譚金龍

【摘 要】地鐵供電系統(tǒng)本身的作用是給地鐵運行提供強有力的保證，地鐵的正常運行能夠給乘客生命安全以及財產(chǎn)安全提供保證，然而，從近些年一些案例來看，地鐵牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)易出現(xiàn)短路故障，短路電流過高，對城市軌道交通系統(tǒng)的安全運營造成嚴(yán)重的影響。所以就城市軌道交通系統(tǒng)的安全運行而言，研究牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)短路故障具有十分顯著的現(xiàn)實意義。

【關(guān)鍵詞】地鐵供電系統(tǒng)；可靠性；安全性；方法

地鐵供電系統(tǒng)，是地鐵工程中重要機電設(shè)備系統(tǒng)之一，它擔(dān)負著為地鐵列車和各種輔助設(shè)備供電的重要任務(wù)。供電系統(tǒng)的安全性，關(guān)系著乘客安全、運營人員安全、行車安全、設(shè)備安全等多個方面。直流系統(tǒng)短路故障分析即是地鐵供電系統(tǒng)設(shè)備選型及繼電保護整定計算的依據(jù)，同時也是保證繼電保護可靠性、選擇性、靈敏性及速動性的基本條件，為地鐵供電系統(tǒng)的安全性提供了必不可少的保障，具有重要意義。

1.城市軌道交通供電直流側(cè)短路故障的主要類型

1.1金屬性短路

金屬性故障主要是指由于第三軌或者是接觸網(wǎng)與走形軌間產(chǎn)生直接金屬性接觸后，造成其絕緣支架擊穿，從而形成與大地的短路。比如在2010年時，北京地鐵一名乘客隨身攜帶的金屬水平尺從站臺中墮落，造成正在運行中的列車與第三軌之間的通路，從而導(dǎo)致了金屬性短路故障的發(fā)生。造成該種故障的另外一種原因也可能是在停電檢修作業(yè)的過程中，沒有及時將接觸網(wǎng)接地線撤銷，從而在恢復(fù)供電時發(fā)生金屬性短路故障，如果此時特別是在運行期間不能及時對故障位置進行確定和排出，勢必會對軌道交通的運行產(chǎn)生較大的影響。

1.2非金屬性短路

非金屬性短路主要是指第三軌與走形軌經(jīng)過渡電阻短路或者是絕緣泄漏，從而發(fā)生非金屬性短路故障。比如在雨雪天氣環(huán)境下，暴露在戶外的城市輕軌在雨水或者是積雪作用下被覆蓋，間接的成為導(dǎo)體從而與行軌發(fā)生短路。另一方面，也可能是在長時間的運行過程中接觸網(wǎng)或者是第三軌的出現(xiàn)絕緣老化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電流外放和泄漏，泄漏的電流通過絕緣支座在流向接地扁銅后經(jīng)由變電所地網(wǎng)，最終回流至變電所負極，從而引發(fā)非金屬性短路故障。同金屬性故障相比，非金屬性故障下產(chǎn)生的短路電流相對較小，所以造成了其短路現(xiàn)象不容易被察覺。但是隨著運行時間的不斷加長，可能會產(chǎn)生接觸電壓或者是跨步電壓，嚴(yán)重情況下還會出現(xiàn)電弧，從而使短路故障進一步擴大，給城市交通軌道電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行以及人身安全都帶來了較為嚴(yán)重的影響。

2.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、回流線回到負極，形成一個有效的閉合回路。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。

2.1正極對負極短路故障

多數(shù)是由于架空接觸網(wǎng)對鋼軌短路所引起的，如接觸網(wǎng)斷線掉落到鋼軌上、機車頂部對接觸網(wǎng)放電、錯誤掛接地線等，造成直流正極對負極瞬時短路，短路電流可達幾萬安，導(dǎo)致直流開關(guān)大電流脫口保護瞬間動作，DDL-Delta-I相繼啟動。

2.2正極對大地短路故障

設(shè)備本體：老鼠、蜈蚣等小動物爬入帶電回路；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，引起框架保護動作。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)對架空地線放電；機車主回路接地等。正極接地故障多為持續(xù)性短路故障，如不及時清除，容易將故障擴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極的短路事故，對多處直流設(shè)備將造成嚴(yán)重?zé)龘p，破壞性及危害更大。

2.3正極對走行軌短路故障

正極對走行軌短路，即饋電接觸網(wǎng)對走行軌短路，主要是由機車故障等外部原因引起的。接觸網(wǎng)對走行軌發(fā)生短路故障時，短路電流隨短路故障點離牽引變電所的距離不同，表現(xiàn)出的特性有很大不同。當(dāng)離牽引變電所較近處發(fā)生短路故障時，線路中產(chǎn)生的沖擊電流會很大，且短路電流上升變化率很大；隨著短路故障點離牽引變電所越來越遠，短路電流曲線近似于指數(shù)函數(shù)曲線，且電流上升變化率較小，電流幅值也較小，這個過程的電流情況一般與多機車同時取流時相似，這就造成實際運行中遠端發(fā)生短路故障時難以區(qū)分短路電流與機車啟動電流的情況，造成短路故障修復(fù)的延時。接觸網(wǎng)對走行軌短路示意圖如圖1所示。

