城市轨道交通直流牵引供电网短路故障分析

陶海芹

摘要：在我国经济发展的推动之下，我国城市建设规模在逐渐地扩大，诸多大中城市轨道交通的规划以及建设已经成为百姓十分关心的问题。直流牵引系统的健康可靠地运行可以保障整个城市轨道交通安全畅通运行。基于此，本文简要论述了城市轨道交通直流牵引供电网短路故障的原因。

关键词：城市轨道交通；直流牵引式；短路

中图分类号： C913.32文献标识码： A

引言

做好城市轨道交通直流牵引供电网，不仅仅可实现车辆的跨线运行、将备用车数量不断减少，也可以减少车辆以及牵引供电系统设备的备品备件品种以及数量、可以方便备品备件的统一调配，此外，还可以便于车辆以及牵引供电系统检修设施、人力资源的综合利用以及管理。

一、轨道交通供电系统结构

1-城市电网 2—主变电站 3—直流牵引变电所 4—馈电线5—接触网 6—走行轨道

7—回流线

图1 地铁供电系统

如图1地铁供电系统所示，地铁供电系统负责为车辆及供电设备提供动力能源，一般包括高压供电系统(外部电源，即城市电网提供的交流电源点如110 kV：35 kV或10 kV等)和地铁内部供电系统2大部分。地铁内部供电系统由牵引供电系统和动力照明供电系统组成 。牵引供电系统中的牵引变电所将三相高压交流电变成适合电动车辆运用的低压直流电，馈电系统再将牵引变电所的直流电送到接触网上，电动车辆通过受流器与接触网接触而获得电能。。

2、直流短路故障分析的工程意义

直流牵引网线路保护是保障牵引系统安全运行的一个重要环节。与交流系统相比，直流牵引系统在结构、运行方式以及故障特征方面存在着较大的差异，使得直流牵引系统线路保护的实现也有其独特之处，需要具体问题具体分析。在地铁供电系统中，短路故障分析极其重要，通过它可以正确地进行设备选择，整定直流开关及保护装置，验证直流牵引供电系统运行的可靠性并校核测试段牵引直流回路的完整性。高速直流断路器作为大电流故障的主保护装置，隔断线路正负极间金属性或近端经小过渡电阻的大电流。

根据直流牵引系统的故障特点，当直流侧近端发生正负极直接金属性短路时，电流上升率很大，故障电流甚至可高达到数万安培，此时直流断路器本体大电流脱扣须可靠、迅速地动作以切断故障电流。对于高速直流断路器本体大电流脱扣的整定，当采用双端供电方式时，其整定保护范围应该大于线路的一半，避开机车正常运行时可能产生的最大负荷电流峰值，并考虑一定的可靠性系数。从未来发展来看，为了减少地铁牵引供电系统内部故障，需要构建先进的城市轨道交通电力综合自动化。3、保护配置原则

轨道交通直流牵引供电系统每个供电分区可以是单边供电、双边供电或大双边供电。当发生接触网故障时，不只是靠近短路点的2座牵引变电所向短路点供电，而是全线的牵引变电所都向短路点供电。因此直流牵引供电系统的保护计算不能简单套用一般的交流系统保护计算方法，应根据直流牵引供电的特点整定计算。

直流系统的多数保护都是为了切除正极对负极短路故障,一般为大电流脱扣、DDL-Delta-I保护,框架保护则是为了切除正极对地短路故障。

2.1、大电流脱扣保护

用以快速切除金属性近端短路故障,通过断路器内设置的脱扣器实现。一旦检测到瞬时短路电流超过保护定值,磁场产生的作用力将使断路器动、静触头迅速脱扣,使断路器跳闸,起到保护作用,其固有动作时间仅几毫秒,往往先于电流上升率及电流增量保护动作。

2.2、di/dt和ΔI保护

两种保护相互配合使用,简称DDL-Delta-I,应用于中、远端短路故障保护,既能切除近端短路电流,也能切除大电流脱扣保护不能切除的故障电流较小的远端短路故障,谁较早激活就由谁先出口跳闸。

