池代臻

(成都唐源電氣股份有限公司，510653，廣州∥高級工程師)

地鐵列車運(yùn)行過程中，可能因接觸網(wǎng)短線脫落、錯掛地線、絕緣子閃絡(luò)［1］及列車頂部對接觸網(wǎng)放電等多方面的原因，造成接觸網(wǎng)短路故障。接觸網(wǎng)發(fā)生短路瞬間會產(chǎn)生幾萬安培過電流［2］，其最為直接的后果就是對應(yīng)的直流饋線開關(guān)發(fā)生跳閘。若此時保護(hù)裝置無法將短路電流正常切除，必然造成設(shè)備燒毀甚至發(fā)生火災(zāi)。同時，故障短路電流流經(jīng)鋼軌及綜合接地網(wǎng)，可能形成瞬間高壓而燒毀其他設(shè)備，造成極大的破壞性，影響地鐵的正常運(yùn)營。經(jīng)對近期發(fā)生的一起接觸網(wǎng)短路跳閘故障進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在相鄰供電臂上列車在線運(yùn)行時，接觸網(wǎng)短路故障會引發(fā)鄰線接觸網(wǎng)跳閘，擴(kuò)大了故障范圍。對該故障的經(jīng)過、特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對其中故障電流產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了剖析，以期掌握故障的原因與規(guī)律，從而形成可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1 接觸網(wǎng)短路跳閘故障介紹

1.1 接觸網(wǎng)短路跳閘故障區(qū)域的設(shè)備

圖1為接觸網(wǎng)短路跳閘故障區(qū)域牽引變電所結(jié)構(gòu)示意圖。其工作原理為:交流電能由中壓環(huán)網(wǎng)輸入牽引變電所，經(jīng)變壓器與整流器轉(zhuǎn)換成DC 1 500 V，并通過直流進(jìn)線開關(guān)201、202輸入到進(jìn)線母排上;母排上的電壓由直流饋出開關(guān)215、216輸出，再經(jīng)上網(wǎng)電纜、上網(wǎng)刀閘2151、2161向出、入段線的接觸網(wǎng)供電。列車從接觸網(wǎng)取流，電流經(jīng)鋼軌及回流電纜流至回變電所負(fù)極。全線直流供電系統(tǒng)采用絕緣安裝，與綜合接地系統(tǒng)形成電氣絕緣。

圖1 牽引變電所結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of traction substation structure

1.2 接觸網(wǎng)短路跳閘故障描述

該起接觸網(wǎng)跳閘故障發(fā)生在某車輛段出入段線。如圖1所示，事故發(fā)生時，網(wǎng)軌檢測車在出段線上行駛，同時末班電客車收車回車輛段。因網(wǎng)軌檢測車的天窗蓋未蓋好鎖牢，在行進(jìn)過程中，天窗蓋彈起與接觸網(wǎng)接觸，導(dǎo)致接觸網(wǎng)經(jīng)網(wǎng)軌檢測車與鋼軌短路。如圖2 a)所示，接觸網(wǎng)上迅速形成電弧，灼傷接觸網(wǎng)，在匯流排與接觸線上留下黑色灼燒痕跡。如圖2 b)所示，斷路器的動靜觸頭有明顯的灼燒痕跡，在直流開關(guān)斷路器的滅弧柵上也有明顯的拉弧痕跡。

圖2 短路點(diǎn)灼燒痕跡Fig.2 Burning trace at short circuit point

在網(wǎng)軌檢測車造成接觸網(wǎng)短路后，車輛段出段線215開關(guān)、車輛段入段線216開關(guān)跳閘，造成相應(yīng)的供電分區(qū)停電。約1 s之后，直流開關(guān)215、216自動重合閘成功，接觸網(wǎng)恢復(fù)正常供電。

圖3所示為牽引降壓混合變電所直流開關(guān)215、216的故障錄波。其中，圖3 a)為出段線215開關(guān)的電壓、電流波形。由圖3 a)可知，在－3 ms時，網(wǎng)軌檢測車與接觸網(wǎng)短路，短路電流迅速上升;在時間為0時電壓被拉低至1 049 V，電流增大至9 380 A，直流開關(guān)的保護(hù)裝置檢測電流上升率及電流增量(DDL+ΔI保護(hù))并動作輸出;在分閘指令輸出后，短路電流持續(xù)升高，檢測到電流達(dá)到11 562 A，而后保護(hù)裝置又輸出電流速斷保護(hù)(I++max(電流速斷保護(hù)功能的簡稱代碼)保護(hù));電流波形存在截頂?shù)那闆r，由于斷路器分閘滅弧需要一個過程，在分閘指令后電流呈增大趨勢;在27 ms時，滅弧完成，電流降低為0。

