艾東兵

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一起典型的接觸網(wǎng)跳閘事件分析

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結(jié)合變電所綜合監(jiān)控信息和接觸網(wǎng)設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)一起典型的接觸網(wǎng)跳閘事件進(jìn)行了深入分析，指出了故障發(fā)生的原因，為各位同行在今后處理類似接觸網(wǎng)故障時(shí)提供借鑒。

地鐵；接觸網(wǎng)；跳閘；故障

0 引言

接觸網(wǎng)是為地鐵列車提供電能，又無(wú)法進(jìn)行備用配置的關(guān)鍵供電設(shè)備，一旦發(fā)生故障，將直接影響正常行車。對(duì)接觸網(wǎng)故障的原因分析以及故障的恢復(fù)時(shí)間，在很大程度上代表了專業(yè)維修隊(duì)伍的業(yè)務(wù)水平。

筆者結(jié)合多年的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，導(dǎo)致接觸網(wǎng)跳閘的主要原因有：絕緣失效、異物短接、電客車故障及雷電過電壓等。針對(duì)這些故障原因，各運(yùn)營(yíng)維保單位均有一套行之有效的處理流程和應(yīng)急預(yù)案。但近期對(duì)一起接觸網(wǎng)跳閘事件進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致跳閘的原因在以往故障分析中極少出現(xiàn)。下文將介紹該起跳閘事件的經(jīng)過并對(duì)其原因進(jìn)行分析，以期與各位同行交流。

1 接觸網(wǎng)跳閘事件介紹

1.1 跳閘區(qū)域接觸網(wǎng)設(shè)備介紹

該起接觸網(wǎng)跳閘事件發(fā)生于車輛段，車輛段牽引網(wǎng)由接觸網(wǎng)和回流回路構(gòu)成，且均采用絕緣安裝，其中車輛段內(nèi)接觸網(wǎng)設(shè)備結(jié)構(gòu)形式為帶補(bǔ)償?shù)暮?jiǎn)單懸掛，即單接觸線加吊索的結(jié)構(gòu)形式；回流回路由鋼軌、單向?qū)ㄑb置及回流電纜構(gòu)成。車輛段內(nèi)接觸網(wǎng)分多個(gè)供電分區(qū)，各供電分區(qū)分別向各個(gè)股道供電，車輛段內(nèi)回流軌全段內(nèi)導(dǎo)通。接觸網(wǎng)導(dǎo)高一般為5 m，股道間距離一般為5 m。

1.2 跳閘事件概況

該起接觸網(wǎng)跳閘事件發(fā)生于車輛段C、D供電分區(qū)，C、D供電分區(qū)分別對(duì)應(yīng)變電所213、214直流斷路器。根據(jù)事件當(dāng)時(shí)監(jiān)控報(bào)文顯示：車輛段混合變電所213、214斷路器同時(shí)發(fā)生d/d保護(hù)動(dòng)作，9 s后214斷路器重合閘成功，但213斷路器顯示重合閘失敗。根據(jù)下載故障錄波顯示，213斷路器跳閘時(shí)最大短路電流為11 659 A，電流上升率最大值為1 469 kA/s，214斷路器跳閘時(shí)最大短路電流為3 153 A，電流上升率最大值為527 kA/s。

2 故障分析

事件發(fā)生后，經(jīng)檢修人員排查，發(fā)現(xiàn)C供電分區(qū)內(nèi)存在明顯的接觸網(wǎng)與鋼軌間金屬短路，該金屬短路是造成213斷路器跳閘的直接原因，但對(duì)D供電分區(qū)排查，未發(fā)現(xiàn)明顯的異物短接、絕緣失效及放電等跡象。為此，結(jié)合變電所故障錄波等監(jiān)控信息進(jìn)行故障分析。

2.1 C供電分區(qū)接觸網(wǎng)跳閘過程分析

由于地鐵牽引供電采用DC 1 500 V，考慮C供電分區(qū)牽引網(wǎng)線路較短，電壓較低，正常供電時(shí)牽引網(wǎng)線路電導(dǎo)、電納及電感影響可忽略不計(jì)，計(jì)算分析時(shí)僅考慮線路電阻因素。但當(dāng)C供電分區(qū)發(fā)生金屬短路時(shí)，由于電流變化率較大，線路電感在牽引計(jì)算分析中起主導(dǎo)作用，必須予以考慮。為了便于分析，在短路故障下，可將C供電分區(qū)牽引網(wǎng)等效為圖1所示的等值電路。

圖1 短路故障時(shí)牽引網(wǎng)等值電路圖

根據(jù)楞次定律，電感電動(dòng)勢(shì)阻礙回路中電流的變化，即電流增大時(shí)，電感電動(dòng)勢(shì)與電流的方向相反；電流減小時(shí)，電感電動(dòng)勢(shì)與電流的方向相同。其表達(dá)式如下：

由于213斷路器跳閘時(shí)，電流上升率最大值為1 469 kA/s，根據(jù)式（1）可知，C供電分區(qū)將出現(xiàn)反向電動(dòng)勢(shì)，如圖2所示。從圖2可以看出213斷路器跳閘過程中，出現(xiàn)約1 400 V的反向電動(dòng)勢(shì)。該反向電動(dòng)勢(shì)的大小及其變化率與所在牽引網(wǎng)回路的線路電阻、短路點(diǎn)距變電所的距離等參數(shù)有關(guān)，具有一定的隨機(jī)性，這可以從地鐵新線開通前近端及遠(yuǎn)端短路試驗(yàn)的錄波中體現(xiàn)，此處將不做進(jìn)一步分析說(shuō)明。同時(shí)，由于線路電阻主要起限制電流的作用，后續(xù)分析也暫不考慮電阻因素。

