分析城市轨道交通供电直流侧短路故障定位方法

李福琴

摘 要：城市轨道交通中较多采用的是低压直流上下行接触网全并联的双端供电方式向机车提供电能，由于受到系统容量和供电电压的影响，其直流侧短路电流会对设备造成较大的危害，如何快速有效的对故障位置进行确定并排除，成为了当前城市轨道交通中研究的重点。

关键词：轨道交通；供电方式；短路电流；故障位置

中图分类号：TM562 文献标识码：A

城市轨道交通在近百年的发展过程中，已经成为了当前大多数城市交通系统的命脉，在当前的轨道交通运行过程中，如何保证其供电系统的安全稳定性成为了重点研究的话题。本文在对城市轨道交通直流侧故障类型分析的基础上，对当前城市轨道交通供电直流侧短路故障定位的几种主要方法进行论述，并详细分析了基于贝瑞隆模型的时域故障定位方案的原理及实现。

一、城市轨道交通供电直流侧短路故障的主要类型

在城市轨道交通运输中，通过将电网中引入的35kV以及10kV中压交流点降压整流后， 在直流馈线基础上实现了电能向接触网和第三轨的传输，从而为城市轨道交通机车提供了使用电能，如果按照短路方式的不同对城市轨道交通供电直流侧短路故障进行分类的话，其主要可以分为金属性短路和非金属性短路两种主要类型。

1 金属性短路

金属性故障主要是指由于第三轨或者是接触网与走形轨间产生直接金属性接触后，造成其绝缘支架击穿，从而形成与大地的短路。比如在2010年时，北京地铁一名乘客随身携带的金属水平尺从站台中堕落，造成正在运行中的列车与第三轨之间的通路，从而导致了金属性短路故障的发生。造成该种故障的另外一种原因也可能是在停电检修作业的过程中，没有及时将接触网接地线撤销，从而在恢复供电时发生金属性短路故障，如果此时特别是在运行期间不能及时对故障位置进行确定和排出，势必会对轨道交通的运行产生较大的影响。

2 非金属性短路

非金属性短路主要是指第三轨与走形轨经过渡电阻短路或者是绝缘泄漏，从而发生非金属性短路故障。比如在雨雪天气环境下，暴露在户外的城市轻轨在雨水或者是积雪作用下被覆盖，间接的成为导体从而与行轨发生短路。另一方面，也可能是在长时间的运行过程中接触网或者是第三轨的出现绝缘老化现象，从而导致电流外放和泄漏，泄漏的电流通过绝缘支座在流向接地扁铜后经由变电所地网，最终回流至变电所负极，从而引发非金属性短路故障。同金属性故障相比，非金属性故障下产生的短路电流相对较小，所以造成了其短路现象不容易被察觉。但是随着运行时间的不断加长，可能会产生接触电压或者是跨步电压，严重情况下还会出现电弧，从而使短路故障进一步扩大，给城市交通轨道电力系统的稳定运行以及人身安全都带来了较为严重的影响。

二、城市轨道交通供电直流侧短路故障定位的几种方法

当前阶段，城市轨道交通运输中供电直流侧短路故障定位所采用的方法主要有阻抗法以及行波法两大类：

1 阻抗法

城市轨道交通供电直流侧短路故障定位方法中的阻抗法又可以分为单端量阻抗法和双端量阻抗法两种：（1）单端量阻抗法。该种供电直流侧短路故障定位方法的工作原理相对较为简单且易于实现，并且具有着装置成本优廉的特点。但是其在实际运行过程中的故障定位精度较差，主要原因是在定位过程中容易受到对侧系统过渡电阻的影响。在对该种方法的实际运用过程中，可以采用微分方程工频法、一元二次方程法以及迭代法和电压法等，从而消除过渡电阻或者是对侧系统对单端量抗阻法故障测量精度造成的影响。（2）双端量阻抗法。该种故障定位测量方法是当前城市轨道运输供电直流侧短路故障定位中被广泛运用的技术方法，其主要是通过对两端电压流量的推算，并在故障点电压相等的基础上实现故障位置信息的获取，其凭借着对现代通信技术和高精度互感器以及故障录波装置等现代技术和设备的支撑，实现了强大的故障定位功能。

2 行波法

行波法是城市轨道交通直流输电系统中较为常用的一种方法，主要是在行波传输的理论基础上达到实现故障定位的目的，通过对不同的故障行波到达测量装置的速度以及时间差等，对故障位置进行计算。

以上两种主要的故障定位方法具有着较多的优点，在直流输电系统的故障定位中得到了较为广泛的应用，但是在城市轨道交通直流供电系统中应用时，其对测量设备以及通讯设备具有着较高的要求，相应的设备投资较大。

三、基于贝瑞隆模型的时域故障定位原理和实现

1 基本原理分析

对于城市轨道交通来说，其供电直流侧发生短路故障后，导致了保护装置动作，在该故障造成的过程中，其进行故障定位时能够采用的主要数据为在保护动作发生前馈线保护装置所记录的电流和电压信息，不利于故障定位的实现。不论是对于以上单端测距还是双端测距方法来说，其都是以电压以及电流的基波相量为基础的，但是在当前故障发生和切除时间越来越短的情况下，大多数基波相量数据是无法进行准确提取的。

对于基于分布参数模型的输电线路时域故障定位方案来说，其可以通过对跳闸前原始数据的采用，不需要进行相应的滤波处理，直接性的在时域对故障距离进行测算，其与直流输电线路本质上不存在较大的区别，仅仅是两者能量集中频域不同，所以该方案模型能够有效实现对城市轨道交通主流侧输电线路短路故障的定位。

2 定位实现

在城市轨道交通采用单边供电系统时，在线路内部无故障情况下，其所获得的电压理论状态下应是成线性均匀变化的，对于直流供电系统下的线路电压来说，其主要是呈现线性下降的趋势。如果其供电直流侧发生短路故障，那么故障点处的贝瑞隆模型势必会遭到破坏，对应点的电压为0，但是故障点处和电源端之间仍然是呈现均匀性分布的，符合贝瑞隆模型。在该种情况下，通过贝瑞隆模型对故障线路的电压采用一定的步长进行分析计算，则可以得到电压最小的一点，通过其与电源点距离的测定，最终完成故障定位。

参考文献

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