圖3 b)為入段線216開關(guān)的電壓、電流波形。因215、216開關(guān)取電自同一母線，當(dāng)215開關(guān)的負(fù)載發(fā)生短路，饋線電壓被迅速拉低，同樣造成216開關(guān)電壓被拉低。在－14 ms時，電壓被拉低至816 V，同時形成反向電流－4 495 A;而后電壓、電流恢復(fù)，并形成沖擊，在時間為0時電壓、電流分別達(dá)到1 906 V與2 599 A。在該變化的過程中，當(dāng)電流變化滿足DDL+ΔI保護(hù)的定值要求時，保護(hù)裝置發(fā)出跳閘命令;在30 ms時，斷路器滅弧完成，電流降低為0;在母線電壓被拉低后，列車斷路器因低壓下限保護(hù)跳閘，導(dǎo)致入段線上電客車失電。

圖3 直流饋出開關(guān)的故障錄波Fig.3 Fault recording of DC feeder switch

通過對牽混所直流開關(guān)215、216故障錄波的描述與分析，需對以下內(nèi)容做進(jìn)一步研究。

1)在215饋線開關(guān)發(fā)生短路跳閘后，需考慮引起216開關(guān)跳閘的原因;

2)在216開關(guān)上檢測到－4 495 A反向電流的原因;

3)在216開關(guān)上檢測到超過額定值1 906 V正向電壓的原因。

2 接觸網(wǎng)短路跳閘故障分析

2.1 牽引變電所電源分析

目前，城市軌道交通通常采用的等效24脈波整流機(jī)組，由2臺12脈波的整流變壓器和與之匹配的整流器共同組成。Ud為整流機(jī)組輸出端口電壓，Ud不僅與整流機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)，而且受外部負(fù)載情況影響。如當(dāng)接觸網(wǎng)在遠(yuǎn)近不同點(diǎn)處發(fā)生短路時，其表現(xiàn)出的短路壓降、短路電流和等值內(nèi)阻均不同。圖4為整流機(jī)組等效電路。圖4中，Ud0為牽引變電所直流母線空載電壓;Req為牽引變電所的等值內(nèi)阻;Leq為等效電抗。其中，Leq可取整流變壓器及電纜等主要回路的等效電抗。

圖4 整流機(jī)組等效電路Fig.4 Equivalent circuit of rectifier unit

根據(jù)北京城建設(shè)計(jì)研究總院地鐵短路試驗(yàn)，可得到計(jì)算牽引變電所等值內(nèi)阻的經(jīng)驗(yàn)簡化公式［3］，其計(jì)算精度滿足工程要求。其計(jì)算公式如下:

式中:

U2N——直流側(cè)額定電壓，kV;

Uk——牽引變壓器短路電壓，kV;

SN——牽引變壓器額定容量，MVA;

n——牽引整流機(jī)組套數(shù)，套;

kr——內(nèi)阻系數(shù)。

式(1)中，根據(jù)短路點(diǎn)至變電所的不同距離，kr可取不同值。通常情況下，短路點(diǎn)遠(yuǎn)離變電所時，kr可取1;出口短路時(短路點(diǎn)距變電所＜400 m)，kr可取1.3，本文故障情況下，kr可取1.3。

2.2 電客車驅(qū)動電路

電客車采用“+Tc-Mp-M+M-Mp-Tc+”6節(jié)編組。其中:Tc為有司機(jī)室的拖車，Mp為帶受電弓的動車，M為不帶受電弓的動車，“+”為半自動密接式車鉤，“－”為半永久棒式車鉤。2節(jié)Mp與2節(jié)M上均采用DC/AC變換器驅(qū)動三相電機(jī)，且每個DC/AC變換器輸入前端并聯(lián)有LC電路。在不考慮列車制動反送電的情況下，可將變換器視為負(fù)載，故可將此等效成圖5中的電路。

圖5 電客車驅(qū)動等效電路Fig.5 Tram driving equivalent circuit

由圖5可見，在故障過程中列車不存在制動過程，同時等效阻抗ZM產(chǎn)生功率遠(yuǎn)小于短路時的功率，因此，為分析簡便，可將ZM忽略不計(jì)。在車載逆變器前端的平波電抗LM與濾波電容CM，因列車車型不同而略有差別。

