供的五里牌變電所的短路試驗等效電阻為47.96 mΩ；用試驗儀器測得測量直流開關(guān)柜下樁頭與負極隔離刀閘下口的短路回路電阻為135.4 mΩ；牽引網(wǎng)直流1 500 V供電，實際中整流變壓器通過整流得到的牽引網(wǎng)電壓為1 680 V。由計算公式可得：

結(jié)果表明，本試驗方案中的遠端實測短路計算電流數(shù)據(jù)與短路計算書上的設(shè)計值相近，符合設(shè)計要求，滿足試驗條件。

4.5 模擬試驗流程

4.5.1 短路電流模擬試驗

模擬短路試驗的目的是減少實際操作過程中對既有設(shè)備的影響，保證操作人員的安全，同時確定試驗參數(shù)的設(shè)置。具體步驟如下：①微機繼電保護測試儀與直流開關(guān)柜短路回路饋線斷路器分/合閘控制回路連接，設(shè)置繼電保護測試儀按動操作按鈕后，間隔多長時間，直流開關(guān)柜短路回路饋線斷路器分/合閘控制回路動作，確保人員離開時間，同時確認線路的可靠性連接；②微機繼電保護測試儀與35 kVGIS整流變壓器饋線斷路器分閘的控制回路連接，設(shè)置繼電保護測試儀按動操作按鈕后，間隔多長時間，35 kVGIS整流變壓器饋線斷路器分閘的控制回路動作，確保人員離開時間，同時確認線路的可靠性連接；③在前兩步確認工作狀態(tài)良好的狀態(tài)下，查看35 kVGIS整流變壓器饋線斷路器分閘的控制回路的保護延時時間，確認保護時間；④模擬直流開關(guān)柜的控制合閘回路和35 kVGIS整流變壓器饋線斷路器分閘的控制回路的時間間隔，不斷調(diào)整優(yōu)化，確保直流開關(guān)柜的控制合閘回路先動作，再結(jié)合35 kVGIS整流變壓器饋線斷路器分閘的控制回路的保護延時時間，確定直流開關(guān)柜的控制合閘回路動作后，盡快讓后備保護的35 kVGIS整流變壓器饋線斷路器分閘的控制回路動作，保證短路電流的最短沖擊時間，降低短路電流的破壞能力；⑤重復模擬試驗確認的參數(shù)，保證短路電流確定參數(shù)的準確性。

通過模擬試驗，寧波地鐵2號線二期確定的時間參數(shù)如下：微機繼電保護測試儀啟動后在20 s后直流開關(guān)柜短路回路饋線斷路器分/合閘控制回路；直流開關(guān)柜短路回路饋線斷路器分/合閘控制回路在動作30 ms后，后備保護的35 kVGIS整流變壓器饋線斷路器分閘的控制回路動作。

4.5.2 短路試驗操作步驟及方法

由五里牌站混合所向五里牌站至聰園路站區(qū)段的接觸網(wǎng)供電，供電臂站間里程為3 233 m（以站中心點計算）。試驗開關(guān)為五里牌站混合所213直流斷路器，短路點在聰園路站下行線剛性接觸網(wǎng)處。供電遠端短路試驗如圖2所示。

以接觸網(wǎng)和鋼軌短接對應越區(qū)供電短路方式進行操作分析：①從圖2中可以看出，短接點選擇在聰園路站附近的2131隔離開關(guān)饋線側(cè)。分五里牌站213、2131、2113開關(guān),分聰園路站213、2131、2113開關(guān)。②確保聰園路站至五里牌站區(qū)間下行線應處于停電狀態(tài)。③在聰園路站2131隔離開關(guān)外側(cè)為易發(fā)生短路位置，須將鋼軌與接觸網(wǎng)短接。④將五里牌與聰園路站中間的降壓變電所的合閘。⑤合上五里牌隔離開關(guān)2111，合上斷路器211，211斷路器采取微機繼電保護測試儀進行合閘。⑥按照模擬試驗程序，按下微機繼電保護測試儀合閘按鈕，1 500 V直流開關(guān)柜斷路器合閘，短路回路接通，并將35 kVGIS整流變壓器饋線斷路器分閘的控制回路的時間繼電器受電，此時正常情況下應啟動1 500 V保護跳閘。若因保護裝置故障等原因不能保護跳閘，35 kVGIS整流變壓器饋線斷路器分閘的控制回路的時間繼電器受電直接啟動跳閘回路，將35 kVGIS整流變壓器饋線柜斷路器斷開。⑦對鋼軌電位限位裝置動作情況進行觀察和記錄，并實時匯報情況。⑧檢查直流試驗滅弧柵、開關(guān)觸頭、短路點導線、鋼軌等燒損情況。

圖2 供電遠端短路試驗圖

5 試驗數(shù)據(jù)分析

5.1 短路試驗數(shù)據(jù)分析

由波形圖和保護裝置的記錄數(shù)據(jù)，可以得出如表1所示的短路試驗數(shù)據(jù)。

表1 短路試驗數(shù)據(jù)

為進一步分析，從保護裝置上讀取出時間間隔為1 ms的電流值，在EXCEL表格中生成圖形。通過有關(guān)數(shù)據(jù)分析表明，在試驗斷路器合閘瞬間，短路電流產(chǎn)生并在極短時間內(nèi)增大超過9 000 A，大電流脫扣保護和電流速斷保護在跳閘未完成時先后啟動，延時約10 ms時間斷路器跳閘，跳閘時記錄的電流值為9 055 A，直流保護測控裝置報大電流脫扣動作須判斷無其他保護動作且斷路器為分位，由于電流速斷保護的迅速激活啟動，直流保護測控裝置顯示大電流脫扣保護動作。

5.2 試驗結(jié)果分析

從試驗結(jié)果來看，直流饋線開關(guān)整定值的準確性和可靠性初步通過校驗；直流饋線開關(guān)設(shè)備分斷短路電流的速度、保護出口與斷路器動作的配合初步通過校驗。此次短路試驗驗證了牽引供電系統(tǒng)的可靠性，保護裝置整定值的準確性和承受短路的能力，短路試驗驗方案科學合理，試驗過程未對任何設(shè)備造成損壞，試驗取得了預期的效果。

6 結(jié)束語

本次短路電流試驗在分析傳統(tǒng)電流試驗弊端的前提下，選取具有雙控制回路的延時的微機繼電保護測試儀器，解決了傳統(tǒng)方式試驗劣勢，通過微機繼電保護測試儀器，可以在試驗位進行多次模擬輸出試驗，確保設(shè)備的穩(wěn)定，不帶負荷操作降低設(shè)備損壞的概率，同時克服了操作人員的恐懼心理，保證了操作人員的安全。本試驗調(diào)試方法結(jié)合寧波地鐵2號線二期工程實際，從試驗準備、短路點設(shè)置、短路電流計算的簡要概述、數(shù)據(jù)采集后的分析匯總進行描述，同時針對傳統(tǒng)的調(diào)試方法進行了更深層次的探索，對地鐵的直流短路試驗有一定的參考價值。