地鐵列車在線時接觸網短路跳閘故障分析

池代臻

(成都唐源電氣股份有限公司，510653，廣州∥高級工程師)

地鐵列車運行過程中，可能因接觸網短線脫落、錯掛地線、絕緣子閃絡［1］及列車頂部對接觸網放電等多方面的原因，造成接觸網短路故障。接觸網發生短路瞬間會產生幾萬安培過電流［2］，其最為直接的后果就是對應的直流饋線開關發生跳閘。若此時保護裝置無法將短路電流正常切除，必然造成設備燒毀甚至發生火災。同時，故障短路電流流經鋼軌及綜合接地網，可能形成瞬間高壓而燒毀其他設備，造成極大的破壞性，影響地鐵的正常運營。經對近期發生的一起接觸網短路跳閘故障進行分析，發現在相鄰供電臂上列車在線運行時，接觸網短路故障會引發鄰線接觸網跳閘，擴大了故障范圍。對該故障的經過、特征進行了詳細分析，并對其中故障電流產生的機理進行了剖析，以期掌握故障的原因與規律，從而形成可借鑒的經驗。

1 接觸網短路跳閘故障介紹

1.1 接觸網短路跳閘故障區域的設備

圖1為接觸網短路跳閘故障區域牽引變電所結構示意圖。其工作原理為:交流電能由中壓環網輸入牽引變電所，經變壓器與整流器轉換成DC 1 500 V，并通過直流進線開關201、202輸入到進線母排上;母排上的電壓由直流饋出開關215、216輸出，再經上網電纜、上網刀閘2151、2161向出、入段線的接觸網供電。列車從接觸網取流，電流經鋼軌及回流電纜流至回變電所負極。全線直流供電系統采用絕緣安裝，與綜合接地系統形成電氣絕緣。

圖1 牽引變電所結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of traction substation structure

1.2 接觸網短路跳閘故障描述

該起接觸網跳閘故障發生在某車輛段出入段線。如圖1所示，事故發生時，網軌檢測車在出段線上行駛，同時末班電客車收車回車輛段。因網軌檢測車的天窗蓋未蓋好鎖牢，在行進過程中，天窗蓋彈起與接觸網接觸，導致接觸網經網軌檢測車與鋼軌短路。如圖2 a)所示，接觸網上迅速形成電弧，灼傷接觸網，在匯流排與接觸線上留下黑色灼燒痕跡。如圖2 b)所示，斷路器的動靜觸頭有明顯的灼燒痕跡，在直流開關斷路器的滅弧柵上也有明顯的拉弧痕跡。

圖2 短路點灼燒痕跡Fig.2 Burning trace at short circuit point

在網軌檢測車造成接觸網短路后，車輛段出段線215開關、車輛段入段線216開關跳閘，造成相應的供電分區停電。約1 s之后，直流開關215、216自動重合閘成功，接觸網恢復正常供電。

圖3所示為牽引降壓混合變電所直流開關215、216的故障錄波。其中，圖3 a)為出段線215開關的電壓、電流波形。由圖3 a)可知，在－3 ms時，網軌檢測車與接觸網短路，短路電流迅速上升;在時間為0時電壓被拉低至1 049 V，電流增大至9 380 A，直流開關的保護裝置檢測電流上升率及電流增量(DDL+ΔI保護)并動作輸出;在分閘指令輸出后，短路電流持續升高，檢測到電流達到11 562 A，而后保護裝置又輸出電流速斷保護(I++max(電流速斷保護功能的簡稱代碼)保護);電流波形存在截頂的情況，由于斷路器分閘滅弧需要一個過程，在分閘指令后電流呈增大趨勢;在27 ms時，滅弧完成，電流降低為0。

圖3 b)為入段線216開關的電壓、電流波形。因215、216開關取電自同一母線，當215開關的負載發生短路，饋線電壓被迅速拉低，同樣造成216開關電壓被拉低。在－14 ms時，電壓被拉低至816 V，同時形成反向電流－4 495 A;而后電壓、電流恢復，并形成沖擊，在時間為0時電壓、電流分別達到1 906 V與2 599 A。在該變化的過程中，當電流變化滿足DDL+ΔI保護的定值要求時，保護裝置發出跳閘命令;在30 ms時，斷路器滅弧完成，電流降低為0;在母線電壓被拉低后，列車斷路器因低壓下限保護跳閘，導致入段線上電客車失電。

圖3 直流饋出開關的故障錄波Fig.3 Fault recording of DC feeder switch

通過對牽混所直流開關215、216故障錄波的描述與分析，需對以下內容做進一步研究。

1)在215饋線開關發生短路跳閘后，需考慮引起216開關跳閘的原因;

2)在216開關上檢測到－4 495 A反向電流的原因;

3)在216開關上檢測到超過額定值1 906 V正向電壓的原因。

2 接觸網短路跳閘故障分析

2.1 牽引變電所電源分析

目前，城市軌道交通通常采用的等效24脈波整流機組，由2臺12脈波的整流變壓器和與之匹配的整流器共同組成。Ud為整流機組輸出端口電壓，Ud不僅與整流機組設計參數有關，而且受外部負載情況影響。如當接觸網在遠近不同點處發生短路時，其表現出的短路壓降、短路電流和等值內阻均不同。圖4為整流機組等效電路。圖4中，Ud0為牽引變電所直流母線空載電壓;Req為牽引變電所的等值內阻;Leq為等效電抗。其中，Leq可取整流變壓器及電纜等主要回路的等效電抗。

