柳 鑫 1，吳 雙2，張桂林，劉光輝

(1.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化設(shè)計(jì)院分公司，天津 300250；2.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)建設(shè)投資有限公司，山東 濟(jì)南 250300；3.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，河南 鄭州451460)

0 引 言

作為當(dāng)今世界城市交通重要組成部分的軌道交通是大中型城市人員市內(nèi)流動(dòng)的主要運(yùn)輸方式。軌道交通的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)可以促進(jìn)沿線區(qū)域快速、可持續(xù)發(fā)展。近年來，中國(guó)城市軌道交通在修建里程上增長(zhǎng)速度最快，在建規(guī)模最大，年發(fā)送旅客最多，運(yùn)行速度最快，大大緩解大中城市日益擁擠的交通狀況。可靠、穩(wěn)定的直流牽引供電系統(tǒng)是城市軌道交通列車安全、高效運(yùn)行的重要保障[1]。

對(duì)城市軌道交通可靠運(yùn)營(yíng)影響最大的因素是短路故障，因此在新線開通之前要進(jìn)行牽引供電系統(tǒng)短路試驗(yàn)。該試驗(yàn)可以檢驗(yàn)牽引直流供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、電氣設(shè)備的穩(wěn)定性以及校驗(yàn)牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)整定值的準(zhǔn)確性[2-4]。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)設(shè)備可以快速、準(zhǔn)確切斷故障點(diǎn)，從而保障設(shè)備和人員的安全。不同的供電線路，其接觸網(wǎng)類型不同、牽引變電所的容量不同、開關(guān)設(shè)備選擇的廠家不同，短路試驗(yàn)時(shí)布置不盡相同。下面對(duì)濟(jì)南R3線選擇合適的短路點(diǎn)進(jìn)行短路試驗(yàn)，應(yīng)用專用的設(shè)備對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量并對(duì)其進(jìn)行分析。結(jié)果表明，濟(jì)南R3線選擇的保護(hù)裝置對(duì)不同短路故障響應(yīng)靈敏、可靠。

1 試驗(yàn)布置和參數(shù)測(cè)量

1.1 濟(jì)南R3線項(xiàng)目概況

濟(jì)南市軌道交通R3線二期工程線路全程共21.57 km(龍洞站—灘頭站)。供電系統(tǒng)由主變電所、35 kV供電環(huán)網(wǎng)、牽引降壓混合變電所及降壓變電所、接觸網(wǎng)系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、雜散電流防護(hù)及接地系統(tǒng)、供電車間組成。供電系統(tǒng)采用2個(gè)110/35 kV主變電所集中雙邊供電方式，合用一期工程既有的濟(jì)南東主變電所，主變電所提供35 kV電源，向地鐵牽引變電所及降壓變電所供電。

接觸網(wǎng)系統(tǒng)的牽引網(wǎng)電壓等級(jí)為直流1500 V，牽引網(wǎng)饋電形式為架空剛性接觸網(wǎng)。

1.2 短路試驗(yàn)點(diǎn)的選擇

短路試驗(yàn)點(diǎn)的合理選擇是保證達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康年P(guān)鍵，應(yīng)保證短路試驗(yàn)點(diǎn)可以獲取最大短路電流及最小短路電流。文獻(xiàn)[5]規(guī)定接觸網(wǎng)最小短路電流是接觸網(wǎng)中離饋入點(diǎn)最遠(yuǎn)端發(fā)生正負(fù)極間短路時(shí)的電流。反之，接觸網(wǎng)最大短路電流是在接觸網(wǎng)的饋入點(diǎn)處發(fā)生正負(fù)極間短路時(shí)的電流。根據(jù)R3線牽引變電所實(shí)際布置情況，選取濟(jì)南新東站進(jìn)行最小短路電流試驗(yàn)，由于該點(diǎn)短路電流理論為最小，可以驗(yàn)證電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)、di/dt+ΔI保護(hù)的可靠性；選取丁家東站和盛福莊站進(jìn)行最大短路電流試驗(yàn)，因?yàn)樵擖c(diǎn)理論電流最大，可以檢驗(yàn)di/dt+ΔI保護(hù)、斷路器本體的大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作的可靠性，短路試驗(yàn)布置如圖1所示。

