地鐵牽引供電系統直流側短路故障及對策探討

范忠林

東莞市諾麗電子科技有限公司，中國·廣東 東莞 523000

1 引言

地鐵利用地下通道，節約了地面空間，在很大的程度上延緩了城市人口的出行壓力。但在地鐵的運行環節，也存在著很多隱患，制約著地鐵的運行。地鐵供電系統是地鐵工程中重要系統之一，它為地鐵列車和各種設備提供電能。在地鐵的供電系統中，直流側的額定電壓1500V，如此高的電壓供電系統直流側也易出現短路故障，造成地鐵的供電中斷問題。對地鐵直流系統短路故障進行分析，找出故障原因并進行排查，保證地鐵的順利運行，對地鐵供電系統的安全性提供保障具有重要意義。

2 地鐵牽引供電系統概述

電力牽引供電系統是指從電力系統或一次供電系統接收電能，通過變壓、變相或換流（將工頻交流變換為低頻交流或直流電壓）后，向電力機車負載提供所需電流制式的電能，并完成牽引電能傳輸、配電等全部功能的完整系統。牽引供電系統的性能直接影響列車牽引功率的發揮和牽引傳動控制系統的性能。現階段的地鐵牽引供電系統一般采用直流電，直流電具備耗材較少、節省費用的優點，而且在事故發生后的處理環節比較簡便。就使得直流電在地鐵供電系統中被廣泛應用。牽引供電系統是將交流中壓電壓經降壓整流變成直流1500V 或直流750V 的電壓，為電客車提供牽引供電。它包括牽引變電所與牽引網，城市地鐵供電線路的牽引供電系統通過牽引變電所將三相交流電轉變成適用于軌道車輛的低壓直流電（750V 或1500V），經饋電線將直流電輸送至牽引網，軌道車輛通過受流器與接觸網的直接接觸獲得電能，由此為電客車供電[1]。

3 地鐵牽引供電系統直流側電力故障的類型

3.1 金屬性短路

在地鐵供電系統中，直流側的金屬性短路是指第三軌、接觸網等設施和走行軌或其他建筑物之間產生金屬接觸，進而造成絕緣設備出現問題，引起設備故障的現象。還有可能是現在停電后的檢修環節，如果檢修人員在檢修工作結束后沒有將接觸網的接地線拆除，造成接觸網/軌和大地短路[2]。另外，線路上異物侵入接觸網/軌，導致短路。

3.2 非金屬性短路

在線路短路故障的類型中，除了會有金屬性短路狀況發生意外，還會存在非金屬性短路現象，依舊會對供電系統造成嚴重的影響。非金屬性短路是由第三軌和走行軌在電阻短路和絕緣裝置出現問題引發的。或是在設備的運行過程中，由于線路使用時間過長，相關設備的絕緣裝置出現老化，絕緣層不能保護電路的作用，進而造成電流的泄露，經過相關導電物品，最終流動到電力的負極，引發直流側短路故障。在非金屬性線路短路故障發生之后，由于非金屬性產生的電流相對較小，就很難在事故發生之前對故障進行察覺，所以非金屬性短路故障造成的危害較之金屬性短路更加嚴重，甚至可能產生電弧，對操作人員造成生命危險。

4 地鐵牽引供電系統直流側電力故障的產生原因

4.1 自然原因

在地鐵的牽引供電中，正極對地短路是常見的一種故障，地鐵供電系統直流側為了避免線路漏電，具備多種絕緣保護裝置。例如，采用對地絕緣的安裝方法，在帶電金屬裝置和大地之間設置直流框架電流泄露保護裝置。當這些絕緣裝置出現老化、破損等現象時，供電設備產生的正極電流就會經由金屬設備外殼和大地產生對地短路故障，這就是正極對地短路。在露天的線路中，存在雷擊破壞絕緣設備的現象，也會造成接觸網和地線之間產生短路。

4.2 操作原因

在電力系統中，也會出現正負極相連，造成供電線路電壓瞬間增大，破壞線路造成短路故障。在解控線路的搭建和施工維修過程中，會出現操作人員施工不當造成架空電網和鋼軌接觸，施工不當造成的架空線路掉落，接觸到鋼軌，或者是機車頂部在接觸網的操作過程中出現電力線路連接錯誤等行為時，就會導致電力的正負極直接相通，正負極間沒有負載而是直接接通被稱為短路現象，一旦發生就會產生上萬甚至十幾萬安的大電流。因此，會產生大量的熱量，損毀設備，電弧會將許多元件短時間融化。同時，產生的電流還會帶來一定的電磁力，它同樣會損壞設備，同樣可能造成重大火災及傷害事件。

4.3 設備原因

在設備的使用過程中，當相關的機電設備、線路裝置和絕緣設備等出現故障時，也會造成直流側短路故障。在相關設備出現故障，造成接觸網和走行軌接觸，就會造成正極對走行軌短路故障。

5 地鐵牽引供電系統直流側電力故障的發現和治理措施

5.1 利用重合閘對線路故障進行判斷

在線路的故障對策中，電力檢修人員可以利用重合閘對線路進行檢查，找出故障位置并進行治理。在線路的治理環節，可以通過對直流母線的電壓進行測量，然后將計算結果和標準值進行對比，如果結果在標準值范圍內。就表示可以進行合閘，若結果在標準值之外，故障就比較嚴重，重合閘就不會合并。當重合閘不成功時，線路的故障就是線路出現斷裂或者是絕緣設備常出現問題等重大損壞，這時候，如果設置有框架保護系統，就可以試著將相應地區的線路斷開，然后通過實施大雙邊供電，電力系統出現脫扣保護時，相關工作人員就可以對設備進行檢查[3]。

5.2 行波故障尋找法

在直流線短路故障排查中，行波法是常見的一種電力故障檢修方法，這種方法通過行波傳輸對故障部位進行確定，然后進行維修。具體的操作方法是，行波在線路中會以勻速狀態傳播，這時候如果景觀存在故障部位，就會在速度上和時間上產生差異，相關人員就可以通過對行波相關數字進行計算，從而得到故障的位置。這種方法在使用過程中十分簡便，而且效率高，十分精準，所以在直流側短路故障的檢測中被廣泛應用。但是這種方法也有自身的缺陷，就是相關的設備造價很高，而且設備需要具備一定的操作技術才能使用。

5.3 大電流脫扣保護裝置

在直流側短路故障中，不能單單只進行故障的檢修和確定，還要擁有能夠在故障發生時能夠起到阻斷電流作用的相關裝置，避免造成更大的危害。大電流脫扣保護能夠在電路中電流超標時切斷電路，保護線路，也避免造成更大的破壞。在線路發生短路時，會在線路中產生強大的電流，很容易就會對下路造成重大破壞，如果沒有對電流進行阻斷，就會造成重大的危害[4]。所以，就需要在電流對線路造成破壞之前截斷電流。大電流脫扣保護裝置內部有電流識別裝置，當經過的電流達到一定數值時，就會自動跳閘，進而保護線路。

6 結語

在地鐵的發展過程中，為大眾出行帶來了極大的方便，但地鐵運行需要電力系統可靠而穩定維持，地鐵線路很容易出現短路現象，牽引線路直流側短路故障就是其中之一，在自然、設備和技術等原因的影響下，直流側會發生金屬性短路和非金屬性短路兩類故障，可以通過性行波法和重合閘等方法進行檢測，然后設置大電流脫扣保護裝置進行故障保護，避免直流側短路故障對地鐵供電系統造成更大的危害。