试论城市轨道交通牵引供电系统故障定位的分析

李玉坚

【摘要】本文主要分析了城市轨道交通牵引供电系统，重点介绍了牵引供电系统故障定位方法，其不仅可以实现对系统故障的及时、准确定位，而且还可以采取有效措施给予解决，进而确保牵引供电系统的正常运行。通过对牵引供电系统故障定位方法进行研究，以期为城市轨道交通的安全运行提供可靠保障，创造出最大化的经济与社会效益。

【关键词】城市轨道交通;牵引供电系统;故障定位

1.牵引供电系统组成及特点

牵引供电系统是城市轨道交通中比较重要的组成部分，其能够将电能传输至列车中，并在此之后传输至牵引变电所负极中。一般情况下，牵引供电需要通过第三轨/接触网、馈电线等设施将电能传输至城市轨道交通列车中，并通过回流线以及钢轨传输至牵引变电所负极。通常情况下，牵引变电系统范围不仅包括电气设备，还同时包括上一级电源进线至牵引网之间所涉及的所有电器线路。为了降低杂散电流进入地铁设备、主体结构及相关设施，则应当绝缘安装直流供电系统。

一般而言，牵引网与牵引变电所两部分共同构成牵引供电系统，在牵引供电系统工作中，两者可以实现相互协调、统一调度，进而有效提高牵引供电系统运行效率。图1描述的是牵引供电系统典型结构示意图。

通过对图1进行分析，其各部分功能特点如下：（1）牵引变电所。其主要负责将电能传输至城市轨道交通列车中，并提供电气装置与设施变换分配所需要的电力能源。其功能电力系统三相交流电在降压与整流后传输给电力机车使用;（2）接触网。在牵引供电系统中，接触网一般要求沿线路进行敷设，主要用于为电动车辆提供所需电源的一类设备，从结构形式层面可以划分为架空接触网和第三轨两种类型。对于城市轨道交通而言，1500V电压级一般会选择架空接触网形式，而750V电压级一般会选择第三轨;（3）馈电线。馈电线一般为连接接触网与牵引变电所的导线，其能够将牵引变电所电能依照标准要求转化为牵引制式电能，并将转化后电能传输至接触网;（4）电分段。为了缩小事故范围和便于检修，电分段可以结合实际情况将接触网分为若干段，能够将其根据位置不同分为横向与纵向两种电分段，电分段通常情况下需要依靠分段绝缘器进行和实现。当前环氧树脂分段绝缘器在牵引供电系统中得到了广泛应用，其结构主要是由铝合金导流滑板、环氧树脂绝缘板等组合而成;（5）回流线。回流线是连接轨道与牵引变电所负极的导线，回流线能够将轨道中回路电流传输至牵引变电所中;（6）轨道。在非电牵引情形下，轨道一般仅为列车导轨。而在电力牵引情况下，轨道不仅拥有导轨功能，而且还可以确保回流任务的顺利完成。

2.城市轨道交通牵引供电系统故障定位方法

一般而言，城市轨道交通位于地下较封闭环境中，实际运行工作条件较为恶劣，在轨道交通运量与效率不断提高的背景下，其故障发生率增大，不利于永久性故障快速恢复。继电保护技术的不断发展能够有效缩短直流线路故障排查与切除时间，减少线路损伤情况与影响，但同时也会增加无明显破坏痕迹故障点的检查难度，因此必须要根据城市轨道交通牵引供电系统工作运行状态科学选择故障定位方法，提高故障定位准确度，进而使其得到及时、有效的处理。下面将会对牵引供电系统故障定位方法给予介绍。

