李 軍，韋庭三，黃 俊

（南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣西南寧 530029）

0 引言

目前，新建成的城市軌道交通線路中絕大部分都是采用直流 1 500 V 作為牽引動(dòng)力電源。直流牽引供電系統(tǒng)短路試驗(yàn)是必須完成的試驗(yàn)項(xiàng)目，其目的是通過試驗(yàn)獲取必要的參數(shù)，以便對(duì)直流饋線保護(hù)裝置的保護(hù)參數(shù)進(jìn)行正確整定，確保故障短路時(shí)斷路器能可靠跳閘。同時(shí)可以校驗(yàn)正常運(yùn)營(yíng)條件下（如列車起動(dòng)、地鐵乘客最大密度時(shí)）線路的實(shí)際參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)的匹配程度。

1 直流保護(hù)的基本原理

直流牽引供電系統(tǒng)發(fā)生接觸網(wǎng)短路時(shí)，短路電流很大，為此，設(shè)置了高性能的保護(hù)設(shè)備。南寧地鐵 1 號(hào)線直流斷路器的保護(hù)由開關(guān)本體的大電流脫扣保護(hù)和直流保護(hù)裝置 SEPCOS 組成。

大電流脫扣保護(hù)是直流斷路器的主保護(hù)，與交流保護(hù)中的速斷保護(hù)類似，用以快速切除金屬性近端短路故障。這種保護(hù)是直流斷路器內(nèi)設(shè)置的固有保護(hù)，沒有延時(shí)性，它通過斷路器內(nèi)設(shè)置的脫扣器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)通過斷路器的電流超過整定值時(shí)，脫扣器馬上動(dòng)作，使斷路器跳閘。

保護(hù)裝置 SEPCOS 是后備保護(hù)，用于保護(hù)中長(zhǎng)距離的線路故障，主要通過檢測(cè)電流的變化率（di /dt）來反映線路是否有故障。當(dāng)電流的變化率達(dá)到設(shè)定動(dòng)作值時(shí)，保護(hù)裝置動(dòng)作，使直流斷路器跳閘。

如果保護(hù)整定值設(shè)置不恰當(dāng)，就會(huì)出現(xiàn)保護(hù)拒動(dòng)或者誤動(dòng)的情況，造成設(shè)備損壞和較大的社會(huì)影響，故在城市軌道交通中需通過短路試驗(yàn)來校驗(yàn)牽引供電系統(tǒng)保護(hù)裝置的功能完備性，獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，供設(shè)計(jì)校驗(yàn)各設(shè)備的保護(hù)參數(shù)配置，保證在牽引供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，供電設(shè)備能及時(shí)迅速地切除故障部分，確保人員設(shè)備的安全。

通過抽樣試驗(yàn)，檢驗(yàn)直流牽引供電系統(tǒng)中各設(shè)備短路耐受能力和可靠性是否符合合同和相關(guān)規(guī)范技術(shù)要求。

2 試驗(yàn)方法與注意事項(xiàng)

2.1 試驗(yàn)方法

2.1.1 試驗(yàn)點(diǎn)選擇

短路點(diǎn)的選擇應(yīng)根據(jù)理論產(chǎn)生最大短路電流及最小短路電流的地點(diǎn)進(jìn)行選取。選取最近容易發(fā)生短路故障的地點(diǎn)進(jìn)行短路，該點(diǎn)短路電流理論為最大，可以檢驗(yàn)大電流脫扣保護(hù)是否正確動(dòng)作；選取最遠(yuǎn)端容易發(fā)生短路故障的地點(diǎn)進(jìn)行短路，該點(diǎn)短路電流理論為最小，可以檢驗(yàn)電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)、電流變化率保護(hù)（di /dt）以及電流增量保護(hù)（ΔI）是否正確動(dòng)作。不論選擇何種短路方式，其控制、保護(hù)、信號(hào)設(shè)置均需按單邊供電投入，在接觸網(wǎng)線路發(fā)生短路時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)的變電所內(nèi)的開關(guān)應(yīng)可靠分?jǐn)?、信?hào)顯示正確且設(shè)備無異常。

2.1.2 試驗(yàn)接線

結(jié)合南寧地鐵 1 號(hào)線直流牽引供電系統(tǒng)工程實(shí)際情況，短路試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在南湖站—萬象城站左、右線，具體選取如下。