2.3、框架保护

直流设备外壳即为框架,框架泄露保护由电流元件和电压元件组成。当任意一个直流设备内发生正极对外壳短路时,接地电流通过框架电流元件流入综合接地网,再通过钢轨与地之间的绝缘泄漏电阻回到钢轨(负极)。当接地电流超过整定值(80 A)时,框架泄漏保护的电流元件迅速动作。电压元件检测设备外壳与直流设备负极之间的电位差,等价于钢轨和地之间的电压,与轨电位限制装置配合使用。

电压型框架保护定值和时间要与轨道电位限制装置相互配合，电压型框架保护的电压定值和时间上迟后于轨道电位限制装置。电流型框架保护定值和时间要求，属于小电流接地故障，其电压和电流检测对故障点的定位都比较困难，选择性较差，电流元件动作说明有主绝缘击穿。一旦保护出口，整流机组高压侧断路器及所有直流断路器跳闸，并跳同一供电区的相邻牵引变电所直流断路器，同时闭锁本所、相邻牵引变电所直流断路器。电流元件由于灵敏度过高，可调整定值，定值为35～85 A，苏州轨道交通一号线框架保护定值为80 A，动作时限为0 s。电压型框架保护装置与轨道电位限制装置定值和时间配合的参数可供类似的工程借鉴

4、直流系统短路故障原因

牵引电流经直流馈线开关、馈线电缆、上网隔离开关输送到接触网上,再经列车、钢轨、回流线回到负极,形成一个有效的闭合回路。造成直流牵引供电系统短路故障的原因总体来说归纳为以下两大类。

4.1、 正极对负极短路故障

多数是由于架空接触网对钢轨短路所引起的,如接触网断线掉落到钢轨上、机车顶部对接触网放电、错误挂接地线等,造成直流正极对负极瞬时短路,短路电流可达几万安,导致直流开关大电流脱口保护瞬间动作,DDL-Delta-I相继启动。

4.2、正极对大地短路故障

设备本体:老鼠、蜈蚣等小动物爬入带电回路；小金属线头、未使用的螺丝、垫圈等零件,掉落在带电回路上,造成直流正极与框架短路,引起框架保护动作。线路:可能是接触网、馈线或变电所馈线电缆接地；绝缘子击穿、折断；隔离开关处于接地状态、引线脱落；接触网对架空地线放电；机车主回路接地等。正极接地故障多为持续性短路故障,如不及时清除,容易将故障扩大为直流正极通过综合接地装置、钢轨与地之间的泄露电阻到负极的短路事故,对多处直流设备将造成严重烧损,会产生较大的破坏性以及危害。

5、直流系统短路故障排查方法

为尽快恢复供电,同时避免断路器合到在故障线路上,直流开关保护模块具有通过线路测试,判别故障性质的自动重合闸功能。重合闸成功与否和保护动作情况可作为判别短路故障原因的重要依据。

5.1、重合闸原理

线路测试功能通过测量直流母线电压和馈线电压可以判断出主回路是否正常工作,这样一来,线路测试回路电阻Rx将决定断路器是否被允许合闸。根据计算结果可知：

Rx>2 .5Ω ,瞬时性故障 ,重合闸成功。

R x <2 .5Ω , 瞬时性故障 , 重合闸不成功。

5.2、重合闸成功

一般是由列车故障等外部原因或接触网短时闪络造成金属性短路所致,多为瞬时性短路故障,且保护类型多为大电流脱扣、DDL-Delta-I。此时供电设备均能够正常运行,应注意观察设备运行状况并对直流开关动作过程进行录波；组织该趟列车下线运营,安排接触网人员对故障区段正线进行登乘巡视,待运营结束后组织相关专业对直流开关本体、接触网、列车做详尽的检查和分析。

5.3、重合闸不能成功

此时故障应为持续性故障。若框架保护动作,应尝试对故障信号进行复归。若复归成功,经电调允许后进行试送电,按照电调要求作进一步处理；若不能复归,则解除故障所对相邻牵引变电所的闭锁条件,退出本所的整流机组,通过越区开关进行大双边供电。若大电流脱扣保护动作,故障点有可能在馈线至上网电缆处,现场人员应听从电调安排进行设备检查。

6、结语

直流牵引供电网的关系比较复杂,其短路故障的原因比较多,不容易找到,应该根据故障的现象、保护动作情况、重合闸情况等等情况进行综合的分析，保证城市交通的顺畅，方便人们的生活。

参考文献：

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