2.1故障分析法

通常情况下，交流输电线路和直流输电线路在本质上具有相同物理性质，其差异在于能量集中频带不同，因此，在交流线路中所常用的故障定位原理也能应用于直流输电线路故障定位分析工作中。就目前而言，交流输电线路故障定位方法比较多，但是直流输电线路故障定位方法却相对比较单一，最常用的便是行波定位原理。在故障分析工作中，直流输电线路能够借鉴交流线路故障分析与定位方法，从而提高故障定位准确性。在交流系统中，按照测量数据来源可以将故障分析法分为双端法和单端法;按照电气量形式可以分为时域法和频域法;依照输电线路模型不同则可以分为分布参数模型与集中参数模型两种模型类型。然而，在故障特征方面，直流线路与交流线路存在一定的差异，其故障定位区别如下：（1）直流线路主要传输低频能量，在线路故障问题发生后往往难以获取稳定工频量，在此情况下，应当选择时域法;（2）高压直流输电线路通常传输距离较长，线路分布参数特性明显，此时可以借助分布参数模型来确保故障定位的精确性。牵引供电系统站间距通常在一千米至四千米之间，电压等级相对较低，通常为DC750V/1500V，因此牵引供电系统直流侧故障定位可以选择基于集中参数模型下的时域分析法。

2.2行波法

行波法主要是基于行波理论基础上发展起来的故障定位方法。在城市轨道交通运行过程中，当牵引供电系统出现故障时，故障点区域将会产生暂态电流行波和電压行波，同时这两种行波会逐渐传播至短路点两侧范围区域，在此情况下能够检测行波波头到达两侧区域时刻，从而依照检测所得实践确定行波波速，并根据行波波速准确判定短路点位置。当前采用行波故障定位方法对牵引供电系统故障进行定位已经愈发普及应用于直流供电线路中。现阶段，在牵引供电系统运行过程中，直流输电线故障定位装置一般采用行波原理。相较于交流线路行波故障定位，直流输电线路行波故障定位具有以下优势：（1）直流电压不涉及周期过零现象，能够避免受到故障初相角问题影响，且具有丰富暂态行波能量，能够准确识别波头位置;（2）直流系统母线出线少，母线结构变化小，无需对各母线的反射波与投射波和故障点传播的行波进行区分，这样就使得其不会遭受其他线路的影响。

在牵引供电系统故障定位过程中，行波法的可行性分析如下：（1）由输电线路上电压、电流突然变化原因而产生的行波，其与输电线路直流交流状态无关，在输电线路故障状态下，行波不可忽略;（2）在波阻抗不连续位置，行波会出现反射和折射现象，这样就增加了单端行波测距难度。电力系统母线分支较多，结构比较复杂，线路供电距离较长，且接触网结构复杂，锚段关节、线翁、分段绝缘器等波阻抗存在多个位置不连续情况，无法实现对干扰信号与故障行波的有效区分。而牵引供电系统出线少，母线结构简单，且各个供电区两侧牵引变电所均存在整流器和整流变压器，具有较大的波阻抗，如果区间内出现故障时，其所产生的行波会往复反射于相邻牵引变电所之间;（3）基于线路故障下，出现的行波信号具有比较多的故障信息，此时可以借助互感器来对其一次电压、电流行波进行测量。电流行波信号的有效传输能够借助普通电流互感器实现，从而使得行波测距装置能够与普通的电流互感器直接连接。在牵引变电所中，行波定位装置能够实现有效保护直流馈线;（4）从工程应用角度进行分析发现，在单端故障定位过程中，只需将故障检测装置安装在线路一端，无需进行设备与双端数据通信设备的同步对时，实时性与经济性较强。因此，单端定位原理成为人们不断研究的重点。单端法虽然具有比较精准的定位效果，但是极易受折反射波的干扰，此时可以与故障分析法相结合，进而提高故障定位准确率;（5）对于交流系统故障定位而言，其交流电压具备周期过零点，若故障遭遇电压相角偏小或过零点情况时，行波信号会逐渐微弱，从而导致和诱发定位误判或失败现象。而在城市轨道交通中，其牵引供电系统制式为直流1500V或750V，不存在交流电压相角及周期过零问题，从而使行波电流和电压较易获取。

3.结束语

综上所述，在城市轨道交通运行过程中，牵引供电系统故障不可避免，此时就需要结合实际情况对其故障定位方法进行合理选择，对发现的故障问题给予有效处理，进而提高牵引供电系统运行效率，促进城市轨道交通的快速发展。

参考文献：

[1]赵春波.城市轨道交通DC1500V牵引供电系统短路故障研究[J].中国高新科技，2019（11）：108-110.

[2]袁国利，张欣.城市轨道交通牵引供电系统故障定位研究[J].建筑工程技术与设计，2019（19）：4837.