陶海芹

摘要：在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動(dòng)之下，我國城市建設(shè)規(guī)模在逐漸地?cái)U(kuò)大，諸多大中城市軌道交通的規(guī)劃以及建設(shè)已經(jīng)成為百姓十分關(guān)心的問題。直流牽引系統(tǒng)的健康可靠地運(yùn)行可以保障整個(gè)城市軌道交通安全暢通運(yùn)行?；诖?，本文簡(jiǎn)要論述了城市軌道交通直流牽引供電網(wǎng)短路故障的原因。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；直流牽引式；短路

中圖分類號(hào)： C913.32文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

引言

做好城市軌道交通直流牽引供電網(wǎng)，不僅僅可實(shí)現(xiàn)車輛的跨線運(yùn)行、將備用車數(shù)量不斷減少，也可以減少車輛以及牽引供電系統(tǒng)設(shè)備的備品備件品種以及數(shù)量、可以方便備品備件的統(tǒng)一調(diào)配，此外，還可以便于車輛以及牽引供電系統(tǒng)檢修設(shè)施、人力資源的綜合利用以及管理。

一、軌道交通供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1-城市電網(wǎng) 2—主變電站 3—直流牽引變電所 4—饋電線5—接觸網(wǎng) 6—走行軌道

7—回流線

圖1 地鐵供電系統(tǒng)

如圖1地鐵供電系統(tǒng)所示，地鐵供電系統(tǒng)負(fù)責(zé)為車輛及供電設(shè)備提供動(dòng)力能源，一般包括高壓供電系統(tǒng)(外部電源，即城市電網(wǎng)提供的交流電源點(diǎn)如110 kV：35 kV或10 kV等)和地鐵內(nèi)部供電系統(tǒng)2大部分。地鐵內(nèi)部供電系統(tǒng)由牽引供電系統(tǒng)和動(dòng)力照明供電系統(tǒng)組成 。牽引供電系統(tǒng)中的牽引變電所將三相高壓交流電變成適合電動(dòng)車輛運(yùn)用的低壓直流電，饋電系統(tǒng)再將牽引變電所的直流電送到接觸網(wǎng)上，電動(dòng)車輛通過受流器與接觸網(wǎng)接觸而獲得電能。。

2、直流短路故障分析的工程意義

直流牽引網(wǎng)線路保護(hù)是保障牽引系統(tǒng)安全運(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。與交流系統(tǒng)相比，直流牽引系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式以及故障特征方面存在著較大的差異，使得直流牽引系統(tǒng)線路保護(hù)的實(shí)現(xiàn)也有其獨(dú)特之處，需要具體問題具體分析。在地鐵供電系統(tǒng)中，短路故障分析極其重要，通過它可以正確地進(jìn)行設(shè)備選擇，整定直流開關(guān)及保護(hù)裝置，驗(yàn)證直流牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性并校核測(cè)試段牽引直流回路的完整性。高速直流斷路器作為大電流故障的主保護(hù)裝置，隔斷線路正負(fù)極間金屬性或近端經(jīng)小過渡電阻的大電流。

根據(jù)直流牽引系統(tǒng)的故障特點(diǎn)，當(dāng)直流側(cè)近端發(fā)生正負(fù)極直接金屬性短路時(shí)，電流上升率很大，故障電流甚至可高達(dá)到數(shù)萬安培，此時(shí)直流斷路器本體大電流脫扣須可靠、迅速地動(dòng)作以切斷故障電流。對(duì)于高速直流斷路器本體大電流脫扣的整定，當(dāng)采用雙端供電方式時(shí)，其整定保護(hù)范圍應(yīng)該大于線路的一半，避開機(jī)車正常運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生的最大負(fù)荷電流峰值，并考慮一定的可靠性系數(shù)。從未來發(fā)展來看，為了減少地鐵牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部故障，需要構(gòu)建先進(jìn)的城市軌道交通電力綜合自動(dòng)化。3、保護(hù)配置原則

軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)每個(gè)供電分區(qū)可以是單邊供電、雙邊供電或大雙邊供電。當(dāng)發(fā)生接觸網(wǎng)故障時(shí)，不只是靠近短路點(diǎn)的2座牽引變電所向短路點(diǎn)供電，而是全線的牽引變電所都向短路點(diǎn)供電。因此直流牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)計(jì)算不能簡(jiǎn)單套用一般的交流系統(tǒng)保護(hù)計(jì)算方法，應(yīng)根據(jù)直流牽引供電的特點(diǎn)整定計(jì)算。

