地铁牵引供电系统直流侧短路故障研究

地铁牵引供电系统直流侧短路故障研究

范贤祥

长沙市轨道交通运营有限公司，湖南 长沙 410000

摘要：地铁供电系统,是地铁工程中重要机电设备系统之一,它担负着为地铁列车和各种辅助设备供电的重要任务。供电系统的安全性,关系着乘客安全、运营人员安全、行车安全、设备安全等多个方面。直流系统短路故障分析即是地铁供电系统设备选型及继电保护整定计算的依据,同时也是保证继电保护可靠性、选择性、灵敏性及速动性的基本条件,为地铁供电系统的安全性提供了必不可少的保障,具有重要意义。

关键词：地铁牵引；供电系统；直流侧短路故障

引言

城市轨道交通已经有了100多年的发展历史，如今已经成为大多数城市交通系统的命脉，而保证城市轨道交通直流牵引供电系统的安全可靠运行就成为研究的重点。接触网和第三轨是牵引供电系统的重要组成部分，实际运行中城市轨道交通供电系统绝大多数故障是接触网和第三轨故障，接触网和第三轨一般无备用，一旦发生故障，将导致牵引供电的中断，影响城市轨道交通运营的质量，造成运营损失。因此，如果能够在接触网或者第三轨发生短路故障后，快速地确定故障位置，进而排除故障，就显得尤为重要。

1 轨道交通牵引供电系统结构

典型的轨道交通供电系统一般包括高压供电源系统（城市电网）、牵引供电系统与动力照明供电系统三部分。高压供电源系统采用不同的供电方式经交流母线为牵引供电系统输送高压（35kV）或中压（10kV）三相交流电，牵引供电系统通过牵引变电所将三相交流电转变成适用于轨道车辆的低压直流电（750V或1500V），经馈电线将直流电输送至牵引网（接触网或第三轨），轨道车辆通过受流器（受电弓或受电靴）与接触网的直接接触获得电能，并由走行轨和回流线返回至负极。

2 地铁牵引供电系统直流侧短路故障主要类型

一般而言，电网内引入三十五千伏和十千伏的电压，而轨道交通在实际运行过程中将其降压整流，通过一定方式的转换和运输实现供电，若依据短路方式为故障分类，则大致可分为两种，即金属性短路和非金属性短路，下面将分别对这两类故障进行介绍。

2.1 金属性短路故障

金属性短路是指在为城市轨道交通提供电能的过程中由金属发生直接接触引发的故障，一般分为两种情况，其一是第三轨与走形轨发生直接接触，其二是接触网与走形轨发生直接接触，这两种情况都会导致绝缘支架被击穿并造成短路，通常这类故障的发生是人为所致。另一原因可能发生在维修过程中，工人在维修时将电路断开，但是在维修完成后未将接触网接地线撤销，一旦供电恢复，必然会引发金属性短路，由于维修人员的粗心造成的短路故障须及时进行故障排除，不然可能会造成交通瘫痪或不可估量的经济损失。

2.2 非金属性短路故障

非金属性短路主要是指第三轨与走形轨经过渡电阻短路或者是绝缘泄漏，从而发生非金属性短路故障。比如在雨雪天气环境下，暴露在户外的城市轻轨在雨水或者是积雪作用下被覆盖，间接的成为导体从而与行轨发生短路。另一方面，也可能是在长时间的运行过程中接触网或者是第三轨的出现绝缘老化现象，从而导致电流外放和泄漏，泄漏的电流通过绝缘支座在流向接地扁铜后经由变电所地网，最终回流至变电所负极，从而引发非金属性短路故障。同金属性故障相比，非金属性故障下产生的短路电流相对较小，所以造成了其短路现象不容易被察觉。但是随着运行时间的不断加长，可能会产生接触电压或者是跨步电压，严重情况下还会出现电弧，从而使短路故障进一步扩大，给城市交通轨道电力系统的稳定运行以及人身安全都带来了较为严重的影响。

3 直流侧短路故障分析

3.1 直流牵引供电系统

牵引变电所将高压交流电变为列车运行时所需的低压直流电，通过接触网上的传输，为列车提供电能。牵引供电系统主要由牵引变电所和接触网构成。牵引变电所的电流对列车运行提供电能，而列车在轨道上运行又将电流返回变电站负极。实际工作中，牵引供电系统直流侧易出现短路故障，对列车系统的运行造成影响。

