地铁供电系统直流侧短路故障及处理研究

谢博策，弭 雪

（北京首建兴安装工程有限公司，北京 100000）

0 引 言

随着城市化进程的加快，轨道交通已成为缓解城市交通拥堵、改善城市环境的重要途径之一。地铁作为一种高效、便捷、环保的公共交通工具，在现代城市轨道交通体系中发挥着日益重要的作用[1]。然而，地铁系统的安全稳定运行对城市交通和人民生活有着至关重要的影响。在复杂的地铁供电系统中，直流侧供电网络承担着为列车牵引系统和辅助设备提供电能的重任。一旦直流侧发生短路故障，不仅会导致列车运行中断，威胁乘客的生命安全，还可能引发连锁反应，对整个供电系统造成严重损害，从而产生巨大的经济损失和社会影响。因此，深入研究地铁供电系统直流侧短路故障的发生机理、故障类型与特征，探索有效的故障处理策略与措施，对于提高地铁系统的可靠性、安全性及运行效率具有重要意义。

1 地铁供电系统直流侧结构与工作原理

1.1 地铁供电系统总体架构

地铁供电系统是一个复杂且关键的技术体系，通常由交流侧和直流侧两大部分组成[2]。地铁供电系统总体架构的主要组成部分及其功能如表1 所示。

表1 地铁供电系统总体架构

1.2 直流侧供电网络构成及工作原理

地铁牵引目前普遍采用直流供电方式。相较于交流供电，直流供电具有调速方便、车辆启动与制动平稳、电压质量高以及投资成本低等优点。地铁供电系统的直流侧供电网络是一个复杂的技术体系，主要由整流变电所、直流配电线路、接触轨或接触网、回流线以及相关的保护和控制设备组成。其中，整流变电所是直流侧供电网络的核心，通常采用具有12脉波或24 脉波整流方式的整流器，将交流电转换为750 V 和1 500 V 的直流电，并通过直流配电线路输送至接触轨或接触网[3]。整流器的效率通常可达到98%以上，且具有良好的动态响应特性，能够适应列车负载的快速变化。

为确保整流变电所的可靠运行，通常会配备完善的监控和保护系统，如直流母线电压监测、温度监测、短路保护等。例如，北京地铁采用DC750 V 第三轨供电和DC1 500 V 架空接触网制式两种供电方式。其中，一号线、二号线、十三号线采用DC750 V 第三轨供电方式。第三轨由高导电率的特殊软钢制成，沿线路平行架设于轨道外侧，地铁车辆的受流靴与其接触以获取电能。十四、十六号线采用DC1 500 V 架空接触网制式。由于采用了较高的供电电压，降低了接触网的馈电电流，因此采用架空接触网来输送电流更为便利，能够改善受流环境，提高受流质量。回流线负责将列车再生制动能量和牵引电流安全送至整流变电所，通常采用与接触网并行敷设的钢轨或电缆。

为提高直流侧供电网络的可靠性和安全性，现代地铁系统普遍采用分段绝缘的供电方式。这种供电方式不仅可以有效降低故障电流，缩小故障影响范围，还能实现故障区段的快速隔离和恢复，有效提高系统运行的可靠性。地铁直流牵引供电系统一般采用主接线形式，如图1 所示。直流系统为双母线接线方式，设有工作母线、备用母线及旁路开关。两路进线采用直流断路器，设置4 路直流馈线，工作母线和备用母线之间设有备用直流断路器。牵引整流机组的负极采用电动隔离开关。正常运行时，1 个供电区由相邻的两个牵引变电所同时供电。

图1 地铁直流牵引供电系统主接线形式

在同一行车方向的不同供电分区分段处，上行和下行均设置了纵向电动隔离开关。当某牵引变电所整体退出运行时，可以借助隔离开关实现大双边供电。而对于未设置纵向电动隔离开关的线路，当某牵引变电所整体退出运行时，通常只能采取单边供电的方式运行。

