一种城市轨道交通牵引供电系统短路试验的解决方案

陈 刚，于纪利

(1.武汉铁路职业技术学院，武汉 430205;2.中铁电气化局集团有限公司，北京 100036)

牵引供电系统短路试验的目的是为了检验电气设备的稳定性、校验牵引供电系统继电保护整定值的准确性及牵引供电系统运行的可靠性。短路试验时在供电臂的远点、近点各取一处短路点，用接地线将接触网和回流轨短接，在牵引变电所的直流开关柜上读取和采集故障电流、电压及波形数据，将收集到的数据与设计的整定值比较，作为定值整定的依据。短路试验的成功取决于有一个全面且操作性强的试验方案，短路连接方式应安全可靠，保护动作正确，不损坏任何设备。结合重庆市轨道交通3号线一期工程给出了牵引供电系统短路试验的一种解决方案，并进行了实际验证。

1 试验准备工作

1.1 相关设备的准备

重庆市轨道交通3号线一期工程供电系统共设2个110 kV/35 kV主变电所、8个35 kV/1500 V(DC)牵引降压混合变电所、13个35/0.4 kV降压变电所，其中一个为跟随式降压变电所，为全线提供车辆和站场电源。

(1)试验开始前，牛角沱、红旗河沟、唐家院子、龙头寺牵引混合变电所整流机组在停用状态，所有直流快速开关、上网隔离开关以及越区隔离开关均在停用状态，接地漏电保护装置64D及再生能量吸收装置在停用状态。

(2)取消试验直流快速开关的重合闸功能和线路检测功能。

(3)调整试验直流快速开关放大器的最大电流系数，使保护录取故障电流的最大值达到40 kA。

(4)在进行变电所近端短路试验时，试验断路器的电流上升率保护可能会先于大电流脱扣保护动作跳闸，此时为校验大电流脱扣保护的灵敏性，须事先关掉电流上升率保护。

1.2 分合闸控制接线

(1)如图1所示，使用继电保护测试仪在试验的直流快速开关分、合闸回路中，分别串接入一个可控的干节点，用来模拟快开的分合闸操作;测试仪置于安全位置，以备如果快速开关拒动时，在设备所能承受的短路电流时间范围内分闸，达到保护设备的目的;在继电保护测试仪上设置合闸、合闸保持、分闸时间。

(2)在其合闸电保持回路中，串入柜外一个空气开关，开关保持闭合，如图2所示。当直流开关拒动或分闸失败时，试验人员须在第一时间分断该空开，使得开关的合闸电保持回路失电而达到紧急分闸的目的。

图1 断路器分合闸接线示意

图2 紧急分闸接线示意

1.3 其他准备工作

35 kV开关柜保护波形检测准备完毕;保安、试验等工作人员已就位;施工单位人员、厂家对试验相关设备及准备工作进行最终签字确认;试验区间全线已封锁，线路无试验之外的其他人员逗留或施工作业。

2 短接点的设置

根据《地下铁道工程施工及验收规范》(GB 50299—1999)以及一期接触网供电区间实际情况，本次试验地点为牛角沱牵引降压混合变电所和唐家院子牵引降压混合变电所，近端、远端短路试验均选择牛角沱至唐家院子上行区间K10+202处为短路点，近端、远端试验的选择通过变电所和开关的切换来完成。近端试验在牛角沱变电所内，试验开关为牛角沱214;远端试验在唐家院子变电所内，合上红旗河沟牵引所越区隔离开关3222，试验开关唐家院子212。短路点选择示意如图3所示，正负极之间短接的短接点设置在馈线上网处30 m范围内，正、负极汇流排通过短接固定夹具用2根150 mm2直流电缆进行短接。

图3 短路点选择示意

3 供变电回路短路电流计算

短接点设置和连接好后，断开相应供电臂的电源，将供电电缆与正极柜断开，回流电缆与负极柜断开，利用桥式法分别测试近点接地回路与远点接地回路的直流电阻，按实测值计算出短路电流值，并与理论计算值进行比较，按设计提供的保护定值进行修改及核对。

3.1 近端短路电流计算

合上牛角沱站3214刀闸，在牛角沱站214开关柜断路器下桩头与负极隔离刀2214下口测量到近端短路回路电阻4.547 mΩ。设计方提供的短路试验牛角沱变电所回路等效直流电阻暂态值为28.135 8 mΩ、稳态值为47.021 7 mΩ，由此计算出近端短路时暂态和稳态短路电流为

设计方提供的短路计算书上该回路的短路电流暂态值为51.76 kA，稳态值为 32.48 kA。

3.2 远端短路电流计算

合上唐家院子站3212刀闸、红旗河沟站越区隔离开关3222刀闸，在唐家院子站212开关柜断路器下桩头与负极隔离刀2212下口测量到远端短路回路电阻228.6 mΩ。设计方提供的短路试验红旗河沟变电所回路等效直流电阻暂态值为26.7627 mΩ，稳态值为44.6733 mΩ，由此计算出远端短路时暂态和稳态短路电流为