3.2 正极对地短路故障

在直流供电系统中，其设备除了需要采取地绝缘安装方式外，在设备的外壳与地之间还需要设置直流框架泄漏保护。当电流泄漏到设备柜体上时，变电所正极与设备柜体外壳发生短路，形成牵引网正极对地短路故障。另外第三轨馈电方式系统运行中后期，绝缘支座发生绝缘老化等情况，均会造成接触轨与地发生短路故障。此外，对于高架段接触网，由于这段线路接触网是露天的，在雷雨天气，雷击可能会造成接触网绝缘部件闪络放电，造成接触网与架空地线短路，即正极对地短路。

3.3 直流侧短路故障分析

在地铁供电系统中，供电系统直流侧短路故障有正极对地短路与正极对负极短路两种类型，所谓的正极对地短路是指接触网对地短路，而正极对负极短路是指出接触网对走行钢轨短路。

3.4 正极对走行轨短路故障

正极对走行轨短路主要是由列车故障等外部原因引起的。短路电流随着短路电流随短路故障点离牵引变电所的距离不同，表现出的特性有很大不同。当离牵引变电所较近处发生短路故障时，线路中产生的冲击电流会很大，且短路电流上升变化率很大；随着短路故障点离牵引变电所越来越远，短路电流曲线近似于指数函数曲线，且电流上升变化率较小，电流幅值也较小，这个过程的电流情况一般与多机车同时取流时相似，这就造成短路故障修复的延时。

3.5 直流侧短路故障电流仿真

牵引供电系统直流侧发生短路故障时，接触网上出现的短路电流由该供电区间上的所有牵引变电所提供，其中，短路故障点所在区间的2个牵引变电所馈给电流最大，其次是离短路故障点所在区间两侧较近的2个牵引变电所。

4地铁牵引供电直流侧的短路故障的检查

4.1 行波法的应用

就行波法来说，这是城市地铁交通在直流输电系统当中非常多见的一种方法，该方法运用的原理是，在行波传输理论的前提下，对故障进行定位，利用对不同故障行波到达的测量装置速度和时间差进行分析，进而计算故障的具体位置。这在故障定位的过程中具有非常多的优点，并且广泛地应用在直流输电的系统故障定位中，然而在城市地铁交通直流供电系统当中进行应用时，对于测量设备和通讯设备的要求非常高，设备投资也非常大。

4.2 阻抗法的应用

对于城市地铁交通的供电直流侧的短路故障来说，其定位方法当中的阻抗法还可以被划分成单端量阻抗法与双端量阻抗的方法。就前者来说，其对于供电直流的侧短路故障进行定位时所遵循的工作原理是非常简单的，同时，成本比较低。然而在具体的运行过程中运用该方法进行定位没有确保精度，究其原因，主要是因为定位中很容易遭受对侧系统电阻所带来的影响。运用这一方法的时候，能够选择微分方程的工频法和一元二次的方程法与迭代法以及电压法等，达到对过渡电阻进行消除的目的，对对侧系统中单端量的抗阻法故障进行消除。对于双端量的阻抗法来说，其对于故障定位的测量是现阶段城市地铁运输过程中供电直流侧发生短路故障定位中非常重要的一种技术方法，该方法利用对两端电压的流量推算，在故障点的电压相等前提下获得故障位置的信息，该方法具有现代通信信息技术，同时，还具备高精度的互感器与故障录波的装置等多种现代化的技术作为支撑，对故障定位进行实现。

结语

综上所述，地铁已经成为城市人们交通的主要方式，直流牵引的供电系统中的联锁关系非常复杂，同时，发生的短路故障点非常多，且不容易查找，因此，需要按照故障现象和保护动作实施的情况与重合闸的情况对其进行全面研究。地铁供电系统的维保人员需要在日常工作的开展过程中对设备进行巡视，并对作业标准进行强化，进而杜绝该系统的短路事故，与此同时，促进自身故障处理能力的提升，对地铁运行的安全性有很大的保障作用。

参考文献：

[1] 柴段鲲.城市轨道交通直流供电系统故障建模与保护仿真系统开发[D].北京交通大学，2019.

[2] 宋晓明.城市轨道交通牵引供电系统故障定位研究[D].北京交通大学，2018.