針對(duì)C供電分區(qū)接觸網(wǎng)跳閘過程，結(jié)合圖2、213斷路器故障電流錄波圖（圖3）及故障電流變化率錄波圖（圖4），可將C供電分區(qū)的跳閘過程按以下幾個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

為便于分析，假定1＜2＜3。

（1）=1時(shí)，C供電分區(qū)發(fā)生短路故障，流過213斷路器的短路電流迅速增大，當(dāng)達(dá)到保護(hù)整定值后，斷路器啟動(dòng)分閘操作，線路電感產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)1方向如圖1所示。

（2）=2時(shí)，斷路器觸頭從合閘狀態(tài)斷開，斷路器觸頭間產(chǎn)生電弧。

圖2 213斷路器故障電壓錄波圖

圖3 213斷路器故障電流錄波圖

圖4 213斷路器故障電流變化率錄波圖

2.2 D供電分區(qū)接觸網(wǎng)跳閘過程分析

調(diào)閱接觸網(wǎng)跳閘事件發(fā)生時(shí)變電所綜合監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)214斷路器跳閘前，D供電分區(qū)存在取流記錄。針對(duì)該記錄，經(jīng)與車輛調(diào)度確認(rèn)，跳閘事件發(fā)生前，D供電分區(qū)范圍內(nèi)存在電客車升弓取流作業(yè)。

綜合以上信息可知，214斷路器跳閘原因及過程為：1時(shí)刻前，C供電分區(qū)未發(fā)生短路故障，D供電分區(qū)內(nèi)電客車可正常升弓從接觸網(wǎng)上取流。1時(shí)刻，因接地故障造成C供電分區(qū)接觸網(wǎng)與鋼軌短路，213斷路器啟動(dòng)保護(hù)跳閘。3時(shí)刻，213斷路器觸頭完全斷開，由于電感作用，C供電分區(qū)接觸網(wǎng)與鋼軌上出現(xiàn)約1 400 V的負(fù)極性電壓（圖2），進(jìn)而使D供電分區(qū)內(nèi)電客車兩端電壓由正常的 1 500 V瞬時(shí)增大至約2 900 V，致使D供電分區(qū)“正極母排—214斷路器—D區(qū)接觸網(wǎng)—電客車—鋼軌—負(fù)極母排”回路電流達(dá)到214斷路器d/d保護(hù)整定值，214斷路器保護(hù)動(dòng)作，發(fā)生跳閘事件，D供電分區(qū)接觸網(wǎng)跳閘示意圖見圖5。

圖5 D供電分區(qū)接觸網(wǎng)跳閘示意圖

綜上分析，該次接觸網(wǎng)跳閘事件的過程及原因?yàn)椋篊供電分區(qū)因接觸網(wǎng)與鋼軌之間金屬短路，造成213斷路器保護(hù)跳閘，跳閘后，由于C供電分區(qū)牽引網(wǎng)電感作用，使D供電分區(qū)內(nèi)正常取流的電客車兩端電壓突變，進(jìn)而造成214斷路器保護(hù)跳閘。這里需要特別說(shuō)明的是，上文介紹變電所綜合監(jiān)控報(bào)文顯示2個(gè)供電分區(qū)保護(hù)同時(shí)動(dòng)作，主要是由于2個(gè)供電分區(qū)保護(hù)動(dòng)作間隔僅為毫秒級(jí)，而報(bào)文則是以秒為單位顯示。

3 總結(jié)和建議

針對(duì)該次接觸網(wǎng)跳閘事件中發(fā)生的非設(shè)定保護(hù)聯(lián)跳故障，在以往的跳閘事件中極少出現(xiàn)，缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，需引起業(yè)內(nèi)同行的足夠重視。為此，提出以下2點(diǎn)建議：

（1）由于接觸網(wǎng)供電分區(qū)設(shè)備分布區(qū)域較長(zhǎng)，設(shè)備復(fù)雜，且故障類型較多，當(dāng)發(fā)生接觸網(wǎng)跳閘故障時(shí)，應(yīng)結(jié)合故障現(xiàn)象、設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，并充分利用相關(guān)綜合監(jiān)控信息，以實(shí)現(xiàn)故障的快速分析和查找定位。

（2）該次事件中造成D供電分區(qū)跳閘的一個(gè)重要原因是各供電分區(qū)間回流軌的電氣導(dǎo)通，該結(jié)構(gòu)形式廣泛應(yīng)用于地鐵供電系統(tǒng)中，除存在該類事件中出現(xiàn)的非設(shè)定保護(hù)聯(lián)跳缺陷外，還存在觸電傷人的安全隱患，如不同線路間的聯(lián)絡(luò)線，一旦未設(shè)置鋼軌絕緣節(jié)或絕緣節(jié)絕緣不良，當(dāng)一側(cè)線路行車，相鄰線路的作業(yè)人員就可能存在觸電的安全隱患，該類問題在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工程驗(yàn)收及運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段都需要引起足夠的重視。

[1] 簡(jiǎn)克良. 電力系統(tǒng)分析[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社，1993.

[2] 馬文蔚. 物理學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，1999.

In connection with substation integrated automatic control information and characteristics of overhead contact system equipment, a deep analysis has been made for a typical event of overhead contact system tripping, indicating clearly causes to occurrence of the fault and providing references for the counterparts for handling of similar overhead contact system failures in the future.

Subway; overhead contact system; tripping; faults

U231.8

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2016-09-23

艾東兵.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)總部，工程師，電話：13723707539。