圖1 短路試驗(yàn)布置

1.3 短路試驗(yàn)步驟

為保證短路試驗(yàn)順利進(jìn)行，制定操作流程如圖2所示。

1)試驗(yàn)準(zhǔn)備

(1)按照濟(jì)南地鐵公司停電作業(yè)程序辦理好作業(yè)票和配合協(xié)議。

(2)短路試驗(yàn)區(qū)間的接觸網(wǎng)處于停電狀態(tài)，一直到短路試驗(yàn)開始。

(3)做好安全防護(hù)措施，例如試驗(yàn)區(qū)段按帶電設(shè)備處理，除試驗(yàn)人員外，試驗(yàn)區(qū)段不允許有其他人員；短路點(diǎn)兩側(cè)30 m做好防護(hù)等。

2)接觸網(wǎng)短路連接

為保護(hù)短路大電流對(duì)短接導(dǎo)線沖擊，圖1中的短路接地線采用2條TRJ-150 mm2軟銅線連接短路試驗(yàn)QF和鋼軌。

圖2 試驗(yàn)流程

3)控制和測(cè)量設(shè)備連接調(diào)試

(1)在接地線中串接斷路器，該斷路器可以用遠(yuǎn)程控制裝置操作。

(2)連接電流互感器到示波器，并啟動(dòng)示波器用于記錄短路時(shí)的參數(shù)。

(3)核對(duì)短路試驗(yàn)區(qū)段的保護(hù)定值及動(dòng)作時(shí)間配合的正確性。

(4)在試驗(yàn)前，檢查相關(guān)電動(dòng)隔離開關(guān)觸頭閉合情況，并進(jìn)行短路模擬試驗(yàn)驗(yàn)證保護(hù)裝置的可靠性。

4)數(shù)據(jù)采集和分析比對(duì)

(1)閉合短路試驗(yàn)QF，連通電路。

(2)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。

5)清理現(xiàn)場(chǎng)

(1)短路試驗(yàn)結(jié)束后,檢查各類開關(guān)動(dòng)靜觸點(diǎn)、短接地線與鋼軌、架空剛性匯流排的連接點(diǎn)是否有燒傷。

(2)拆除短路接地線，并清理相關(guān)安全防護(hù)設(shè)施，恢復(fù)到試驗(yàn)前的面貌。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及評(píng)估

2.1 直流保護(hù)的基本原理

濟(jì)南R3直流1500 V饋線的保護(hù)有大電流脫扣保護(hù)(斷路器本體保護(hù))、電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)、電流增量保護(hù)ΔI和電流上升率保護(hù)di/dt等[6-7]。

圖3 濟(jì)南東站至灘頭站短路試驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

斷路器本體大電流脫扣保護(hù)是牽引網(wǎng)近端短路的主保護(hù)。當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生金屬性近端短路故障，短路電流數(shù)值很大。當(dāng)短路電流達(dá)到整定值時(shí)，脫扣器動(dòng)作，斷路器能在短路電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)值之前提前快速切斷，其動(dòng)作時(shí)間僅為斷路器本身固有動(dòng)作時(shí)間。

電流速斷是斷路器本體大電流脫扣的近后備保護(hù)，電流設(shè)定值一般小于斷路器本體的定值，主要通過分析饋線電流識(shí)別故障。

過電流保護(hù)是整段線路的后備保護(hù)，整定值相對(duì)較小，時(shí)間延遲相對(duì)長(zhǎng)。

ΔI+di/dt保護(hù)作為饋線保護(hù)的主保護(hù)，它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中遠(yuǎn)端短路故障。該保護(hù)克服了單獨(dú)di/dt保護(hù)受干擾而誤動(dòng)以及ΔI保護(hù)存在拒動(dòng)現(xiàn)象的缺點(diǎn)。

2.2 接觸網(wǎng)最小電流試驗(yàn)