圖4 整流機組等效電路Fig.4 Equivalent circuit of rectifier unit

根據北京城建設計研究總院地鐵短路試驗，可得到計算牽引變電所等值內阻的經驗簡化公式［3］，其計算精度滿足工程要求。其計算公式如下:

式中:

U2N——直流側額定電壓，kV;

Uk——牽引變壓器短路電壓，kV;

SN——牽引變壓器額定容量，MVA;

n——牽引整流機組套數，套;

kr——內阻系數。

式(1)中，根據短路點至變電所的不同距離，kr可取不同值。通常情況下，短路點遠離變電所時，kr可取1;出口短路時(短路點距變電所＜400 m)，kr可取1.3，本文故障情況下，kr可取1.3。

2.2 電客車驅動電路

電客車采用“+Tc-Mp-M+M-Mp-Tc+”6節編組。其中:Tc為有司機室的拖車，Mp為帶受電弓的動車，M為不帶受電弓的動車，“+”為半自動密接式車鉤，“－”為半永久棒式車鉤。2節Mp與2節M上均采用DC/AC變換器驅動三相電機，且每個DC/AC變換器輸入前端并聯有LC電路。在不考慮列車制動反送電的情況下，可將變換器視為負載，故可將此等效成圖5中的電路。

圖5 電客車驅動等效電路Fig.5 Tram driving equivalent circuit

由圖5可見，在故障過程中列車不存在制動過程，同時等效阻抗ZM產生功率遠小于短路時的功率，因此，為分析簡便，可將ZM忽略不計。在車載逆變器前端的平波電抗LM與濾波電容CM，因列車車型不同而略有差別。

2.3 列車在線時的接觸網短路電路模型建立

考慮到短路暫態過程的電氣分量，接觸網與鋼軌的瞬時電抗不能忽略。其中，RL1、RL2和LL1、LL2分別為線路等效電阻與電抗。將直流饋線開關215與216視為理想開關，并采用開關S1等效短路效果。建立如圖6所示的列車在線時的接觸網短路電路模型，因直流母排與整流機組直接相連，故電壓為Ud。

圖6 列車在線時的接觸網短路電路模型Fig.6 Short-circuit model of on-line locomotive OSC

2.3.1 階段1

列車正常運行初始，215、216開關處于合閘供電狀態，電客車由216開關取電運行。網軌檢測車在215供電分區出段運行，發生短路故障時，直流215開關保護裝置檢測到I++max動作，觸發215開關斷路器跳閘，可將斷路器跳閘之前視為階段1。其分析過程如圖6 a)所示。由此可見，網軌檢測車因發生金屬性短路，接觸網通過車體與鋼軌發生短路，可等效為理想開關S1合閘。

根據經驗值可得接觸網的電阻為0.02Ω/km，電感為1.139 mH/km;回路鋼軌的電阻為0.009 5 Ω/km，電感為0.164 mH/km。因此，在近端發生短路的情況下，等效電阻幾乎可忽略不計，這樣必然形成大短路電流iL1，約11 000 A。由于采樣截頂，故實際短路電流將更大。此時保護裝置通過檢測到的電流判斷出過流速斷保護I++max動作，觸發215開關斷路器跳閘。因整流機組容量有限，不可視其為理想電壓源，存在等效電阻Req，在短路大電流流過后，造成直流母排上電壓Ud迅速降低至約816 V。在電壓Ud降低后，電客車上CM的電壓不能突變，則形成了由列車車載電容器流經216開關，回饋到直流母排上的反向電流iL2，其電流值達4 495 A。

2.3.2 階段2

如圖6 b)所示，因過流速斷保護I++max觸發215開關跳閘，短路電流被切除，進入階段2。在215開關跳閘后，短路線路切除，整流機組輸出電壓Ud迅速恢復。同時由上述分析可知，整流機組上存在等效電抗Leq，在215開關跳閘前流過斷流大電流iL1。由于電感有反向電動勢作用，電感的電流不能瞬時突變，在Leq上形成續流電流iL1，f，與整個后端負載構成Boost升壓電路，此時Ud迅速抬高且超過整流機組空載電壓Ud0。

在接觸網短路過程中，列車上的CM因釋放能量而導致電壓下降，且此時電壓小于Ud;同時216開關柜上的電流iL2迅速改變為正電流，通過疊加iL1，f，構成電流iL2，0。隨著iL2，0迅速升高，其電流變化滿足DDL+ΔI保護的定值要求，保護裝置發出跳閘命令，電流變化率和ΔI滿足電流變化率保護，DDL+ΔI保護發出跳閘動作命令，觸發216開關跳閘。在母線電壓被拉低后，入段線上電客車檢查到電壓降低，列車斷路器因低壓下限保護跳閘。

3 結語

1)考慮在直流開關柜的故障識別中，利用形態學、小波分析等手段對故障波形進行形態識別，在保護裝置中將此類波形進行判別，避免不必要的跳閘。

2)在正常運營過程中，某處接觸網發生短路故障時，可能會引起相鄰接觸網發生同類型故障跳閘，造成電客車停運，導致故障范圍擴大。在應急處置時，應當掌握此類故障特征，制定相應的故障響應措施，以實現接觸網供電快速恢復。