分析城市軌道交通供電直流側短路故障定位

王志純 張益賀

沈陽渾南現代有軌電車運營有限公司

分析城市軌道交通供電直流側短路故障定位

王志純 張益賀

沈陽渾南現代有軌電車運營有限公司

在城市軌道交通運輸中，通過將電網中引入的35kV以及10kV中壓交流點降壓整流后，在直流饋線基礎上實現了電能向接觸網和第三軌的傳輸，從而為城市軌道交通機車提供了使用電能，其直流側短路電流會對設備造成較大的危害，如何快速有效的對故障位置進行確定并排除。本文對城市軌道交通供電直流側短路故障

軌道交通；供電方式；短路電流；故障位置

引言：

城市軌道交通在近百年的發展過程中，已經成為了當前大多數城市交通系統的命脈，在當前的軌道交通運行過程中，如何保證其供電系統的安全穩定性成為了重點研究的話題。本文在對城市軌道交通直流側故障類型分析的基礎上，對當前城市軌道交通供電直流側短路故障定位的幾種主要方法進行論述，并詳細分析了基于貝瑞隆模型的時域故障定位方案的原理及實現。

一、城市軌道交通供電直流側短路故障定位的幾種方法

當前階段，城市軌道交通運輸中供電直流側短路故障定位所采用的方法主要有阻抗法以及行波法兩大類：

1 阻抗法

城市軌道交通供電直流側短路故障定位方法中的阻抗法又可以分為單端量阻抗法和雙端量阻抗法兩種：(1)單端量阻抗法。該種供電直流側短路故障定位方法的工作原理相對較為簡單且易于實現，并且具有著裝置成本優廉的特點。但是其在實際運行過程中的故障定位精度較差，主要原因是在定位過程中容易受到對側系統過渡電阻的影響。(2)雙端量阻抗法。該種故障定位測量方法是當前城市軌道運輸供電直流側短路故障定位中被廣泛運用的技術方法，其主要是通過對兩端電壓流量的推算，并在故障點電壓相等的基礎上實現故障位置信息的獲取，其憑借著對現代通信技術和高精度互感器以及故障錄波裝置等現代技術和設備的支撐，實現了強大的故障定位功能。

2 行波法

行波法是城市軌道交通直流輸電系統中較為常用的一種方法，主要是在行波傳輸的理論基礎上達到實現故障定位的目的，通過對不同的故障行波到達測量裝置的速度以及時間差等，對故障位置進行計算。

二、基于貝瑞隆模型的時域故障定位原理和實現

1 基本原理分析

對于城市軌道交通來說，其供電直流側發生短路故障后，導致了保護裝置動作，在該故障造成的過程中，其進行故障定位時能夠采用的主要數據為在保護動作發生前饋線保護裝置所記錄的電流和電壓信息，不利于故障定位的實現。不論是對于以上單端測距還是雙端測距方法來說，其都是以電壓以及電流的基波相量為基礎的，但是在當前故障發生和切除時間越來越短的情況下，大多數基波相量數據是無法進行準確提取的。

對于基于分布參數模型的輸電線路時域故障定位方案來說，其可以通過對跳閘前原始數據的采用，不需要進行相應的濾波處理，直接性的在時域對故障距離進行測算，其與直流輸電線路本質上不存在較大的區別，僅僅是兩者能量集中頻域不同，所以該方案模型能夠有效實現對城市軌道交通主流側輸電線路短路故障的定位。

2 定位實現

在城市軌道交通采用單邊供電系統時，在線路內部無故障情況下，其所獲得的電壓理論狀態下應是成線性均勻變化的，對于直流供電系統下的線路電壓來說，其主要是呈現線性下降的趨勢。如果其供電直流側發生短路故障，那么故障點處的貝瑞隆模型勢必會遭到破壞，對應點的電壓為0，但是故障點處和電源端之間仍然是呈現均勻性分布的，符合貝瑞隆模型。在該種情況下，通過貝瑞隆模型對故障線路的電壓采用一定的步長進行分析計算，則可以得到電壓最小的一點，通過其與電源點距離的測定，最終完成故障定位。

三、直流系統發生 短路故障案例

地鐵運營時段，列車運行至某接觸網供電區間，因受電弓上方遺留的金屬工具在列車行駛過程中與接觸網、車體碰撞發生短路，造成直流開關大電流脫扣及DDL Delta I保護動作而跳閘，中斷地鐵運營5 min以上，故障時兩端短路電流分別達到12925 A、13657 A(大電流脫扣保護定值為8000 A)。

(一)保護配置原則

直流系統的多數保護都是為了切除正極對負極短路故障，一般為大電流脫扣、L-Delta-I保護，框架保護則是為了切除正極對地短路故障。 大電流脫扣保護，用以快速切除金屬性近端短路故障，通過斷路器內設置的脫扣器實現。一旦檢測到瞬時短路電流超過保護定值，磁場產生的作用力將使斷路器動、靜觸頭迅速脫扣，使斷路器跳閘，起到保護作用，其固有動作時間僅幾毫秒，往往先于電流上升率及電流增量保護動作。 di/dt和ΔI保護， 兩種保護相互配合使用，簡稱DDL-Delta-I，應用于中、遠端短路故障保護，既能切除近端短路電流，也能切除大電流脫扣保護不能切除的故障電流較小的遠端短路故障，誰較早激活就由誰先出口跳閘。

(二)直流系統短路故障原因

牽引電流經直流饋線開關、饋線電纜、上網隔離開關輸送到接觸網上，再經列車、鋼軌、回流線回到負極，形成一個有效的閉合回路。造成直流牽引供電系統短路故障的原因總體來說歸納為以下兩大類。

一是正極對負極短路故障。多數是由于架空接觸網對鋼軌短路所引起的，如接觸網斷線掉落到鋼軌上、機車頂部對接觸網放電、錯誤掛接地線等，造成直流正極對負極瞬時短路，短路電流可達幾萬安，導致直流開關大電流脫口保護瞬間動作，DDL-Delta-I相繼啟動。

二是正極對大地短路故障。設備本體：老鼠、蜈蚣等小動物爬入帶電回路；小金屬線頭、未使用的螺絲、墊圈等零件，掉落在帶電回路上，造成直流正極與框架短路，引起框架保護動作。線路：可能是接觸網、饋線或變電所饋線電纜接地；絕緣子擊穿、折斷；隔離開關處于接地狀態、引線脫落；接觸網對架空地線放電；機車主回路接地等。正極接地故障多為持續性短路故障，如不及時清除，容易將故障擴大為直流正極通過綜合接地裝置、鋼軌與地之間的泄露電阻到負極的短路事故，對多處直流設備將造成嚴重燒損，破壞性及危害更大。

結語：

本文在對城市軌道交通直流側故障類型分析的基礎上，對當前城市軌道交通供電直流側短路故障定位的幾種主要方法進行論述。并列舉了直流系統發生短路故障案例。

[1]李煒.基于多折線外特性模型的直流牽引供電系統穩態短路計算[J].機車電傳動，2015(01)：61-64.

[2]張勛.直流牽引供電系統短路故障分析[J].電氣技術，2015(11)：01-04.

[3]王乃永.城市軌道交通直流牽引供電網短路故障分析[J].大功率變流技術，2015(03)：24-27.