一種城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)短路試驗的解決方案

陳 剛，于紀利

(1.武漢鐵路職業(yè)技術學院，武漢 430205;2.中鐵電氣化局集團有限公司，北京 100036)

牽引供電系統(tǒng)短路試驗的目的是為了檢驗電氣設備的穩(wěn)定性、校驗牽引供電系統(tǒng)繼電保護整定值的準確性及牽引供電系統(tǒng)運行的可靠性。短路試驗時在供電臂的遠點、近點各取一處短路點，用接地線將接觸網(wǎng)和回流軌短接，在牽引變電所的直流開關柜上讀取和采集故障電流、電壓及波形數(shù)據(jù)，將收集到的數(shù)據(jù)與設計的整定值比較，作為定值整定的依據(jù)。短路試驗的成功取決于有一個全面且操作性強的試驗方案，短路連接方式應安全可靠，保護動作正確，不損壞任何設備。結(jié)合重慶市軌道交通3號線一期工程給出了牽引供電系統(tǒng)短路試驗的一種解決方案，并進行了實際驗證。

1 試驗準備工作

1.1 相關設備的準備

重慶市軌道交通3號線一期工程供電系統(tǒng)共設2個110 kV/35 kV主變電所、8個35 kV/1500 V(DC)牽引降壓混合變電所、13個35/0.4 kV降壓變電所，其中一個為跟隨式降壓變電所，為全線提供車輛和站場電源。

(1)試驗開始前，牛角沱、紅旗河溝、唐家院子、龍頭寺牽引混合變電所整流機組在停用狀態(tài)，所有直流快速開關、上網(wǎng)隔離開關以及越區(qū)隔離開關均在停用狀態(tài)，接地漏電保護裝置64D及再生能量吸收裝置在停用狀態(tài)。

(2)取消試驗直流快速開關的重合閘功能和線路檢測功能。

(3)調(diào)整試驗直流快速開關放大器的最大電流系數(shù)，使保護錄取故障電流的最大值達到40 kA。

(4)在進行變電所近端短路試驗時，試驗斷路器的電流上升率保護可能會先于大電流脫扣保護動作跳閘，此時為校驗大電流脫扣保護的靈敏性，須事先關掉電流上升率保護。

1.2 分合閘控制接線

(1)如圖1所示，使用繼電保護測試儀在試驗的直流快速開關分、合閘回路中，分別串接入一個可控的干節(jié)點，用來模擬快開的分合閘操作;測試儀置于安全位置，以備如果快速開關拒動時，在設備所能承受的短路電流時間范圍內(nèi)分閘，達到保護設備的目的;在繼電保護測試儀上設置合閘、合閘保持、分閘時間。

(2)在其合閘電保持回路中，串入柜外一個空氣開關，開關保持閉合，如圖2所示。當直流開關拒動或分閘失敗時，試驗人員須在第一時間分斷該空開，使得開關的合閘電保持回路失電而達到緊急分閘的目的。

圖1 斷路器分合閘接線示意

圖2 緊急分閘接線示意

1.3 其他準備工作

35 kV開關柜保護波形檢測準備完畢;保安、試驗等工作人員已就位;施工單位人員、廠家對試驗相關設備及準備工作進行最終簽字確認;試驗區(qū)間全線已封鎖，線路無試驗之外的其他人員逗留或施工作業(yè)。

2 短接點的設置

根據(jù)《地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范》(GB 50299—1999)以及一期接觸網(wǎng)供電區(qū)間實際情況，本次試驗地點為牛角沱牽引降壓混合變電所和唐家院子牽引降壓混合變電所，近端、遠端短路試驗均選擇牛角沱至唐家院子上行區(qū)間K10+202處為短路點，近端、遠端試驗的選擇通過變電所和開關的切換來完成。近端試驗在牛角沱變電所內(nèi)，試驗開關為牛角沱214;遠端試驗在唐家院子變電所內(nèi)，合上紅旗河溝牽引所越區(qū)隔離開關3222，試驗開關唐家院子212。短路點選擇示意如圖3所示，正負極之間短接的短接點設置在饋線上網(wǎng)處30 m范圍內(nèi)，正、負極匯流排通過短接固定夾具用2根150 mm2直流電纜進行短接。