（1）南湖站 214 饋線近端短路測(cè)試。接觸網(wǎng)短接點(diǎn)（近端）在南湖站—萬象城站區(qū)間（右線）靠近南湖站車站側(cè)，如圖1所示。

（2）萬象城站 211 饋線短路測(cè)試（遠(yuǎn)端短路）。接觸網(wǎng)短接點(diǎn)（遠(yuǎn)端）在南湖站—萬象城站區(qū)間（左線）靠近南湖站車站側(cè)，如圖2所示。

圖1 供電近端短路試驗(yàn)示意圖（連接鋼軌）

圖2 供電遠(yuǎn)端短路試驗(yàn)示意圖（連接架空地線）

2.1.3 數(shù)據(jù)采集

短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集需使用直流保護(hù)裝置 SEPCOS自帶的故障錄波功能以及外接示波器進(jìn)行記錄，接線如圖3所示。

直流開關(guān)分流器正、負(fù)極分別與測(cè)量放大器輸入端口正、負(fù)極相連，測(cè)量放大器輸出端正、負(fù)極分別與直流保護(hù)裝置 SEPCOS 輸入端子以及示波器探頭正、負(fù)端相連。連接示波器與放大器的接線需采用帶屏蔽層信號(hào)線，以減少干擾。示波器采樣時(shí)間調(diào)整為“格/1 s”，試驗(yàn)結(jié)束后將示波器采集數(shù)據(jù)及波形保存，并使用專用電腦連接保護(hù)裝置，調(diào)出錄波數(shù)據(jù)。

圖3 短路試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)采集接線示意圖

2.1.4 試驗(yàn)步驟

短路試驗(yàn)步驟：①相關(guān)區(qū)間接觸網(wǎng)按試驗(yàn)要求停電；②在選取地點(diǎn)按圖1、圖2的連接方式進(jìn)行連接；③連接完成后，利用直流開關(guān)保護(hù)裝置的線路測(cè)試功能測(cè)試短路回路的完整性；④檢查站內(nèi)整流機(jī)組斷路器、直流開關(guān)保護(hù)整定值是否與設(shè)計(jì)整定相符；⑤試驗(yàn)前，先進(jìn)行保護(hù)裝置模擬跳閘試驗(yàn)，確保裝置可靠動(dòng)作；⑥按圖3接好數(shù)據(jù)采集示波器，啟動(dòng)示波器錄波按鈕后立即合上被測(cè)試開關(guān)；⑦從示波器及保護(hù)裝置讀取短路電流及電壓數(shù)值、波形及電弧分?jǐn)鄷r(shí)間，將收集的數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)整定值比較；⑧短路試驗(yàn)結(jié)束，檢查直流開關(guān)本體及觸頭是否燒傷及存有殘留物；⑨撤除試驗(yàn)區(qū)段短路點(diǎn)的輔助導(dǎo)線及臨時(shí)接地線，檢查接觸網(wǎng)匯流排、架空地線、鋼軌的短路連接點(diǎn)處是否有燒傷、損壞。

2.2 注意事項(xiàng)

（1）短路試驗(yàn)開始前，先進(jìn)行模擬短路試驗(yàn)，在設(shè)備不帶電的情況下，使用微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀和直流毫伏發(fā)生器分別對(duì) 35 kV 氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（GIS）、整流器柜以及直流開關(guān)發(fā)送跳閘信號(hào)，確保裝置可靠動(dòng)作后，再正式進(jìn)行短路試驗(yàn)。

（2）為確保參與試驗(yàn)人員的人身安全，短路試驗(yàn)前應(yīng)將被試開關(guān)本體的合閘按鈕臨時(shí)引出，遠(yuǎn)離直流開關(guān)室的控制室，試驗(yàn)過程中嚴(yán)禁在直流開關(guān)本體上進(jìn)行分合閘操作。

（3）近端短路試驗(yàn)前，應(yīng)將數(shù)據(jù)采集回路的放大器量程調(diào)至最大或臨時(shí)更換更大量程的放大器（≥35 000 A），以防檢測(cè)波形因短路電流超放大器量程出現(xiàn)“削頂”。

（4）短路試驗(yàn)對(duì)開關(guān)主觸頭壽命損傷很大，屬于破壞性試驗(yàn)，應(yīng)盡量減少試驗(yàn)的次數(shù)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)搜集及分析評(píng)估

