地铁供电系统直流侧短路故障研究

谭金龙 / 成都地铁运营有限公司

地铁供电系统直流侧短路故障研究

谭金龙 / 成都地铁运营有限公司

地铁供电系统本身的作用是给地铁运行提供强有力的保证，地铁的正常运行能够给乘客生命安全以及财产安全提供保证，然而,从近些年一些案例来看,地铁牵引供电系统直流侧易出现短路故障，短路电流过高，对城市轨道交通系统的安全运营造成严重的影响。所以就城市轨道交通系统的安全运行而言，研究牵引供电系统直流侧短路故障具有十分显著的现实意义。

地铁供电系统；可靠性；安全性；方法

地铁供电系统,是地铁工程中重要机电设备系统之一,它担负着为地铁列车和各种辅助设备供电的重要任务。供电系统的安全性,关系着乘客安全、运营人员安全、行车安全、设备安全等多个方面。直流系统短路故障分析即是地铁供电系统设备选型及继电保护整定计算的依据,同时也是保证继电保护可靠性、选择性、灵敏性及速动性的基本条件,为地铁供电系统的安全性提供了必不可少的保障,具有重要意义。

1.城市轨道交通供电直流侧短路故障的主要类型

1.1 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。

1.2 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。

2.直流系统短路故障原因

牵引电流经直流馈线开关、馈线电缆、上网隔离开关输送到接触网上,再经列车、钢轨、回流线回到负极,形成一个有效的闭合回路。造成直流牵引供电系统短路故障的原因总体来说归纳为以下两大类。

2.1 正极对负极短路故障

多数是由于架空接触网对钢轨短路所引起的,如接触网断线掉落到钢轨上、机车顶部对接触网放电、错误挂接地线等,造成直流正极对负极瞬时短路,短路电流可达几万安,导致直流开关大电流脱口保护瞬间动作,DDL-Delta-I相继启动。

2.2 正极对大地短路故障

设备本体:老鼠、蜈蚣等小动物爬入带电回路；小金属线头、未使用的螺丝、垫圈等零件,掉落在带电回路上,造成直流正极与框架短路,引起框架保护动作。线路:可能是接触网、馈线或变电所馈线电缆接地；绝缘子击穿、折断；隔离开关处于接地状态、引线脱落；接触网对架空地线放电；机车主回路接地等。正极接地故障多为持续性短路故障,如不及时清除,容易将故障扩大为直流正极通过综合接地装置、钢轨与地之间的泄露电阻到负极的短路事故,对多处直流设备将造成严重烧损,破坏性及危害更大。

2.3 正极对走行轨短路故障

正极对走行轨短路，即馈电接触网对走行轨短路，主要是由机车故障等外部原因引起的。接触网对走行轨发生短路故障时，短路电流随短路故障点离牵引变电所的距离不同，表现出的特性有很大不同。当离牵引变电所较近处发生短路故障时，线路中产生的冲击电流会很大，且短路电流上升变化率很大；随着短路故障点离牵引变电所越来越远，短路电流曲线近似于指数函数曲线，且电流上升变化率较小，电流幅值也较小，这个过程的电流情况一般与多机车同时取流时相似，这就造成实际运行中远端发生短路故障时难以区分短路电流与机车启动电流的情况，造成短路故障修复的延时。接触网对走行轨短路示意图如图1所示。

图1 接触网对走行轨短路示意图

3.直流系统短路故障排查方法

3.1 重合闸原理

线路测试功能通过测量直流母线电压和馈线电压可以判断出主回路是否正常工作,这样一来,线路测试回路电阻Rx将决定断路器是否被允许合闸。根据计算结果可知：Rx>2.5Ω,瞬时性故障,重合闸成功。Rx<2.5Ω,瞬时性故障,重合闸不成功。注:框架保护不起动线路测试和重合闸。

3.2 重合闸成功

一般是由列车故障等外部原因或接触网短时闪络造成金属性短路所致,多为瞬时性短路故障,且保护类型多为大电流脱扣、DDL-Delta-I。此时供电设备均能够正常运行,应注意观察设备运行状况并对直流开关动作过程进行录波；组织该趟列车下线运营,安排接触网人员对故障区段正线进行登乘巡视,待运营结束后组织相关专业对直流开关本体、接触网、列车做详尽的检查和分析。

3.3 重合闸不能成功

此时故障应为持续性故障。若框架保护动作,应尝试对故障信号进行复归。若复归成功,经电调允许后进行试送电,按照电调要求作进一步处理；若不能复归,则解除故障所对相邻牵引变电所的闭锁条件,退出本所的整流机组,通过越区开关进行大双边供电。若大电流脱扣保护动作,故障点有可能在馈线至上网电缆处,现场人员应听从电调安排进行设备检查。

3.4 后续处理措施

对于变电所,仔细检查直流断路器动静触头、灭弧栅片等,对烧伤部分进行打磨、更换；若为电缆故障,使用电缆故障测试仪对故障点进行定位,故障点找到后,做电缆中间接头,将两端非故障电缆连接起来；若为接触网或列车故障,应采用打磨、重新连接或更换元器件等措施满足检修标准。

4.直流侧短路故障电流仿真

牵引供电系统直流侧发生短路故障时，接触网上出现的短路电流由该供电区间上的所有牵引变电所提供，其中，短路故障点所在区间的2个牵引变电所馈给电流最大，其次是离短路故障点所在区间两侧较近的2个牵引变电所。

4.1 牵引供电系统直流侧供电模型

搭建模型的过程中，由于短路故障发生是瞬时的，导致电流变化率很大。由于暂态参数的存在，系统中必然会出现一个暂态的过程。根据文献和文献选取模型中的基本参数。

4.2 直流侧短路故障电流仿真

在Matlab／Simulink仿真环境下，搭建牵引供电系统直流侧短路故障仿真模型。仿真模型中主要参数设置如下：走行轨单位内阻为30Q／km，走行轨单位内电感为1．75mH／km；接触网单位电阻为28Q／，接触网单位内电感为2．6mH／km；走行轨对地过渡电阻取3Q．，小电阻Rf取0．001Q。当0．1s时距离变电所A500m、1000m、1．5km处易发生短路故障。

通过搭建模型与仿真，得到直流侧短路故障电流波形。根据短路电流波形可知，当供电区间发生短路故障时，线路上会产生很大的暂态电流，短路电流上升变化率很大，短路电流稳态值也很大；随着短路故障发生点离相邻变电所越来越远，短路电流上升变化率随之减小，短路电流稳态值也逐渐减小。此外，当短路故障点离两侧牵引所的距离相近时，两侧牵引所的电流波形也相近。

5.结束语

总而言之，随着城市交通压力的增加，地铁修建技术的水平在不断提高，城市地铁工程量也在不断增加。但是，从实际情况看，地铁运行还是存在一些安全隐患的，一旦发生供电系统直流侧短路故障，就可能造成重大的安全事故，产生恶劣的社会影响。因此，相关部门和工作人员必须要努力提高地铁运行的安全性和可靠性。因为地铁的运行是由供电系统提供动力的，所以，应保证供电系统的安全性和可靠性。

[1]徐劲松,高劲,江平,等.浅析地铁直流牵引变电所的保护原理[J].电气化铁道,2003.

[2]林国松.牵引供电系统新型保护与测距原理研究[D].西南交通大学,2010.

[3]地铁机车建模及直流牵引供电系统故障分析[D].杜芳.北京交通大学2010.