直流側短路電流在城市軌道交通供電中的故障定位分析

崔冬建,白 群,伍箴樹,李孟倩,方 焰

(1.北方國際合作股份有限公司,北京 100000；2.南京國電南自軌道交通工程有限公司,江蘇 南京 210032)

0 引言

伊朗首都德黑蘭從20世紀70年代末即開始計劃設計修建地下鐵道,其間工程曾被擱置,直至20世紀90年代中國公司接手才重新復工。目前,德黑蘭地鐵共有7條線路,總長約230 km,日運輸量達到500萬人次,運營總里程220.5 km。在德黑蘭城市軌道列車實際運行的過程中,地鐵牽引供電系統是動力來源,更是運行中安全性和可靠性的保障。但是,在實際的運行過程中,由于一些客觀因素的影響,直流系統會出現短路故障和過電壓故障等,這對地鐵的安全運行造成了嚴重的影響。為了減少直流側短路電流對城市軌道交通供電的影響,筆者對其故障定位進行了分析,提高了城市軌道運行的安全性。

1 城市軌道交通供電直流側短路故障的類型

1.1 金屬性短路

金屬性故障主要就是在地鐵實際的運行過程中,由于第三軌與走行軌間直接金屬接觸后,導致其絕緣支架擊穿,這個時候就會形成與大地的短路。如在2010年的時候,北京地鐵中的一名乘客所帶的金屬水平尺從身上掉落,導致金屬性短路故障的發生。此外,另一個原因也會導致這種事故的發生,就是檢修人員在停電檢修作業的過程中,沒有結合實際情況及時將接觸網接地線撤銷,在恢復電的時候,就會發生金屬性短路故障。在這個過程中,如果技術人員在運行期間不能及時對故障位置進行確定,就會對軌道交通的安全運行帶來嚴重的影響[1]。

1.2 非金屬性短路

當城市地鐵在具體的運行過程中,第三軌與走行軌經過渡電阻短路,或者是絕緣泄漏的話,就會發生非金屬性短路故障。如在天氣惡劣的背景下,也就是雨雪天氣下,暴露在外面的城市輕軌就會受到雨水和積雪的影響,這些雨雪間接成為導體,讓鐵軌在實際的運行過程中發生短路。地鐵在長時間運行的過程中接觸網會出現絕緣老化等現象,也會導致電流外放。與金屬性故障相比,非金屬性故障所產生的電流比較小,所以檢修人員在實際的檢修過程中,如果不加強力度對其進行全面檢查,就很難發現這種故障,隨著故障進一步擴大,會給人們的出行帶來影響。

2 直流側短路電流對城市軌道交通供電的影響

2.1 正極對負極短路的影響

這種故障的發生主要就是由于架空接觸網對鋼軌短路導致的。如果接觸網斷線掉落到了機車頂等部位,就會對其進行放電,這個時候就會造成直流正極對負極短路現象的發生,在這個過程中的短路電流可達到幾萬安。因此,工作人員在這個過程中,一定要加強對電流的控制,防止意外事故的發生[2]。

2.2 正極對大地短路故障

在地鐵運行中,如果老鼠和蜈蚣等動物爬入帶電回路,就會導致小金屬線頭和墊圈等零件出現問題,掉落在帶電回路上,對直流正極和架短路造成嚴重影響。在這個過程中,如果線路發生了問題也會導致這種故障的發生,其接觸網和變電所饋線電纜接地,隔離開關,它會處于接地狀態。根據相關的研究發現,正極接地故障大多數為持續性短路故障,所以相關工作人員如果不對其進行及時清除,就會導致直流設備嚴重燒損,造成一定的經濟損失。

2.3 正極對走行軌短路故障

這種故障也被叫作電接觸網對走行軌短路,導致這種問題發生的主要因素是機車故障等外部原因。在接觸網對走行軌發生短路故障的時候,其電流會受到短路故障點的影響,隨著其離牽引,導致變電的距離不同,在特性上存在一定的差異性[3]。

如果離牽引變電在較近處發生故障的時候,線路中產生的沖擊電流會變得非常大,并且短路電流上升的速度也比較快。如果在實際的工作過程中不對這種故障進行及時處理,就會導致短路故障的發生,對相關的電流設備造成嚴重的影響。

3 直流側短路電流對城市軌道交通供電的故障定位方法

3.1 直流側短路故障的排查方法

技術人員在對其故障進行精準定位的時候,要對故障的性質以及產生故障的因素等進行分析,對自動合閘功能進行判別,這是分析短路故障的基礎。技術人員在實際的工作過程中,可以判斷直流母線等對主回路工作的影響,然后結合實際情況,選擇合理的故障排除方法[4]。

