地铁列车在线时接触网短路跳闸故障分析

2021-11-19池代臻

城市轨道交通研究 2021年10期

池代臻

(成都唐源电气股份有限公司，510653，广州∥高级工程师)

地铁列车运行过程中，可能因接触网短线脱落、错挂地线、绝缘子闪络［1］及列车顶部对接触网放电等多方面的原因，造成接触网短路故障。接触网发生短路瞬间会产生几万安培过电流［2］，其最为直接的后果就是对应的直流馈线开关发生跳闸。若此时保护装置无法将短路电流正常切除，必然造成设备烧毁甚至发生火灾。同时，故障短路电流流经钢轨及综合接地网，可能形成瞬间高压而烧毁其他设备，造成极大的破坏性，影响地铁的正常运营。经对近期发生的一起接触网短路跳闸故障进行分析，发现在相邻供电臂上列车在线运行时，接触网短路故障会引发邻线接触网跳闸，扩大了故障范围。对该故障的经过、特征进行了详细分析，并对其中故障电流产生的机理进行了剖析，以期掌握故障的原因与规律，从而形成可借鉴的经验。

1 接触网短路跳闸故障介绍

1.1 接触网短路跳闸故障区域的设备

图1为接触网短路跳闸故障区域牵引变电所结构示意图。其工作原理为:交流电能由中压环网输入牵引变电所，经变压器与整流器转换成DC 1 500 V，并通过直流进线开关201、202输入到进线母排上;母排上的电压由直流馈出开关215、216输出，再经上网电缆、上网刀闸2151、2161向出、入段线的接触网供电。列车从接触网取流，电流经钢轨及回流电缆流至回变电所负极。全线直流供电系统采用绝缘安装，与综合接地系统形成电气绝缘。

图1 牵引变电所结构示意图Fig.1 Schematic diagram of traction substation structure

1.2 接触网短路跳闸故障描述

该起接触网跳闸故障发生在某车辆段出入段线。如图1所示，事故发生时，网轨检测车在出段线上行驶，同时末班电客车收车回车辆段。因网轨检测车的天窗盖未盖好锁牢，在行进过程中，天窗盖弹起与接触网接触，导致接触网经网轨检测车与钢轨短路。如图2 a)所示，接触网上迅速形成电弧，灼伤接触网，在汇流排与接触线上留下黑色灼烧痕迹。如图2 b)所示，断路器的动静触头有明显的灼烧痕迹，在直流开关断路器的灭弧栅上也有明显的拉弧痕迹。

图2 短路点灼烧痕迹Fig.2 Burning trace at short circuit point

在网轨检测车造成接触网短路后，车辆段出段线215开关、车辆段入段线216开关跳闸，造成相应的供电分区停电。约1 s之后，直流开关215、216自动重合闸成功，接触网恢复正常供电。

图3所示为牵引降压混合变电所直流开关215、216的故障录波。其中，图3 a)为出段线215开关的电压、电流波形。由图3 a)可知，在－3 ms时，网轨检测车与接触网短路，短路电流迅速上升;在时间为0时电压被拉低至1 049 V，电流增大至9 380 A，直流开关的保护装置检测电流上升率及电流增量(DDL+ΔI保护)并动作输出;在分闸指令输出后，短路电流持续升高，检测到电流达到11 562 A，而后保护装置又输出电流速断保护(I++max(电流速断保护功能的简称代码)保护);电流波形存在截顶的情况，由于断路器分闸灭弧需要一个过程，在分闸指令后电流呈增大趋势;在27 ms时，灭弧完成，电流降低为0。

图3 b)为入段线216开关的电压、电流波形。因215、216开关取电自同一母线，当215开关的负载发生短路，馈线电压被迅速拉低，同样造成216开关电压被拉低。在－14 ms时，电压被拉低至816 V，同时形成反向电流－4 495 A;而后电压、电流恢复，并形成冲击，在时间为0时电压、电流分别达到1 906 V与2 599 A。在该变化的过程中，当电流变化满足DDL+ΔI保护的定值要求时，保护装置发出跳闸命令;在30 ms时，断路器灭弧完成，电流降低为0;在母线电压被拉低后，列车断路器因低压下限保护跳闸，导致入段线上电客车失电。

图3 直流馈出开关的故障录波Fig.3 Fault recording of DC feeder switch

通过对牵混所直流开关215、216故障录波的描述与分析，需对以下内容做进一步研究。

1)在215馈线开关发生短路跳闸后，需考虑引起216开关跳闸的原因;

2)在216开关上检测到－4 495 A反向电流的原因;