圖3 短路點選擇示意

3 供變電回路短路電流計算

短接點設置和連接好后，斷開相應供電臂的電源，將供電電纜與正極柜斷開，回流電纜與負極柜斷開，利用橋式法分別測試近點接地回路與遠點接地回路的直流電阻，按實測值計算出短路電流值，并與理論計算值進行比較，按設計提供的保護定值進行修改及核對。

3.1 近端短路電流計算

合上牛角沱站3214刀閘，在牛角沱站214開關柜斷路器下樁頭與負極隔離刀2214下口測量到近端短路回路電阻4.547 mΩ。設計方提供的短路試驗牛角沱變電所回路等效直流電阻暫態(tài)值為28.135 8 mΩ、穩(wěn)態(tài)值為47.021 7 mΩ，由此計算出近端短路時暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)短路電流為

設計方提供的短路計算書上該回路的短路電流暫態(tài)值為51.76 kA，穩(wěn)態(tài)值為 32.48 kA。

3.2 遠端短路電流計算

合上唐家院子站3212刀閘、紅旗河溝站越區(qū)隔離開關3222刀閘，在唐家院子站212開關柜斷路器下樁頭與負極隔離刀2212下口測量到遠端短路回路電阻228.6 mΩ。設計方提供的短路試驗紅旗河溝變電所回路等效直流電阻暫態(tài)值為26.7627 mΩ，穩(wěn)態(tài)值為44.6733 mΩ，由此計算出遠端短路時暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)短路電流為

設計方提供的短路計算書上該回路的短路電流暫態(tài)值為 6.65 kA，穩(wěn)態(tài)值為 6.1 kA。

結(jié)果表明，本實驗方案中的近端和遠端實測短路計算電流數(shù)據(jù)與短路計算書上的設計值相近，符合設計要求，滿足試驗條件。

4 試驗數(shù)據(jù)采集

(1)試驗數(shù)據(jù)采集接線電路如圖4所示，其中SEPCOS為直流保護與控制裝置。接線前，應將整流機組置于停用檢修位置，并在變壓器高壓側(cè)用接地棒可靠接地，才能進行試驗操作;試驗前，需對分流器及緩沖放大器進行校驗，記錄其誤差范圍;直流開關采用后臺直接合閘方式，取消自動重合功能和線路檢測功能;若試驗開關未跳閘，應立即進行緊急分閘操作以保護設備。

圖4 試驗數(shù)據(jù)采集接線電路示意

(2)開關故障跳閘，將開關控制方式打到手動位后，由試驗員查看SEPCOS直流保護與控制系統(tǒng)故障報警信息，確認并做好記錄;讀取并保存保護裝置采集的波形圖。

(3)35 kV斷路器故障錄波由南瑞廠家使用筆記本電腦將錄入的電流波形圖截取并保存。

(4)在主變電所內(nèi)安排技術員對35 kV出線開關各參數(shù)進行觀察并記錄，并向臨時調(diào)度組匯報實時情況。

5 試驗數(shù)據(jù)的分析及確認

5.1 近端(牛角沱)短路試驗

(1)直流1 500 V采樣波形圖分析

近端(牛角沱)短路試驗時，由SEPCOS采集的直流1 500 V采樣波形圖(圖5)和報警記錄得到的相關數(shù)據(jù)見表1。

圖5 牛角沱214近端短路1 500 V采樣波形

表1 近端短路試驗記錄的相關數(shù)據(jù)

圖5所示的波形圖和相關數(shù)據(jù)分析表明，在試驗斷路器合閘瞬間，短路電流產(chǎn)生并在極短時間內(nèi)(約10 ms)增大超過9 000 A，大電流脫扣保護和電流速斷保護在跳閘未完成時先后啟動，延時約10 ms時間斷路器跳閘，跳閘時記錄的電流值為9 579 A;SEPCOS報大電流脫扣保護動作須判斷無其他保護動作且斷路器為分位，由于電流速斷保護的迅速激活啟動，SEPCOS未能顯示大電流脫扣保護動作，只是報了電流速斷保護動作。從SEPCOS的事件記錄可得，短路電流從0 A至峰值時所經(jīng)歷的時間約為20 ms，電流從最大值下降至0 A所經(jīng)歷的時間約20 ms。