2.3 列車在線時的接觸網(wǎng)短路電路模型建立

考慮到短路暫態(tài)過程的電氣分量，接觸網(wǎng)與鋼軌的瞬時電抗不能忽略。其中，RL1、RL2和LL1、LL2分別為線路等效電阻與電抗。將直流饋線開關(guān)215與216視為理想開關(guān)，并采用開關(guān)S1等效短路效果。建立如圖6所示的列車在線時的接觸網(wǎng)短路電路模型，因直流母排與整流機(jī)組直接相連，故電壓為Ud。

圖6 列車在線時的接觸網(wǎng)短路電路模型Fig.6 Short-circuit model of on-line locomotive OSC

2.3.1 階段1

列車正常運(yùn)行初始，215、216開關(guān)處于合閘供電狀態(tài)，電客車由216開關(guān)取電運(yùn)行。網(wǎng)軌檢測車在215供電分區(qū)出段運(yùn)行，發(fā)生短路故障時，直流215開關(guān)保護(hù)裝置檢測到I++max動作，觸發(fā)215開關(guān)斷路器跳閘，可將斷路器跳閘之前視為階段1。其分析過程如圖6 a)所示。由此可見，網(wǎng)軌檢測車因發(fā)生金屬性短路，接觸網(wǎng)通過車體與鋼軌發(fā)生短路，可等效為理想開關(guān)S1合閘。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值可得接觸網(wǎng)的電阻為0.02Ω/km，電感為1.139 mH/km;回路鋼軌的電阻為0.009 5 Ω/km，電感為0.164 mH/km。因此，在近端發(fā)生短路的情況下，等效電阻幾乎可忽略不計(jì)，這樣必然形成大短路電流iL1，約11 000 A。由于采樣截頂，故實(shí)際短路電流將更大。此時保護(hù)裝置通過檢測到的電流判斷出過流速斷保護(hù)I++max動作，觸發(fā)215開關(guān)斷路器跳閘。因整流機(jī)組容量有限，不可視其為理想電壓源，存在等效電阻Req，在短路大電流流過后，造成直流母排上電壓Ud迅速降低至約816 V。在電壓Ud降低后，電客車上CM的電壓不能突變，則形成了由列車車載電容器流經(jīng)216開關(guān)，回饋到直流母排上的反向電流iL2，其電流值達(dá)4 495 A。

2.3.2 階段2

如圖6 b)所示，因過流速斷保護(hù)I++max觸發(fā)215開關(guān)跳閘，短路電流被切除，進(jìn)入階段2。在215開關(guān)跳閘后，短路線路切除，整流機(jī)組輸出電壓Ud迅速恢復(fù)。同時由上述分析可知，整流機(jī)組上存在等效電抗Leq，在215開關(guān)跳閘前流過斷流大電流iL1。由于電感有反向電動勢作用，電感的電流不能瞬時突變，在Leq上形成續(xù)流電流iL1，f，與整個后端負(fù)載構(gòu)成Boost升壓電路，此時Ud迅速抬高且超過整流機(jī)組空載電壓Ud0。

在接觸網(wǎng)短路過程中，列車上的CM因釋放能量而導(dǎo)致電壓下降，且此時電壓小于Ud;同時216開關(guān)柜上的電流iL2迅速改變?yōu)檎娏鳎ㄟ^疊加iL1，f，構(gòu)成電流iL2，0。隨著iL2，0迅速升高，其電流變化滿足DDL+ΔI保護(hù)的定值要求，保護(hù)裝置發(fā)出跳閘命令，電流變化率和ΔI滿足電流變化率保護(hù)，DDL+ΔI保護(hù)發(fā)出跳閘動作命令，觸發(fā)216開關(guān)跳閘。在母線電壓被拉低后，入段線上電客車檢查到電壓降低，列車斷路器因低壓下限保護(hù)跳閘。

3 結(jié)語

1)考慮在直流開關(guān)柜的故障識別中，利用形態(tài)學(xué)、小波分析等手段對故障波形進(jìn)行形態(tài)識別，在保護(hù)裝置中將此類波形進(jìn)行判別，避免不必要的跳閘。

2)在正常運(yùn)營過程中，某處接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障時，可能會引起相鄰接觸網(wǎng)發(fā)生同類型故障跳閘，造成電客車停運(yùn)，導(dǎo)致故障范圍擴(kuò)大。在應(yīng)急處置時，應(yīng)當(dāng)掌握此類故障特征，制定相應(yīng)的故障響應(yīng)措施，以實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)供電快速恢復(fù)。