南寧地鐵 1 號線直流牽引供電系統短路試驗方案研究

李 軍，韋庭三，黃 俊

（南寧軌道交通集團有限責任公司，廣西南寧 530029）

0 引言

目前，新建成的城市軌道交通線路中絕大部分都是采用直流 1 500 V 作為牽引動力電源。直流牽引供電系統短路試驗是必須完成的試驗項目，其目的是通過試驗獲取必要的參數，以便對直流饋線保護裝置的保護參數進行正確整定，確保故障短路時斷路器能可靠跳閘。同時可以校驗正常運營條件下（如列車起動、地鐵乘客最大密度時）線路的實際參數與設計參數的匹配程度。

1 直流保護的基本原理

直流牽引供電系統發生接觸網短路時，短路電流很大，為此，設置了高性能的保護設備。南寧地鐵 1 號線直流斷路器的保護由開關本體的大電流脫扣保護和直流保護裝置 SEPCOS 組成。

大電流脫扣保護是直流斷路器的主保護，與交流保護中的速斷保護類似，用以快速切除金屬性近端短路故障。這種保護是直流斷路器內設置的固有保護，沒有延時性，它通過斷路器內設置的脫扣器實現。當通過斷路器的電流超過整定值時，脫扣器馬上動作，使斷路器跳閘。

保護裝置 SEPCOS 是后備保護，用于保護中長距離的線路故障，主要通過檢測電流的變化率（di /dt）來反映線路是否有故障。當電流的變化率達到設定動作值時，保護裝置動作，使直流斷路器跳閘。

如果保護整定值設置不恰當，就會出現保護拒動或者誤動的情況，造成設備損壞和較大的社會影響，故在城市軌道交通中需通過短路試驗來校驗牽引供電系統保護裝置的功能完備性，獲取現場數據，供設計校驗各設備的保護參數配置，保證在牽引供電系統發生短路故障時，供電設備能及時迅速地切除故障部分，確保人員設備的安全。

通過抽樣試驗，檢驗直流牽引供電系統中各設備短路耐受能力和可靠性是否符合合同和相關規范技術要求。

2 試驗方法與注意事項

2.1 試驗方法

2.1.1 試驗點選擇

短路點的選擇應根據理論產生最大短路電流及最小短路電流的地點進行選取。選取最近容易發生短路故障的地點進行短路，該點短路電流理論為最大，可以檢驗大電流脫扣保護是否正確動作；選取最遠端容易發生短路故障的地點進行短路，該點短路電流理論為最小，可以檢驗電流速斷保護、過電流保護、電流變化率保護（di /dt）以及電流增量保護（ΔI）是否正確動作。不論選擇何種短路方式，其控制、保護、信號設置均需按單邊供電投入，在接觸網線路發生短路時進行試驗的變電所內的開關應可靠分斷、信號顯示正確且設備無異常。

2.1.2 試驗接線

結合南寧地鐵 1 號線直流牽引供電系統工程實際情況，短路試驗地點選擇在南湖站—萬象城站左、右線，具體選取如下。

（1）南湖站 214 饋線近端短路測試。接觸網短接點（近端）在南湖站—萬象城站區間（右線）靠近南湖站車站側，如圖1所示。

（2）萬象城站 211 饋線短路測試（遠端短路）。接觸網短接點（遠端）在南湖站—萬象城站區間（左線）靠近南湖站車站側，如圖2所示。

圖1 供電近端短路試驗示意圖（連接鋼軌）

圖2 供電遠端短路試驗示意圖（連接架空地線）

2.1.3 數據采集

短路試驗數據的采集需使用直流保護裝置 SEPCOS自帶的故障錄波功能以及外接示波器進行記錄，接線如圖3所示。

直流開關分流器正、負極分別與測量放大器輸入端口正、負極相連，測量放大器輸出端正、負極分別與直流保護裝置 SEPCOS 輸入端子以及示波器探頭正、負端相連。連接示波器與放大器的接線需采用帶屏蔽層信號線，以減少干擾。示波器采樣時間調整為“格/1 s”，試驗結束后將示波器采集數據及波形保存，并使用專用電腦連接保護裝置，調出錄波數據。