直流系統(tǒng)的多數(shù)保護(hù)都是為了切除正極對(duì)負(fù)極短路故障,一般為大電流脫扣、DDL-Delta-I保護(hù),框架保護(hù)則是為了切除正極對(duì)地短路故障。

2.1、大電流脫扣保護(hù)

用以快速切除金屬性近端短路故障,通過斷路器內(nèi)設(shè)置的脫扣器實(shí)現(xiàn)。一旦檢測(cè)到瞬時(shí)短路電流超過保護(hù)定值,磁場(chǎng)產(chǎn)生的作用力將使斷路器動(dòng)、靜觸頭迅速脫扣,使斷路器跳閘,起到保護(hù)作用,其固有動(dòng)作時(shí)間僅幾毫秒,往往先于電流上升率及電流增量保護(hù)動(dòng)作。

2.2、di/dt和ΔI保護(hù)

兩種保護(hù)相互配合使用,簡(jiǎn)稱DDL-Delta-I,應(yīng)用于中、遠(yuǎn)端短路故障保護(hù),既能切除近端短路電流,也能切除大電流脫扣保護(hù)不能切除的故障電流較小的遠(yuǎn)端短路故障,誰較早激活就由誰先出口跳閘。

2.3、框架保護(hù)

直流設(shè)備外殼即為框架,框架泄露保護(hù)由電流元件和電壓元件組成。當(dāng)任意一個(gè)直流設(shè)備內(nèi)發(fā)生正極對(duì)外殼短路時(shí),接地電流通過框架電流元件流入綜合接地網(wǎng),再通過鋼軌與地之間的絕緣泄漏電阻回到鋼軌(負(fù)極)。當(dāng)接地電流超過整定值(80 A)時(shí),框架泄漏保護(hù)的電流元件迅速動(dòng)作。電壓元件檢測(cè)設(shè)備外殼與直流設(shè)備負(fù)極之間的電位差,等價(jià)于鋼軌和地之間的電壓,與軌電位限制裝置配合使用。

電壓型框架保護(hù)定值和時(shí)間要與軌道電位限制裝置相互配合，電壓型框架保護(hù)的電壓定值和時(shí)間上遲后于軌道電位限制裝置。電流型框架保護(hù)定值和時(shí)間要求，屬于小電流接地故障，其電壓和電流檢測(cè)對(duì)故障點(diǎn)的定位都比較困難，選擇性較差，電流元件動(dòng)作說明有主絕緣擊穿。一旦保護(hù)出口，整流機(jī)組高壓側(cè)斷路器及所有直流斷路器跳閘，并跳同一供電區(qū)的相鄰牽引變電所直流斷路器，同時(shí)閉鎖本所、相鄰牽引變電所直流斷路器。電流元件由于靈敏度過高，可調(diào)整定值，定值為35～85?A，蘇州軌道交通一號(hào)線框架保護(hù)定值為80?A，動(dòng)作時(shí)限為0?s。電壓型框架保護(hù)裝置與軌道電位限制裝置定值和時(shí)間配合的參數(shù)可供類似的工程借鑒

4、直流系統(tǒng)短路故障原因

牽引電流經(jīng)直流饋線開關(guān)、饋線電纜、上網(wǎng)隔離開關(guān)輸送到接觸網(wǎng)上,再經(jīng)列車、鋼軌、回流線回到負(fù)極,形成一個(gè)有效的閉合回路。造成直流牽引供電系統(tǒng)短路故障的原因總體來說歸納為以下兩大類。

4.1、 正極對(duì)負(fù)極短路故障

多數(shù)是由于架空接觸網(wǎng)對(duì)鋼軌短路所引起的,如接觸網(wǎng)斷線掉落到鋼軌上、機(jī)車頂部對(duì)接觸網(wǎng)放電、錯(cuò)誤掛接地線等,造成直流正極對(duì)負(fù)極瞬時(shí)短路,短路電流可達(dá)幾萬安,導(dǎo)致直流開關(guān)大電流脫口保護(hù)瞬間動(dòng)作,DDL-Delta-I相繼啟動(dòng)。