直流短路試驗(yàn)是破壞性試驗(yàn)。南寧地鐵 1 號(hào)線的直流牽引供電系統(tǒng)短路試驗(yàn)分別按接觸網(wǎng)近端短路、遠(yuǎn)端短路各進(jìn)行 1 次試驗(yàn)。直流短路時(shí)示波器檢測(cè)到電流、電壓實(shí)際波形見圖4、圖5。

圖4 南湖站 214 饋線電流示波器錄波波形圖

圖5 萬象城站 211 饋線電流示波器錄波波形圖

直流保護(hù)裝置 SEPCOS 保護(hù)整定值及短路試驗(yàn)時(shí)的故障錄波數(shù)據(jù)分別見表1、表2。

表1 直流保護(hù)裝置 SEPCOS 整定值

從表2的數(shù)據(jù)分析得出如下結(jié)論。

（1）南湖站在進(jìn)行試驗(yàn)前未明確測(cè)量放大器檔位，實(shí)際測(cè)量放大器量程偏?。?12 000～12 000 A），而短路峰值電流很大，超出放大器量程范圍，導(dǎo)致放大器飽和輸出，形成如圖4所示的“削頂”波形。

（2）南湖站 214 饋線近端短路開始后 16ms，短路電流達(dá)到峰值，母線電壓值約為 612 V，根據(jù)電流變化率估算，短路電流峰值約為 32 100 A。整個(gè)短路試驗(yàn)過程，214斷路器的大電流脫扣保護(hù)、電流速斷保護(hù)及電流增量（ΔI）保護(hù)均可靠動(dòng)作并使斷路器分閘，上級(jí)進(jìn)線直流斷路器（201、202）出現(xiàn)大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作分閘。第 16ms 斷路器開始分閘，第 20ms 斷路器完成分閘，第 30ms 饋線電流趨于 0 A。

（3）萬象城站 211 饋線遠(yuǎn)端短路開始后 48ms，短路電流達(dá)到峰值約為 8 769 A，母線電壓為 1 411 V。整個(gè)短路試驗(yàn)過程，萬象城站上級(jí)進(jìn)線直流斷路器（201、202）保持合閘狀態(tài)，211 斷路器電流增量（ΔI）保護(hù)、電流速斷（Imax++）動(dòng)作跳閘。第 48ms 斷路器開始分閘，第 54ms 斷路器完成分閘，第 72ms 饋線電流趨于 0 A。

（4）上述短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，南寧地鐵 1 號(hào)線供電系統(tǒng)的直流開關(guān)性能優(yōu)良，直流保護(hù)裝置動(dòng)作準(zhǔn)確，直流牽引系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

表2 南湖站 214 饋線近端短路、萬象城站 211 饋線遠(yuǎn)端短路故障錄波數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

這次試驗(yàn)從方案準(zhǔn)備、實(shí)施以及數(shù)據(jù)采集處理都比較成功，達(dá)到預(yù)期目的，對(duì)今后建立和完善直流牽引供電系統(tǒng)的短路試驗(yàn)方案和測(cè)量方法有很好的參考價(jià)值。對(duì)南寧地鐵后續(xù)線路的工程項(xiàng)目，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況具體分析，試驗(yàn)前還應(yīng)綜合考慮試驗(yàn)環(huán)境、不同接線方式等因素對(duì)短路試驗(yàn)的影響，以便更真實(shí)、準(zhǔn)確地分析系統(tǒng)短路工況。

[1]韓志杰. 城軌直流牽引供電系統(tǒng)短路試驗(yàn)[J]. 都市快軌交通，2013，26（1）：113-115.

[2]齊兵，徐鴻濱. 城市軌道交通供電系統(tǒng)直流短路試驗(yàn)[J]. 電氣化鐵道，2002（1）：50-51.

[3]蘇保衛(wèi)，張永康. 上海軌道交通3號(hào)線供電系統(tǒng)短路試驗(yàn)[J]. 城市軌道交通研究，2005（1）：68-70.

[4]唐珂. 地鐵供電系統(tǒng)大電流短路試驗(yàn)方案研究[J]. 低碳技術(shù)，2016（8）：79-80.

[5]李建民. 城市軌道交通供電[M].四川成都：西南交通大學(xué)出版社，2007.