设计方提供的短路计算书上该回路的短路电流暂态值为 6.65 kA，稳态值为 6.1 kA。

结果表明，本实验方案中的近端和远端实测短路计算电流数据与短路计算书上的设计值相近，符合设计要求，满足试验条件。

4 试验数据采集

(1)试验数据采集接线电路如图4所示，其中SEPCOS为直流保护与控制装置。接线前，应将整流机组置于停用检修位置，并在变压器高压侧用接地棒可靠接地，才能进行试验操作;试验前，需对分流器及缓冲放大器进行校验，记录其误差范围;直流开关采用后台直接合闸方式，取消自动重合功能和线路检测功能;若试验开关未跳闸，应立即进行紧急分闸操作以保护设备。

图4 试验数据采集接线电路示意

(2)开关故障跳闸，将开关控制方式打到手动位后，由试验员查看SEPCOS直流保护与控制系统故障报警信息，确认并做好记录;读取并保存保护装置采集的波形图。

(3)35 kV断路器故障录波由南瑞厂家使用笔记本电脑将录入的电流波形图截取并保存。

(4)在主变电所内安排技术员对35 kV出线开关各参数进行观察并记录，并向临时调度组汇报实时情况。

5 试验数据的分析及确认

5.1 近端(牛角沱)短路试验

(1)直流1 500 V采样波形图分析

近端(牛角沱)短路试验时，由SEPCOS采集的直流1 500 V采样波形图(图5)和报警记录得到的相关数据见表1。

图5 牛角沱214近端短路1 500 V采样波形

表1 近端短路试验记录的相关数据

图5所示的波形图和相关数据分析表明，在试验断路器合闸瞬间，短路电流产生并在极短时间内(约10 ms)增大超过9 000 A，大电流脱扣保护和电流速断保护在跳闸未完成时先后启动，延时约10 ms时间断路器跳闸，跳闸时记录的电流值为9 579 A;SEPCOS报大电流脱扣保护动作须判断无其他保护动作且断路器为分位，由于电流速断保护的迅速激活启动，SEPCOS未能显示大电流脱扣保护动作，只是报了电流速断保护动作。从SEPCOS的事件记录可得，短路电流从0 A至峰值时所经历的时间约为20 ms，电流从最大值下降至0 A所经历的时间约20 ms。

(2)35 kV整流机组保护波形分析

由于试验断路器在极短时间内跳闸，断口拉弧，所以35 kV整流机组保护波形图(图6)由一段迅速上升曲线和一段急速下降至零的曲线组成;且A、B、C相电流大致相同，零序电流为零。短路电流从0 A至峰值时所经历的时间约为20 ms，电流从最大值下降至0 A所经历的时间约20 ms，与直流波形图相符。

图6 牛角沱35 kV开关柜整流机组保护波形

5.2 远端(唐家院子)短路试验

(1)直流1 500 V采样波形图分析

远端(唐家院子)短路试验时，由SEPCOS采集的直流1500V采样波形图(图7)和报警记录得到的相关数据见表2。

图7 唐家院子212远端短路1 500 V采样波形

表2 远端短路试验记录的相关数据

电流波形图由一段上升曲线和一段急速下降至零的曲线组成;当试验断路器合闸后，短路电流开始增大，由保护事件记录可知电流上升率大于DDL保护整定值E，60 ms后DDL保护动作，断路器跳闸，此时SEPCOS记录跳闸时的电流为4 327 A，此电流值不足以启动速断和过流保护;由于跳闸时断路器触头不可能立刻完全分离，从而产生电弧，使得短路电流继续增大至6 059 A，历时约40 ms后电弧完全消失，短路电流降为0 A。短路电流由0 A至峰值所经历的时间约为220 ms，由峰值到0 A所经历的时间约40 ms。

(2)35 kV整流机组保护波形分析

35 kV整流机组保护波形图(图8)也由一段缓慢上升曲线和一段急速下降至零的曲线组成;且A、B、C相电流大致相同，零序电流为零。短路电流从0 A至峰值时所经历的时间约为220 ms，电流从最大值下降至0 A所经历的时间约40 ms，与直流波形图相符。

图8 唐家院子35 kV开关柜整流机组保波形

6 试验结果分析

从试验结果来看，此次短路试验验证了该供电系统的可靠性、保护装置整定值的准确性和承受短路的能力，短路连接方式安全可靠，保护动作正确，同时未损坏任何设备，试验取得圆满成功。虽然达到了预期目的，有成功的经验，但也存在一些不足。

(1)近端短路试验时，外接示波器未能录到短路试验波形;由于录波触发时间没有和实际波形出现时间匹配，使得波形溢出;可根据此次短路试验经验，调整示波器录波触发及记录时间。

(2)由图7和图8所示的近端和远端短路试验采集到的35 kV开关柜整流机组保护的波形图，可以明显的看出短路试验35 kV交流侧电流的变化情况，可以帮助对直流电流变化的分析，作为判断直流断路器动作情况的依据。

(3)近端短路试验时，为了校验大电流脱扣保护的可靠性，应将除了大电流脱扣保护以外的其他保护都关闭。

7 结语

本次短路试验从方案准备、实施以及数据采集与处理都比较成功，达到了预期效果，对建立完善的短路试验技术方案和测量方法有一定参考价值。短路试验的成功必须有一个全面且操作性强的试验方案，短路试验方案的编制和优化，需要在现场通过不断的摸索和尝试;正式短路试验开始前，应进行短路试验预演，确保指挥系统正常、试验程序正确、数据采集正常。

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