4.2、正極對(duì)大地短路故障

設(shè)備本體:老鼠、蜈蚣等小動(dòng)物爬入帶電回路；小金屬線頭、未使用的螺絲、墊圈等零件,掉落在帶電回路上,造成直流正極與框架短路,引起框架保護(hù)動(dòng)作。線路:可能是接觸網(wǎng)、饋線或變電所饋線電纜接地；絕緣子擊穿、折斷；隔離開關(guān)處于接地狀態(tài)、引線脫落；接觸網(wǎng)對(duì)架空地線放電；機(jī)車主回路接地等。正極接地故障多為持續(xù)性短路故障,如不及時(shí)清除,容易將故障擴(kuò)大為直流正極通過綜合接地裝置、鋼軌與地之間的泄露電阻到負(fù)極的短路事故,對(duì)多處直流設(shè)備將造成嚴(yán)重?zé)龘p,會(huì)產(chǎn)生較大的破壞性以及危害。

5、直流系統(tǒng)短路故障排查方法

為盡快恢復(fù)供電,同時(shí)避免斷路器合到在故障線路上,直流開關(guān)保護(hù)模塊具有通過線路測(cè)試,判別故障性質(zhì)的自動(dòng)重合閘功能。重合閘成功與否和保護(hù)動(dòng)作情況可作為判別短路故障原因的重要依據(jù)。

5.1、重合閘原理

線路測(cè)試功能通過測(cè)量直流母線電壓和饋線電壓可以判斷出主回路是否正常工作,這樣一來,線路測(cè)試回路電阻Rx將決定斷路器是否被允許合閘。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：

Rx>2 .5Ω ,瞬時(shí)性故障 ,重合閘成功。

R x <2 .5Ω , 瞬時(shí)性故障 , 重合閘不成功。

5.2、重合閘成功

一般是由列車故障等外部原因或接觸網(wǎng)短時(shí)閃絡(luò)造成金屬性短路所致,多為瞬時(shí)性短路故障,且保護(hù)類型多為大電流脫扣、DDL-Delta-I。此時(shí)供電設(shè)備均能夠正常運(yùn)行,應(yīng)注意觀察設(shè)備運(yùn)行狀況并對(duì)直流開關(guān)動(dòng)作過程進(jìn)行錄波；組織該趟列車下線運(yùn)營,安排接觸網(wǎng)人員對(duì)故障區(qū)段正線進(jìn)行登乘巡視,待運(yùn)營結(jié)束后組織相關(guān)專業(yè)對(duì)直流開關(guān)本體、接觸網(wǎng)、列車做詳盡的檢查和分析。

5.3、重合閘不能成功

此時(shí)故障應(yīng)為持續(xù)性故障。若框架保護(hù)動(dòng)作,應(yīng)嘗試對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行復(fù)歸。若復(fù)歸成功,經(jīng)電調(diào)允許后進(jìn)行試送電,按照電調(diào)要求作進(jìn)一步處理；若不能復(fù)歸,則解除故障所對(duì)相鄰牽引變電所的閉鎖條件,退出本所的整流機(jī)組,通過越區(qū)開關(guān)進(jìn)行大雙邊供電。若大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作,故障點(diǎn)有可能在饋線至上網(wǎng)電纜處,現(xiàn)場(chǎng)人員應(yīng)聽從電調(diào)安排進(jìn)行設(shè)備檢查。

6、結(jié)語

直流牽引供電網(wǎng)的關(guān)系比較復(fù)雜,其短路故障的原因比較多,不容易找到,應(yīng)該根據(jù)故障的現(xiàn)象、保護(hù)動(dòng)作情況、重合閘情況等等情況進(jìn)行綜合的分析，保證城市交通的順暢，方便人們的生活。

參考文獻(xiàn)：

[1]王乃永,艾兵,李靜,曹暉,吳廣寧. 城市軌道交通直流牽引供電網(wǎng)短路故障分析[J]. 大功率變流技術(shù),2010,03:24-27+32.

[2]孔瑋. 城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)故障分析及若干問題的研究[D].華北電力大學(xué)（北京）,2005.

[3]王亞玲,吳命利,胥刃佳. 城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的運(yùn)行仿真[J]. 電氣化鐵道,2006,02:38-41.