3)在216开关上检测到超过额定值1 906 V正向电压的原因。

2 接触网短路跳闸故障分析

2.1 牵引变电所电源分析

目前，城市轨道交通通常采用的等效24脉波整流机组，由2台12脉波的整流变压器和与之匹配的整流器共同组成。Ud为整流机组输出端口电压，Ud不仅与整流机组设计参数有关，而且受外部负载情况影响。如当接触网在远近不同点处发生短路时，其表现出的短路压降、短路电流和等值内阻均不同。图4为整流机组等效电路。图4中，Ud0为牵引变电所直流母线空载电压;Req为牵引变电所的等值内阻;Leq为等效电抗。其中，Leq可取整流变压器及电缆等主要回路的等效电抗。

图4 整流机组等效电路Fig.4 Equivalent circuit of rectifier unit

根据北京城建设计研究总院地铁短路试验，可得到计算牵引变电所等值内阻的经验简化公式［3］，其计算精度满足工程要求。其计算公式如下:

式中:

U2N——直流侧额定电压，kV;

Uk——牵引变压器短路电压，kV;

SN——牵引变压器额定容量，MVA;

n——牵引整流机组套数，套;

kr——内阻系数。

式(1)中，根据短路点至变电所的不同距离，kr可取不同值。通常情况下，短路点远离变电所时，kr可取1;出口短路时(短路点距变电所＜400 m)，kr可取1.3，本文故障情况下，kr可取1.3。

2.2 电客车驱动电路

电客车采用“+Tc-Mp-M+M-Mp-Tc+”6节编组。其中:Tc为有司机室的拖车，Mp为带受电弓的动车，M为不带受电弓的动车，“+”为半自动密接式车钩，“－”为半永久棒式车钩。2节Mp与2节M上均采用DC/AC变换器驱动三相电机，且每个DC/AC变换器输入前端并联有LC电路。在不考虑列车制动反送电的情况下，可将变换器视为负载，故可将此等效成图5中的电路。

图5 电客车驱动等效电路Fig.5 Tram driving equivalent circuit

由图5可见，在故障过程中列车不存在制动过程，同时等效阻抗ZM产生功率远小于短路时的功率，因此，为分析简便，可将ZM忽略不计。在车载逆变器前端的平波电抗LM与滤波电容CM，因列车车型不同而略有差别。

2.3 列车在线时的接触网短路电路模型建立

考虑到短路暂态过程的电气分量，接触网与钢轨的瞬时电抗不能忽略。其中，RL1、RL2和LL1、LL2分别为线路等效电阻与电抗。将直流馈线开关215与216视为理想开关，并采用开关S1等效短路效果。建立如图6所示的列车在线时的接触网短路电路模型，因直流母排与整流机组直接相连，故电压为Ud。

图6 列车在线时的接触网短路电路模型Fig.6 Short-circuit model of on-line locomotive OSC

2.3.1 阶段1

列车正常运行初始，215、216开关处于合闸供电状态，电客车由216开关取电运行。网轨检测车在215供电分区出段运行，发生短路故障时，直流215开关保护装置检测到I++max动作，触发215开关断路器跳闸，可将断路器跳闸之前视为阶段1。其分析过程如图6 a)所示。由此可见，网轨检测车因发生金属性短路，接触网通过车体与钢轨发生短路，可等效为理想开关S1合闸。

根据经验值可得接触网的电阻为0.02Ω/km，电感为1.139 mH/km;回路钢轨的电阻为0.009 5 Ω/km，电感为0.164 mH/km。因此，在近端发生短路的情况下，等效电阻几乎可忽略不计，这样必然形成大短路电流iL1，约11 000 A。由于采样截顶，故实际短路电流将更大。此时保护装置通过检测到的电流判断出过流速断保护I++max动作，触发215开关断路器跳闸。因整流机组容量有限，不可视其为理想电压源，存在等效电阻Req，在短路大电流流过后，造成直流母排上电压Ud迅速降低至约816 V。在电压Ud降低后，电客车上CM的电压不能突变，则形成了由列车车载电容器流经216开关，回馈到直流母排上的反向电流iL2，其电流值达4 495 A。

2.3.2 阶段2

如图6 b)所示，因过流速断保护I++max触发215开关跳闸，短路电流被切除，进入阶段2。在215开关跳闸后，短路线路切除，整流机组输出电压Ud迅速恢复。同时由上述分析可知，整流机组上存在等效电抗Leq，在215开关跳闸前流过断流大电流iL1。由于电感有反向电动势作用，电感的电流不能瞬时突变，在Leq上形成续流电流iL1，f，与整个后端负载构成Boost升压电路，此时Ud迅速抬高且超过整流机组空载电压Ud0。

在接触网短路过程中，列车上的CM因释放能量而导致电压下降，且此时电压小于Ud;同时216开关柜上的电流iL2迅速改变为正电流，通过叠加iL1，f，构成电流iL2，0。随着iL2，0迅速升高，其电流变化满足DDL+ΔI保护的定值要求，保护装置发出跳闸命令，电流变化率和ΔI满足电流变化率保护，DDL+ΔI保护发出跳闸动作命令，触发216开关跳闸。在母线电压被拉低后，入段线上电客车检查到电压降低，列车断路器因低压下限保护跳闸。