在對直流側短路電流進行故障排除檢查的過程中,如果合閘成功,技術人員這個時候就能確定此故障主要是由于外界原因所導致的,或者還有可能是接觸網短閃造成的金屬性短路,由于這種故障所產生的電流比較小,所以難以發現。當這種故障發生的時候,列車各種設備能夠正常運行,但是為了保證其安全性,工作人員還是要對設備運行情況進行記錄,對實際的運行情況做詳細檢查。

如果合閘不成功,可能是持久性故障,這個時候工作人員要對故障信號進行復位。復位過程如果成功,就可以根據相關要求進行進一步處理,但是如果其操作失敗,技術人員要對相鄰牽引所的封閉條件進行解除,防止其他意外事故的發生,加強對電流的保護,對線路和設備進行全面檢查。

3.2 阻抗法

如今,隨著我國科學技術的不斷發展,阻抗法得到了一定的應用和研究,它是一種新型的故障定位法,并且具有較高的定位精確度,對采樣率的要求也不是特別高,它在直流側短路電流故障檢測中的應用幾乎不受短路過渡電阻的影響,大大地提高了定位的精確度。技術人員可以根據工作原理的不同,將其合理地分為單端阻抗法以及雙端阻抗法。

單端阻抗法的工作原理是比較簡單的,其實施性也比較高,對整個設備的裝置費用也較低,但是這種方式還存在著一定的不足,就是單端阻抗法對故障的判斷以及定位精度較差,技術人員還需要對其進一步完善。雙端阻抗法的作用原理,主要是通過推算直流系統內的兩端電壓和流量,不斷獲取電流故障中的定位信息,為工作人員對故障的修護提供了一定便利,這種方式主要結合了現代先進科學技術以及先進的設備,所以它具有較高的故障定位準確性,是直流側短路電流故障定位中最常用的方式[5]。

3.3 貝瑞隆模型故障定位方式

貝瑞隆模型的主要工作原理,是利用波過程的原理,利用混合波圖案對波多次反射以及折射等內容和特點進行分析,然后結合分析的結果建立分布參數輸電線路微分方程,技術人員可以通過利用方程,對相關數據信息的計算來獲得故障的位置。從理論上來說,貝瑞隆模型能夠對任何直流側短路故障進行定位,但是在實際的定位過程中,隨著電阻變大,定位精度要越來越小,如果要不斷提高定位精確度,要與阻抗法相結合,采取措施對整個故障定位技術進行優化。因此一定要根據實際情況,合理應用這種定位方式。

如果這兩種方法在對直流側短路電流故障定位的過程中都適用,技術人員人要在實際工作中,首先考慮阻抗法故障定位,當直流側短路故障發生,在進行維護工作后,阻抗法就不能在其中應用了,這個時候相關的技術人員在進行故障定位的過程中,就要結合貝瑞隆模型不斷獲取定位信息。

在框架保護的過程中,由于接觸線為正極,走行軌作為負極,電流在這個過程中可以沿著走行軌返回,也可以在大地返回。如果一直這樣,就會導致較大電流出現,造成電流不穩定,如果技術人員不對其進行處理,就會導致直流側短路故障的發生,所以技術人員要結合實際情況,采取措施加強對框架保護,讓正和負極之間處于絕緣狀態,防止電流對相關設備的影響[6]。

3.4 行波法

在對直流側短路電流故障進行定位的過程中,行波法也是其中經常用到的一種方法。這種方法的主要作用原理是在行波傳輸理論的基礎上,對直流側短路電流發生故障的部位進行定位,然后利用對不同故障行波,對其到達測量裝置的速度以及時間差進行全面分析,根據具體的研究結果計算故障的具體位置。

行波法在故障定位中具有非常多的優勢,它能大大提高定位的精確度,所以這種方法被廣泛地應用在檢測直流側短路電流故障部位的過程中。但是,這種定位方式在城市地鐵交通直流供電系統中的應用還存在一定的不足,它對測量設備的要求非常高,這就導致設備的投資成本非常大。所以技術人員在對直流側短路電流故障進行定位的過程中,要想不斷提高電流故障定位信息的準確性,要結合城市地鐵實際的運行情況,合理選擇故障定位方式,這樣才能有效避免電流故障的發生[7]。

4 結語

隨著德黑蘭交通事業的不斷發展,城市軌交在人們出行過程中起著越來越重要的作用。由于直流側短路電流會對城市軌道交通供電帶來一定的影響,為了避免相關故障的發生,需要對故障定位的方法進行了合理應用,為人們的出行安全提供了保障。