3.直流系統(tǒng)短路故障排查方法

3.1重合閘原理

線路測試功能通過測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，線路測試回路電阻Rx將決定斷路器是否被允許合閘。根據(jù)計算結(jié)果可知：Rx>2.5Ω，瞬時性故障，重合閘成功。Rx<2.5Ω，瞬時性故障，重合閘不成功。注：框架保護不起動線路測試和重合閘。

3.2重合閘成功

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

3.3重合閘不能成功

此時故障應(yīng)為持續(xù)性故障。若框架保護動作，應(yīng)嘗試對故障信號進行復(fù)歸。若復(fù)歸成功，經(jīng)電調(diào)允許后進行試送電，按照電調(diào)要求作進一步處理；若不能復(fù)歸，則解除故障所對相鄰牽引變電所的閉鎖條件，退出本所的整流機組，通過越區(qū)開關(guān)進行大雙邊供電。若大電流脫扣保護動作，故障點有可能在饋線至上網(wǎng)電纜處，現(xiàn)場人員應(yīng)聽從電調(diào)安排進行設(shè)備檢查。

3.4后續(xù)處理措施

對于變電所，仔細檢查直流斷路器動靜觸頭、滅弧柵片等，對燒傷部分進行打磨、更換；若為電纜故障，使用電纜故障測試儀對故障點進行定位，故障點找到后，做電纜中間接頭，將兩端非故障電纜連接起來；若為接觸網(wǎng)或列車故障，應(yīng)采用打磨、重新連接或更換元器件等措施滿足檢修標(biāo)準(zhǔn)。

4.直流側(cè)短路故障電流仿真

牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)發(fā)生短路故障時，接觸網(wǎng)上出現(xiàn)的短路電流由該供電區(qū)間上的所有牽引變電所提供，其中，短路故障點所在區(qū)間的2個牽引變電所饋給電流最大，其次是離短路故障點所在區(qū)間兩側(cè)較近的2個牽引變電所。

4.1牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)供電模型

搭建模型的過程中，由于短路故障發(fā)生是瞬時的，導(dǎo)致電流變化率很大。由于暫態(tài)參數(shù)的存在，系統(tǒng)中必然會出現(xiàn)一個暫態(tài)的過程。根據(jù)文獻和文獻選取模型中的基本參數(shù)。

4.2直流側(cè)短路故障電流仿真

在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下，搭建牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)短路故障仿真模型。仿真模型中主要參數(shù)設(shè)置如下：走行軌單位內(nèi)阻為30Q/km，走行軌單位內(nèi)電感為1.75mH/km；接觸網(wǎng)單位電阻為28Q/，接觸網(wǎng)單位內(nèi)電感為2.6mH/km；走行軌對地過渡電阻取3Q.，小電阻Rf取0.001Q。當(dāng)0.1s時距離變電所A500m、1000m、1.5km處易發(fā)生短路故障。

通過搭建模型與仿真，得到直流側(cè)短路故障電流波形。根據(jù)短路電流波形可知，當(dāng)供電區(qū)間發(fā)生短路故障時，線路上會產(chǎn)生很大的暫態(tài)電流，短路電流上升變化率很大，短路電流穩(wěn)態(tài)值也很大；隨著短路故障發(fā)生點離相鄰變電所越來越遠，短路電流上升變化率隨之減小，短路電流穩(wěn)態(tài)值也逐漸減小。此外，當(dāng)短路故障點離兩側(cè)牽引所的距離相近時，兩側(cè)牽引所的電流波形也相近。

5.結(jié)束語

總而言之，隨著城市交通壓力的增加，地鐵修建技術(shù)的水平在不斷提高，城市地鐵工程量也在不斷增加。但是，從實際情況看，地鐵運行還是存在一些安全隱患的，一旦發(fā)生供電系統(tǒng)直流側(cè)短路故障，就可能造成重大的安全事故，產(chǎn)生惡劣的社會影響。因此，相關(guān)部門和工作人員必須要努力提高地鐵運行的安全性和可靠性。因為地鐵的運行是由供電系統(tǒng)提供動力的，所以，應(yīng)保證供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

參考文獻：

[1]徐勁松，高勁，江平，等.淺析地鐵直流牽引變電所的保護原理[J].電氣化鐵道，2003.

[2]林國松.牽引供電系統(tǒng)新型保護與測距原理研究[D].西南交通大學(xué)，2010.

[3]地鐵機車建模及直流牽引供電系統(tǒng)故障分析[D].杜芳.北京交通大學(xué)2010.