圖3 短路試驗測試數據采集接線示意圖

2.1.4 試驗步驟

短路試驗步驟：①相關區間接觸網按試驗要求停電；②在選取地點按圖1、圖2的連接方式進行連接；③連接完成后，利用直流開關保護裝置的線路測試功能測試短路回路的完整性；④檢查站內整流機組斷路器、直流開關保護整定值是否與設計整定相符；⑤試驗前，先進行保護裝置模擬跳閘試驗，確保裝置可靠動作；⑥按圖3接好數據采集示波器，啟動示波器錄波按鈕后立即合上被測試開關；⑦從示波器及保護裝置讀取短路電流及電壓數值、波形及電弧分斷時間，將收集的數據與設計整定值比較；⑧短路試驗結束，檢查直流開關本體及觸頭是否燒傷及存有殘留物；⑨撤除試驗區段短路點的輔助導線及臨時接地線，檢查接觸網匯流排、架空地線、鋼軌的短路連接點處是否有燒傷、損壞。

2.2 注意事項

（1）短路試驗開始前，先進行模擬短路試驗，在設備不帶電的情況下，使用微機繼電保護測試儀和直流毫伏發生器分別對 35 kV 氣體絕緣開關設備（GIS）、整流器柜以及直流開關發送跳閘信號，確保裝置可靠動作后，再正式進行短路試驗。

（2）為確保參與試驗人員的人身安全，短路試驗前應將被試開關本體的合閘按鈕臨時引出，遠離直流開關室的控制室，試驗過程中嚴禁在直流開關本體上進行分合閘操作。

（3）近端短路試驗前，應將數據采集回路的放大器量程調至最大或臨時更換更大量程的放大器（≥35 000 A），以防檢測波形因短路電流超放大器量程出現“削頂”。

（4）短路試驗對開關主觸頭壽命損傷很大，屬于破壞性試驗，應盡量減少試驗的次數。

3 試驗數據搜集及分析評估

直流短路試驗是破壞性試驗。南寧地鐵 1 號線的直流牽引供電系統短路試驗分別按接觸網近端短路、遠端短路各進行 1 次試驗。直流短路時示波器檢測到電流、電壓實際波形見圖4、圖5。

圖4 南湖站 214 饋線電流示波器錄波波形圖

圖5 萬象城站 211 饋線電流示波器錄波波形圖

直流保護裝置 SEPCOS 保護整定值及短路試驗時的故障錄波數據分別見表1、表2。

表1 直流保護裝置 SEPCOS 整定值

從表2的數據分析得出如下結論。

（1）南湖站在進行試驗前未明確測量放大器檔位，實際測量放大器量程偏小（-12 000～12 000 A），而短路峰值電流很大，超出放大器量程范圍，導致放大器飽和輸出，形成如圖4所示的“削頂”波形。

（2）南湖站 214 饋線近端短路開始后 16ms，短路電流達到峰值，母線電壓值約為 612 V，根據電流變化率估算，短路電流峰值約為 32 100 A。整個短路試驗過程，214斷路器的大電流脫扣保護、電流速斷保護及電流增量（ΔI）保護均可靠動作并使斷路器分閘，上級進線直流斷路器（201、202）出現大電流脫扣保護動作分閘。第 16ms 斷路器開始分閘，第 20ms 斷路器完成分閘，第 30ms 饋線電流趨于 0 A。

（3）萬象城站 211 饋線遠端短路開始后 48ms，短路電流達到峰值約為 8 769 A，母線電壓為 1 411 V。整個短路試驗過程，萬象城站上級進線直流斷路器（201、202）保持合閘狀態，211 斷路器電流增量（ΔI）保護、電流速斷（Imax++）動作跳閘。第 48ms 斷路器開始分閘，第 54ms 斷路器完成分閘，第 72ms 饋線電流趨于 0 A。

（4）上述短路試驗數據表明，南寧地鐵 1 號線供電系統的直流開關性能優良，直流保護裝置動作準確，直流牽引系統運行可靠。

表2 南湖站 214 饋線近端短路、萬象城站 211 饋線遠端短路故障錄波數據

4 結語

這次試驗從方案準備、實施以及數據采集處理都比較成功，達到預期目的，對今后建立和完善直流牽引供電系統的短路試驗方案和測量方法有很好的參考價值。對南寧地鐵后續線路的工程項目，還應結合實際情況具體分析，試驗前還應綜合考慮試驗環境、不同接線方式等因素對短路試驗的影響，以便更真實、準確地分析系統短路工況。

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