一起典型的接触网跳闸事件分析

艾东兵



一起典型的接触网跳闸事件分析

艾东兵

结合变电所综合监控信息和接触网设备结构特点，对一起典型的接触网跳闸事件进行了深入分析，指出了故障发生的原因，为各位同行在今后处理类似接触网故障时提供借鉴。

地铁；接触网；跳闸；故障

0 引言

接触网是为地铁列车提供电能，又无法进行备用配置的关键供电设备，一旦发生故障，将直接影响正常行车。对接触网故障的原因分析以及故障的恢复时间，在很大程度上代表了专业维修队伍的业务水平。

笔者结合多年的运维经验认为，导致接触网跳闸的主要原因有：绝缘失效、异物短接、电客车故障及雷电过电压等。针对这些故障原因，各运营维保单位均有一套行之有效的处理流程和应急预案。但近期对一起接触网跳闸事件进行分析后发现，导致跳闸的原因在以往故障分析中极少出现。下文将介绍该起跳闸事件的经过并对其原因进行分析，以期与各位同行交流。

1 接触网跳闸事件介绍

1.1 跳闸区域接触网设备介绍

该起接触网跳闸事件发生于车辆段，车辆段牵引网由接触网和回流回路构成，且均采用绝缘安装，其中车辆段内接触网设备结构形式为带补偿的简单悬挂，即单接触线加吊索的结构形式；回流回路由钢轨、单向导通装置及回流电缆构成。车辆段内接触网分多个供电分区，各供电分区分别向各个股道供电，车辆段内回流轨全段内导通。接触网导高一般为5 m，股道间距离一般为5 m。

1.2 跳闸事件概况

该起接触网跳闸事件发生于车辆段C、D供电分区，C、D供电分区分别对应变电所213、214直流断路器。根据事件当时监控报文显示：车辆段混合变电所213、214断路器同时发生d/d保护动作，9 s后214断路器重合闸成功，但213断路器显示重合闸失败。根据下载故障录波显示，213断路器跳闸时最大短路电流为11 659 A，电流上升率最大值为1 469 kA/s，214断路器跳闸时最大短路电流为3 153 A，电流上升率最大值为527 kA/s。

2 故障分析

事件发生后，经检修人员排查，发现C供电分区内存在明显的接触网与钢轨间金属短路，该金属短路是造成213断路器跳闸的直接原因，但对D供电分区排查，未发现明显的异物短接、绝缘失效及放电等迹象。为此，结合变电所故障录波等监控信息进行故障分析。

2.1 C供电分区接触网跳闸过程分析

由于地铁牵引供电采用DC 1 500 V，考虑C供电分区牵引网线路较短，电压较低，正常供电时牵引网线路电导、电纳及电感影响可忽略不计，计算分析时仅考虑线路电阻因素。但当C供电分区发生金属短路时，由于电流变化率较大，线路电感在牵引计算分析中起主导作用，必须予以考虑。为了便于分析，在短路故障下，可将C供电分区牵引网等效为图1所示的等值电路。

图1 短路故障时牵引网等值电路图

根据楞次定律，电感电动势阻碍回路中电流的变化，即电流增大时，电感电动势与电流的方向相反；电流减小时，电感电动势与电流的方向相同。其表达式如下：

由于213断路器跳闸时，电流上升率最大值为1 469 kA/s，根据式（1）可知，C供电分区将出现反向电动势，如图2所示。从图2可以看出213断路器跳闸过程中，出现约1 400 V的反向电动势。该反向电动势的大小及其变化率与所在牵引网回路的线路电阻、短路点距变电所的距离等参数有关，具有一定的随机性，这可以从地铁新线开通前近端及远端短路试验的录波中体现，此处将不做进一步分析说明。同时，由于线路电阻主要起限制电流的作用，后续分析也暂不考虑电阻因素。

针对C供电分区接触网跳闸过程，结合图2、213断路器故障电流录波图（图3）及故障电流变化率录波图（图4），可将C供电分区的跳闸过程按以下几个时间节点进行说明。

为便于分析，假定1＜2＜3。

（1）=1时，C供电分区发生短路故障，流过213断路器的短路电流迅速增大，当达到保护整定值后，断路器启动分闸操作，线路电感产生的电动势1方向如图1所示。

（2）=2时，断路器触头从合闸状态断开，断路器触头间产生电弧。

图2 213断路器故障电压录波图

图3 213断路器故障电流录波图

图4 213断路器故障电流变化率录波图

2.2 D供电分区接触网跳闸过程分析

调阅接触网跳闸事件发生时变电所综合监控数据，发现214断路器跳闸前，D供电分区存在取流记录。针对该记录，经与车辆调度确认，跳闸事件发生前，D供电分区范围内存在电客车升弓取流作业。

综合以上信息可知，214断路器跳闸原因及过程为：1时刻前，C供电分区未发生短路故障，D供电分区内电客车可正常升弓从接触网上取流。1时刻，因接地故障造成C供电分区接触网与钢轨短路，213断路器启动保护跳闸。3时刻，213断路器触头完全断开，由于电感作用，C供电分区接触网与钢轨上出现约1 400 V的负极性电压（图2），进而使D供电分区内电客车两端电压由正常的 1 500 V瞬时增大至约2 900 V，致使D供电分区“正极母排—214断路器—D区接触网—电客车—钢轨—负极母排”回路电流达到214断路器d/d保护整定值，214断路器保护动作，发生跳闸事件，D供电分区接触网跳闸示意图见图5。

图5 D供电分区接触网跳闸示意图

综上分析，该次接触网跳闸事件的过程及原因为：C供电分区因接触网与钢轨之间金属短路，造成213断路器保护跳闸，跳闸后，由于C供电分区牵引网电感作用，使D供电分区内正常取流的电客车两端电压突变，进而造成214断路器保护跳闸。这里需要特别说明的是，上文介绍变电所综合监控报文显示2个供电分区保护同时动作，主要是由于2个供电分区保护动作间隔仅为毫秒级，而报文则是以秒为单位显示。

3 总结和建议

针对该次接触网跳闸事件中发生的非设定保护联跳故障，在以往的跳闸事件中极少出现，缺乏相关经验，需引起业内同行的足够重视。为此，提出以下2点建议：

（1）由于接触网供电分区设备分布区域较长，设备复杂，且故障类型较多，当发生接触网跳闸故障时，应结合故障现象、设备结构特点、现场运行情况，并充分利用相关综合监控信息，以实现故障的快速分析和查找定位。

（2）该次事件中造成D供电分区跳闸的一个重要原因是各供电分区间回流轨的电气导通，该结构形式广泛应用于地铁供电系统中，除存在该类事件中出现的非设定保护联跳缺陷外，还存在触电伤人的安全隐患，如不同线路间的联络线，一旦未设置钢轨绝缘节或绝缘节绝缘不良，当一侧线路行车，相邻线路的作业人员就可能存在触电的安全隐患，该类问题在系统设计、工程验收及运营维护阶段都需要引起足够的重视。

[1] 简克良. 电力系统分析[M]. 成都：西南交通大学出版社，1993.

[2] 马文蔚. 物理学[M]. 北京：高等教育出版社，1999.

In connection with substation integrated automatic control information and characteristics of overhead contact system equipment, a deep analysis has been made for a typical event of overhead contact system tripping, indicating clearly causes to occurrence of the fault and providing references for the counterparts for handling of similar overhead contact system failures in the future.

Subway; overhead contact system; tripping; faults

U231.8

B

1007-936X(2017)03-0025-03

2016-09-23

艾东兵.深圳市地铁集团有限公司运营总部，工程师，电话：13723707539。