2 直流侧短路故障类型与特征分析

根据故障发生的位置和原因，可以将直流侧短路故障分为接触网短路、直流母线短路、列车短路等类型，不同类型的短路故障在故障特征、危害程度及处理难度等方面存在显著差异[4]。典型的直流侧短路故障类型及其主要特征如表2 所示。

表2 直流侧短路故障类型及其主要特征

地铁直流牵引供电系统的安全可靠运行是列车安全运行的前提。直流牵引供电系统保护的重要作用主要体现在以下两方面：一方面，在正常运行状态下，应最大限度地满足列车运行的条件；另一方面，在直流牵引电系统发生故障的情况下，应有选择地切除故障，确保列车、设备及旅客的安全。直流牵引供电系统的特点是列车牵引负荷电流并非总保持在一个水平上。这是因为受列车起动、加速等操作的影响，导致电流的变化变得频繁且复杂。地铁直流系统短路电流和起动电流随时间变化的特性如图2 所示，t0为列车启动时间。列车起动时，电流短时上升且幅度较大，甚至超过中远端短路电流，增加了保护整定的难度。直流牵引系统保护的重点在于区分列车起动电流或受电弓过接触轨分段时的电流和短路电流。

图2 地铁直流系统短路电流和启动电流特性

3 直流侧短路故障处理策略与措施

3.1 短路故障实时监测与精确定位

为实现对地铁供电系统直流侧短路故障的实时监测与精确定位，业界已提出了一系列先进的技术手段。其中，基于故障电流暂态特征分析的监测方法受到广泛关注。例如，上海地铁利用布置在整流变电所和接触网关键节点的电流传感器，以高达10 kHz 的采样频率实时测量电流信号，并通过专用的信号处理单元进行在线分析。研究表明，在发生短路故障时，故障电流在10 ms 内即可达到稳态值的90%以上，且在电流的上升沿部分呈现明显的陡变特征[5]。对于电流传感器采集的电流信号，利用小波分析等时频域信号处理技术，可以从电流暂态中提取故障特征频率，进而实现故障的快速检测。一旦监测到疑似短路故障，系统将自动触发定位算法，综合分析故障前后电流、电压的变化情况，并结合供电网络的拓扑结构和参数模型，在100 ms 内给出故障点的方位。

3.2 快速响应机制与高效隔离技术

为最大限度地减小直流侧短路故障对地铁运营的影响，供电系统必须具备快速响应和高效隔离故障的能力。首先，供电系统应根据故障类型和严重程度，制定分级响应预案。对于危及人身安全和设备完整性的严重短路故障，必须在最短时间内切除故障，并完成故障隔离和系统重构，以缩小故障影响范围。为实现这一目标，系统需综合利用快速跳闸、能量吸收等多种手段，以缩小故障影响范围。例如，部署在故障附近的超导限流器可在2 ms 内将短路电流限制在额定值的2.5 倍以内，有效降低电流热效应。对于危害较小的一般短路故障，可适当延长响应时间，通过采取分段隔离和负荷转移等措施实现局部供电恢复，时间一般控制在200 ms 以内。而优化隔离开关操作时序是提高故障隔离效率的关键，合理的开关操作时序不仅可避免隔离过程中的二次短路，还可显著降低开关自身的损耗。通过在隔离开关控制中引入故障电流零点切除策略，可将开关损耗降到最低，确保系统运行的稳定性和安全性。

4 结 论

文章围绕地铁供电系统直流侧短路故障这一关键问题，从故障类型与特征、监测与定位、处理策略与措施等方面进行了系统研究。通过分析不同类型短路故障的成因和危害，揭示了直流侧短路故障的复杂性和严重性。在此基础上，概括总结了故障电流暂态特征分析、分布式光纤测温等先进的故障监测与定位技术，以及快速跳闸、能量吸收、优化隔离等故障处理措施，为提高故障处理速度和可靠性提供了有效途径。随着轨道交通的不断发展，地铁供电系统将朝着更大容量、更高可靠性、更智能化的方向迈进。未来，应综合应用大数据、人工智能等新兴技术，建立集故障智能诊断与预警、自愈控制、智慧运维等功能为一体的故障防控体系，实现地铁供电的安全可靠运行。