考虑多供电分区的地铁接触网短路故障原理分析

池代臻

0 引言

城市地铁接触网是架设在轨道上空的供电设备，为地铁列车提供1 500 V或750 V的牵引电能。由于接触网为无冗余设备，若其发生故障将直接影响线路的正常运营。短路故障是接触网故障中较为严重的一种，可能造成设备损坏、运营中断[1，2]。接触网若发生断线、脱线、绝缘子闪络、弓网撞击、错挂地线等故障，均可能造成接触网短路。短路故障会引起系统内万安培级别大电流的流通[3，4]，对此，直流开关柜的保护装置通常能够对短路电流进行判断，有选择性地切除故障对应区域，缩小故障范围。

然而地铁供电系统较为复杂，其故障具有一定的复杂性，即使在直流开关正确动作的情况下，也可能因为短路故障电压电流的变化而引发非故障区域的跳闸。近期某地铁车辆段内发生一起接触网短路故障，故障造成了2个相邻且有电客车取流的供电分区发生联跳，扩大了故障范围。经查阅，相关文献多涉及短路试验、短路保护设计及开关设计制造等方面，未对短路故障造成扩大范围跳闸的情景进行分析。本文将详细介绍此次故障的经过与故障波形特征；在分析供电系统主要模块后建立等效电路，以对故障过程中电压电流变化原理进行详细分析，从而合理解释扩大跳闸范围的原因，以期掌握此类故障的规律，形成可资借鉴的经验。

1 故障概述

1.1 跳闸区域的设备情况

此次接触网短路故障发生在车辆段内，车辆段内直流供电系统的主要供电结构如图1所示。

图1 牵引变电所供电结构示意图

牵引变压器与整流器将AC 35 kV电压转换成DC 1 500 V电压，经直流进线开关201与202输送至直流母排上。车辆段内接触网共设置6个分区，由直流馈出开关211～216（以下简称开关）分别向各分区接触网供电。电客车从接触网取电，电流经钢轨、回流电缆回流至整流器负极。整流机组、直流开关、钢轨等直流供电系统采用绝缘安装，全套直流系统与综合接地系统形成电气绝缘。故障发生前所有开关均处于正常状态，其中接触网第3分区L16股道与第4分区的L23股道各有一辆机车升弓运行。

1.2 跳闸事件概况

本次故障的直接原因：第5供电分区的L28股道在隔离开关G28手动合闸时，因机械故障造成接地刀闸未联动分闸，导致接触网短路。短路电流导致隔开主刀闸上消弧棒接触烧融、断路器动静触头明显灼伤、灭弧栅拉弧烧黑，如图2所示。本文主要对短路过程进行电气分析，不对G28隔开故障原因及设备损伤情况进行过多描述。

图2 短路点灼烧痕迹

故障发生后，215开关触发电流变化率保护和电流增量保护（DDL+ΔI）与电流速断保护动作，开关跳闸；213与214开关触发（DDL+ΔI）保护动作跳闸；其中211、212及216开关无动作。因213与214开关电流波形相似度高，故仅选取213与215开关的故障波形作进一步分析，如图3所示。

图3 中的0时刻为开关保护装置判定满足跳闸条件输出分闸指令的时刻。图3（a）所示为215开关短路录波波形。在-3 ms时刻，L28股道发生短路，215开关电流迅速上升，保护装置立即启动DDL+ΔI保护，在0时刻电流增大至7 965 A，馈线电压被拉低至1 124 V，动作输出。由波形可以看出：开关动作后因电弧通道的存在，电流上升至11 562 A后，采样截顶；在24 ms时刻，灭弧完成，电流降低为0。分析保护电流与时限符合设置定值，判断保护动作正确。图3（b）所示为213开关故障录波波形。需要指出的是，由于故障录波是以开关动作输出为记录的0时刻，因此图3（a）、（b）所示波形并非同步波形，因此仅能通过波形本身进行分析。由图1可以看出213与215开关均连自同一进线母排，当L28股道发生短路时，母线电压被拉低，在-16 ms时刻，直流电压被拉低至1 027 V，同时产生-2 080 A电流，而后直流电压与电流均上升；在0时刻，电流上升至3 783 A，电流变化满足DDL+ΔI保护动作定值，开关动作输出；经过19 ms后，断路器灭弧完成，电流降为0。

图3 直流馈出开关的故障录波

调取L16股道电客车电流录波发现，在相同时刻，直流母线反馈-141 A电流，但其保护装置采样周期为500 ms，仅测取单点电流值，无法还原完整波形。电客车断路器因低压下限保护跳闸失电。通过以上分析，有以下几点思考：