單邊供電模式下在濟(jì)南新東站斷路器214遠(yuǎn)端短路，驗(yàn)證大電流情況下斷路器的開斷能力、設(shè)備的短路耐受能力和繼電保護(hù)裝置的速動(dòng)性。短路試驗(yàn)?zāi)Ｊ饺鐖D3所示。

短路試驗(yàn)的故障錄波采用鎮(zhèn)江大全賽雪龍繼電保護(hù)裝置sepcos-2故障錄波儀，波形如圖4所示。

從圖4可以看到，鎮(zhèn)江大全賽雪龍繼電保護(hù)裝置sepcos-2的短路電流最大值為12 544 A，保護(hù)增量變化時(shí)間為16.8 ms。圖中箭頭1所示起弧時(shí)間為-17 ms，箭頭2為完全息弧時(shí)間57 ms，從起弧時(shí)間至完全息弧歷時(shí)約74 ms。

短路試驗(yàn)中ΔI+di/dt和電流速斷保護(hù)動(dòng)作跳閘，214斷路器ΔI+di/dt保護(hù)整定值為6000 A，繼電保護(hù)的動(dòng)作值為12 544 A，斷路器動(dòng)作的可靠系數(shù)為2.09。經(jīng)檢查，短路點(diǎn)導(dǎo)線及鋼軌短路試驗(yàn)后沒有明顯燒損情況。

圖4 遠(yuǎn)端短路錄波儀采集的數(shù)據(jù)

2.3 接觸網(wǎng)最大電流試驗(yàn)

丁家東站與盛福莊站雙邊供電模式下，在丁家東站斷路器214和盛福莊站212近端短路，短路試驗(yàn)?zāi)Ｊ饺鐖D5所示。驗(yàn)證在正線雙邊供電模式下，一端發(fā)生短路故障時(shí)，相關(guān)繼電保護(hù)裝置的速動(dòng)性、靈敏性。

短路試驗(yàn)的故障錄波采用鎮(zhèn)江大全賽雪龍繼電保護(hù)裝置sepcos-2故障錄波儀和中元華電ZH-102錄波儀。前者波形如圖6所示，后者波形如圖7所示。

圖5 丁家東站至盛福莊站短路試驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

圖6 近端短路錄波儀采集的數(shù)據(jù)

從圖6可以看到，短路的最高電流約為19 339 A，保護(hù)增量變化時(shí)間為2.4 ms。圖中箭頭1起弧時(shí)間為-2 ms，箭頭2完全息弧時(shí)間為23 ms，從起弧時(shí)間至完全息弧歷時(shí)約25 ms。

圖7 盛福莊站212短路電流波形

短路試驗(yàn)中電流速斷保護(hù)及ΔI+di/dt動(dòng)作，盛福莊站電流速斷保護(hù)整定值為7500 A，繼電保護(hù)動(dòng)作值為19 339 A，繼電保護(hù)動(dòng)作的可靠系數(shù)為2.58。經(jīng)檢查，短路點(diǎn)導(dǎo)線及鋼軌短路試驗(yàn)后沒有明顯燒損情況。

在圖7可以看到，短路電流最大值為19 339.4 A，從起弧至完全息弧歷時(shí)約29 ms，與盛福站212繼電保護(hù)裝置記錄的波形基本一致。

3 結(jié) 語

結(jié)合軌道交通具體項(xiàng)目濟(jì)南R3線論述了直流牽引供電系統(tǒng)短路試驗(yàn)的試驗(yàn)點(diǎn)的選擇、試驗(yàn)步驟等內(nèi)容。短路試驗(yàn)精心組織、科學(xué)安排，為此線路試運(yùn)行提供了保障，同時(shí)為其他同類型線路牽引供電短路試驗(yàn)提供了借鑒。

從2次短路試驗(yàn)的過程記錄和波形分析中可以看出，被試斷路器耐受住了短路電流的考驗(yàn)，直流保護(hù)測(cè)控裝置的動(dòng)作的可靠性、速動(dòng)性、選擇性、靈敏性滿足設(shè)計(jì)要求，繼電保護(hù)裝置記錄的故障波形真實(shí)可靠。對(duì)參加本次短路試驗(yàn)的設(shè)備的試驗(yàn)結(jié)論為合格。