牽引供電系統直流側短路故障分析

張永祥 劉 巖

1.中鐵電氣化局集團有限公司；2.中鐵電氣化局集團有限公司

直流牽引供電系統在城市軌道交通中有著廣泛的應用。當直流牽引網發生短路故障時，短路電流會快速增大，這對系統的正常運行產生影響。因而研究牽引供電系統直流側短路故障，對于地鐵的正常運營具有重要意義。

概述

近年來，我國經濟飛速發展，城市化進程逐步加快。城市軌道交通在節約空間、客運質量、節約能源、空氣質量、景觀質量等方面有顯著的優勢，逐步成為許多城市交通發展的首選。

目前，我國城市軌道交通系統普遍采用DC750V 或DC1500V 供電，直流牽引供電系統是城市軌道交通系統重要組成部分。牽引供電系統直流側易出現短路故障，短路電流過高，對城市軌道交通系統的安全運營造成嚴重的影響。所以就城市軌道交通系統的安全運行而言，研究牽引供電系統直流側短路故障具有十分顯著的現實意義。

直流牽引供電系統

在直流牽引供電系統中，高壓交流電通過牽引變電所變成機車運行所需的低壓直流電。低壓直流電在接觸網上傳輸，機車通過受流器與接觸網接觸而獲得電能。牽引供電系統主要由牽引變電所和接觸網構成。牽引供電系統結構示意圖如圖1 所示。

牽引變電所通過接觸網向機車供電，電流驅動機車運行后經走行軌返回變電站負極。在實際運行中，牽引供電系統直流側易出現短路故障，會對系統運行造成影響。

直流側短路故障分析

城市軌道交通系統中，牽引供電系統直流側短路故障主要有正極對負極短路與正極對地短路兩種類型。正極對負極短路指的是接觸網對走行鋼軌短路，正極對地短路指的是接觸網對地短路。

正極對地短路故障

直流牽引供電系統中，直流供電設備除了采用對地絕緣安裝方式外，在設備金屬外殼與地之間還需設置直流框架泄漏保護。當供電設備的電流泄漏到設備柜體上時，牽引變電所正極與設備柜體外殼發生短路，形成牽引網正極對地短路故障。另外，使用接觸軌（第三軌）饋電方式系統運行中后期，絕緣支座發生絕緣老化等情況，會造成接觸軌與地發生短路故障。此外，對于高架段接觸網，由于這段線路接觸網是露天的，在雷雨天氣，雷擊可能會造成接觸網絕緣部件閃絡放電，造成接觸網與架空地線短路，即正極對地短路。正極對地短路故障示意圖如圖2 所示。

正極對走行軌短路故障

圖1

圖2 正極對地短路故障示意圖

圖3 接觸網對走行軌短路示意圖

圖4 走行軌對地模型

正極對走行軌短路，即饋電接觸網對走行軌短路，主要是由機車故障等外部原因引起的。接觸網對走行軌發生短路故障時，短路電流隨短路故障點離牽引變電所的距離不同，表現出的特性有很大不同。當離牽引變電所較近處發生短路故障時，線路中產生的沖擊電流會很大，且短路電流上升變化率很大；隨著短路故障點離牽引變電所越來越遠，短路電流曲線近似于指數函數曲線，且電流上升變化率較小，電流幅值也較小，這個過程的電流情況一般與多機車同時取流時相似，這就造成實際運行中遠端發生短路故障時難以區分短路電流與機車啟動電流的情況，造成短路故障修復的延時。接觸網對走行軌短路示意圖如圖3所示。

直流側短路故障電流仿真

牽引供電系統直流側發生短路故障時，接觸網上出現的短路電流由該供電區間上的所有牽引變電所提供，其中，短路故障點所在區間的2 個牽引變電所饋給電流最大，其次是離短路故障點所在區間兩側較近的2 個牽引變電所。

牽引供電系統直流側供電模型

搭建模型的過程中，由于短路故障發生是瞬時的，導致電流變化率很大。由于暫態參數的存在，系統中必然會出現一個暫態的過程。根據文獻和文獻選取模型中的基本參數。

走行軌對地模型如圖4 所示。

直流側短路故障電流仿真

在Matlab/Simulink 仿真環境下，搭建牽引供電系統直流側短路故障仿真模型。仿真模型中主要參數設置如下：走行軌單位內阻為30mΩ/km，走行軌單位內電感為1.75mH/km；接觸網單位電阻為28mΩ/km，接觸網單位內電感為2.6mH/km；走行軌對地過渡電阻取3Ω·km，小電阻Rf 取0.001 Ω。

圖5 距A 所500m 處短路故障時，A、B 所饋線電流

圖6 距A 所1km 處短路故障時，A、B 所饋線電流

圖7 距A 所1.5km 處短路故障時，A、B 所饋線電流

當0.1s 時距離變電所A 500m、1000m、1.5km 處發生短路故障時，牽引所A、B 側的短路電流波形如圖5～7所示。

通過搭建模型與仿真，得到直流側短路故障電流波形。根據短路電流波形可知，當供電區間發生短路故障時，線路上會產生很大的暫態電流，短路電流上升變化率很大，短路電流穩態值也很大；隨著短路故障發生點離相鄰變電所越來越遠，短路電流上升變化率隨之減小，短路電流穩態值也逐漸減小。此外，當短路故障點離兩側牽引所的距離相近時，兩側牽引所的電流波形也相近。

總結

本文首先對城市軌道交通牽引供電系統直流側短路故障類型進行分析，在該基礎上，利用Matlab/Simulink 軟件建立了直流側短路故障電流的仿真模型，進而分析了短路故障電流與故障發生點所在位置的關系。