（1）为何L28股道发生短路后会造成213与214开关跳闸，而211、212、216开关未动作？

（2）为何在215开关的分闸过程中出现-1 225 V的反向电压？

（3）为何213开关出现-2 080 A的反向电流，同时在分闸后出现超过额定电压的1 820 V电压？

地铁供电系统采用单极直流供电方式，上述问题不易分析得出，下文对其进行等效分析。

2 等效模型分析

2.1 整流电源分析

地铁通常采用等效24脉波整流机组，如图4（a）所示。研究整流机组外特性时，可将其视为二端网络，得到图4（b）所示的等效电路。由于整流变压器与整流器本身参数不同，存在感抗与内阻，则可以设定空载电压为Ud0，等效感抗为Leq，等效内阻为Req。

图4 整流机组等效电路

图4 （b）中等效电抗Leq可取整流变压器及电缆等主要回路的等效电抗。对于等效电阻Req，北京城建设计研究院通过短路试验，总结出等值内阻的经验公式[5]：

式中：U2N为直流侧额定电压（kV）；Uk%为牵引变压器短路电压百分值；SN为牵引变压器额定容量（MV·A）；n为牵引整流机组套数；牵引变与整流器的匹配系数可取0.9；kr为内阻系数，根据短路点至变电所的不同距离可取不同值，短路点远离变电所时可取1，短路点与变电所距离小于400 m时可取1.3。

2.2 接触网等效分析

接触网本身存在线路电阻RL；由于接触网采用长距离平行布置，对地及线路之间存在容抗，两者叠加为CL；分析接触网短路的瞬时状态时，其感抗值LL不能忽略。为分析其原理，可采用最为简单的τ型等值电路来等效，如图5所示。

图5 接触网τ型等值电路

2.3 牵引电路分析

电客车牵引供电结构如图6所示，其主体由斩波单元与逆变单元并联构成，并在前端并联LC滤波单元。分析易得，未动车时车载高压断路器S1合闸后，虽因斩波与逆变单元未工作，而无法提供正向电流通道，但由于IGBT模块均反并联二极管，为反向电流提供通道；同时因网压被拉低，LC滤波单元反向释放已储存电能。具体电流通道如图6中箭头所示，电流传感器LH检测到电流-141 A（4个牵引单元之和）。由于反向电流通道的存在，所以仅是电客车升弓的分区跳闸。根据故障情景，短路过程斩波与逆变单元并未工作，因此可采用反向并联二极管简化等效。

图6 电客车牵引供电结构

3 故障过程分析

正常运行时，215、213开关均处于合闸状态，结合图1与上节分析，可得到如图7所示短路分析的等效电路。图中，R1、L1、C1为对应线路的等效参数，R2、L2、C2为对应线路的等效参数叠加机车LC单元参数，D2为牵引电路提供的反向电流通道。其中Ud为整流机组输出电压；UF1、UF2分别为215、213开关馈出端的电压；UC2为线路末端机车处的接触网电压；Uarc为215开关的电弧压降。

图7 阶段1短路分析

3.1 阶段1

短路过程等效电容C1处于被短路状态，忽略其电容作用。根据KVL，可以得到215开关馈出端电压UF1与整流机组输出电压Ud：

G28隔开发生短路后，迅速形成超过万安级别的短路电流i1，其主要由整流机组提供短路电流id，在整流机组等效内阻抗上产生压差(Leqdid/dt+Reqid)，因此在整流机组输出端口电压Ud被拉低。由图3可以明显看出，在215开关电压下降约800 V出现明显台阶，213开关电压最低下降至852 V，由此可以判断出Ud被拉低至850 V左右，从而造成整流机组输出端口电压小于213供电分区末端电压，即Ud

因为短路拉低整流机组电压，213供电臂上运行的电客车由于低压下限保护跳闸。

3.2 阶段2

在215开关切除后，进入阶段2，得到如图8所示的等效电路。

图8 阶段2跳闸分析

由上文分析可知，因为短路拉低整流机组电压，从而在213开关处检测到反向电流i2达-2 080 A。215开关切除G28短路故障点后，整流机组输出电压Ud迅速恢复，大于UC2。213开关上电流恢复为正向的电流i2。因为短路在整流机组中形成大电流id，电感Leq上电流不能突变，形成续流电流id(续)，叠加构成电流i2′。213开关上电流迅速由负变为正，其电流变化率和增量满足DDL+ΔI保护定值，触发213开关跳闸动作。同时因续流电流id(续)的原因，Leq与后端负载等效构成Boost升压电路，Ud抬高超过整流机组空载电压Ud0，由于接触网的电容作用储存正向电荷，在213开关分闸后，出现超过额定电压的1 703 V电压。

4 总结和建议

本文详细介绍了一起接触网短路故障工况，给出了故障等效电路模型，定性分析了短路后的故障电压与电流的变化机理。由此可得到如下经验：

（1）接触网短路可能造成有电客车取流的相邻供电分区跳闸，扩大故障跳闸范围，进而可能影响正常线路上的列车运行。在应对该类故障时，应把握其动作规律，优先恢复被联跳线路的运营。

（2）针对被联跳开关柜的电流具有明显的先降低后升高的波形特征，在设计开关柜保护时可以采用如形态学、小波等算法对特征进行识别后闭锁，防止开关误动，从而缩小故障影响范围。