(2)35 kV整流機組保護波形分析

由于試驗斷路器在極短時間內(nèi)跳閘，斷口拉弧，所以35 kV整流機組保護波形圖(圖6)由一段迅速上升曲線和一段急速下降至零的曲線組成;且A、B、C相電流大致相同，零序電流為零。短路電流從0 A至峰值時所經(jīng)歷的時間約為20 ms，電流從最大值下降至0 A所經(jīng)歷的時間約20 ms，與直流波形圖相符。

圖6 牛角沱35 kV開關柜整流機組保護波形

5.2 遠端(唐家院子)短路試驗

(1)直流1 500 V采樣波形圖分析

遠端(唐家院子)短路試驗時，由SEPCOS采集的直流1500V采樣波形圖(圖7)和報警記錄得到的相關數(shù)據(jù)見表2。

圖7 唐家院子212遠端短路1 500 V采樣波形

表2 遠端短路試驗記錄的相關數(shù)據(jù)

電流波形圖由一段上升曲線和一段急速下降至零的曲線組成;當試驗斷路器合閘后，短路電流開始增大，由保護事件記錄可知電流上升率大于DDL保護整定值E，60 ms后DDL保護動作，斷路器跳閘，此時SEPCOS記錄跳閘時的電流為4 327 A，此電流值不足以啟動速斷和過流保護;由于跳閘時斷路器觸頭不可能立刻完全分離，從而產(chǎn)生電弧，使得短路電流繼續(xù)增大至6 059 A，歷時約40 ms后電弧完全消失，短路電流降為0 A。短路電流由0 A至峰值所經(jīng)歷的時間約為220 ms，由峰值到0 A所經(jīng)歷的時間約40 ms。

(2)35 kV整流機組保護波形分析

35 kV整流機組保護波形圖(圖8)也由一段緩慢上升曲線和一段急速下降至零的曲線組成;且A、B、C相電流大致相同，零序電流為零。短路電流從0 A至峰值時所經(jīng)歷的時間約為220 ms，電流從最大值下降至0 A所經(jīng)歷的時間約40 ms，與直流波形圖相符。

圖8 唐家院子35 kV開關柜整流機組保波形

6 試驗結(jié)果分析

從試驗結(jié)果來看，此次短路試驗驗證了該供電系統(tǒng)的可靠性、保護裝置整定值的準確性和承受短路的能力，短路連接方式安全可靠，保護動作正確，同時未損壞任何設備，試驗取得圓滿成功。雖然達到了預期目的，有成功的經(jīng)驗，但也存在一些不足。

(1)近端短路試驗時，外接示波器未能錄到短路試驗波形;由于錄波觸發(fā)時間沒有和實際波形出現(xiàn)時間匹配，使得波形溢出;可根據(jù)此次短路試驗經(jīng)驗，調(diào)整示波器錄波觸發(fā)及記錄時間。

(2)由圖7和圖8所示的近端和遠端短路試驗采集到的35 kV開關柜整流機組保護的波形圖，可以明顯的看出短路試驗35 kV交流側(cè)電流的變化情況，可以幫助對直流電流變化的分析，作為判斷直流斷路器動作情況的依據(jù)。

(3)近端短路試驗時，為了校驗大電流脫扣保護的可靠性，應將除了大電流脫扣保護以外的其他保護都關閉。

7 結(jié)語

本次短路試驗從方案準備、實施以及數(shù)據(jù)采集與處理都比較成功，達到了預期效果，對建立完善的短路試驗技術方案和測量方法有一定參考價值。短路試驗的成功必須有一個全面且操作性強的試驗方案，短路試驗方案的編制和優(yōu)化，需要在現(xiàn)場通過不斷的摸索和嘗試;正式短路試驗開始前，應進行短路試驗預演，確保指揮系統(tǒng)正常、試驗程序正確、數(shù)據(jù)采集正常。

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