地鐵供電系統直流側短路故障及處理研究

謝博策，弭 雪

（北京首建興安裝工程有限公司，北京 100000）

0 引 言

隨著城市化進程的加快，軌道交通已成為緩解城市交通擁堵、改善城市環境的重要途徑之一。地鐵作為一種高效、便捷、環保的公共交通工具，在現代城市軌道交通體系中發揮著日益重要的作用[1]。然而，地鐵系統的安全穩定運行對城市交通和人民生活有著至關重要的影響。在復雜的地鐵供電系統中，直流側供電網絡承擔著為列車牽引系統和輔助設備提供電能的重任。一旦直流側發生短路故障，不僅會導致列車運行中斷，威脅乘客的生命安全，還可能引發連鎖反應，對整個供電系統造成嚴重損害，從而產生巨大的經濟損失和社會影響。因此，深入研究地鐵供電系統直流側短路故障的發生機理、故障類型與特征，探索有效的故障處理策略與措施，對于提高地鐵系統的可靠性、安全性及運行效率具有重要意義。

1 地鐵供電系統直流側結構與工作原理

1.1 地鐵供電系統總體架構

地鐵供電系統是一個復雜且關鍵的技術體系，通常由交流側和直流側兩大部分組成[2]。地鐵供電系統總體架構的主要組成部分及其功能如表1 所示。

表1 地鐵供電系統總體架構

1.2 直流側供電網絡構成及工作原理

地鐵牽引目前普遍采用直流供電方式。相較于交流供電，直流供電具有調速方便、車輛啟動與制動平穩、電壓質量高以及投資成本低等優點。地鐵供電系統的直流側供電網絡是一個復雜的技術體系，主要由整流變電所、直流配電線路、接觸軌或接觸網、回流線以及相關的保護和控制設備組成。其中，整流變電所是直流側供電網絡的核心，通常采用具有12脈波或24 脈波整流方式的整流器，將交流電轉換為750 V 和1 500 V 的直流電，并通過直流配電線路輸送至接觸軌或接觸網[3]。整流器的效率通常可達到98%以上，且具有良好的動態響應特性，能夠適應列車負載的快速變化。

為確保整流變電所的可靠運行，通常會配備完善的監控和保護系統，如直流母線電壓監測、溫度監測、短路保護等。例如，北京地鐵采用DC750 V 第三軌供電和DC1 500 V 架空接觸網制式兩種供電方式。其中，一號線、二號線、十三號線采用DC750 V 第三軌供電方式。第三軌由高導電率的特殊軟鋼制成，沿線路平行架設于軌道外側，地鐵車輛的受流靴與其接觸以獲取電能。十四、十六號線采用DC1 500 V 架空接觸網制式。由于采用了較高的供電電壓，降低了接觸網的饋電電流，因此采用架空接觸網來輸送電流更為便利，能夠改善受流環境，提高受流質量。回流線負責將列車再生制動能量和牽引電流安全送至整流變電所，通常采用與接觸網并行敷設的鋼軌或電纜。

為提高直流側供電網絡的可靠性和安全性，現代地鐵系統普遍采用分段絕緣的供電方式。這種供電方式不僅可以有效降低故障電流，縮小故障影響范圍，還能實現故障區段的快速隔離和恢復，有效提高系統運行的可靠性。地鐵直流牽引供電系統一般采用主接線形式，如圖1 所示。直流系統為雙母線接線方式，設有工作母線、備用母線及旁路開關。兩路進線采用直流斷路器，設置4 路直流饋線，工作母線和備用母線之間設有備用直流斷路器。牽引整流機組的負極采用電動隔離開關。正常運行時，1 個供電區由相鄰的兩個牽引變電所同時供電。

圖1 地鐵直流牽引供電系統主接線形式

在同一行車方向的不同供電分區分段處，上行和下行均設置了縱向電動隔離開關。當某牽引變電所整體退出運行時，可以借助隔離開關實現大雙邊供電。而對于未設置縱向電動隔離開關的線路，當某牽引變電所整體退出運行時，通常只能采取單邊供電的方式運行。

2 直流側短路故障類型與特征分析

根據故障發生的位置和原因，可以將直流側短路故障分為接觸網短路、直流母線短路、列車短路等類型，不同類型的短路故障在故障特征、危害程度及處理難度等方面存在顯著差異[4]。典型的直流側短路故障類型及其主要特征如表2 所示。

表2 直流側短路故障類型及其主要特征

地鐵直流牽引供電系統的安全可靠運行是列車安全運行的前提。直流牽引供電系統保護的重要作用主要體現在以下兩方面：一方面，在正常運行狀態下，應最大限度地滿足列車運行的條件；另一方面，在直流牽引電系統發生故障的情況下，應有選擇地切除故障，確保列車、設備及旅客的安全。直流牽引供電系統的特點是列車牽引負荷電流并非總保持在一個水平上。這是因為受列車起動、加速等操作的影響，導致電流的變化變得頻繁且復雜。地鐵直流系統短路電流和起動電流隨時間變化的特性如圖2 所示，t0為列車啟動時間。列車起動時，電流短時上升且幅度較大，甚至超過中遠端短路電流，增加了保護整定的難度。直流牽引系統保護的重點在于區分列車起動電流或受電弓過接觸軌分段時的電流和短路電流。

圖2 地鐵直流系統短路電流和啟動電流特性

3 直流側短路故障處理策略與措施

3.1 短路故障實時監測與精確定位

為實現對地鐵供電系統直流側短路故障的實時監測與精確定位，業界已提出了一系列先進的技術手段。其中，基于故障電流暫態特征分析的監測方法受到廣泛關注。例如，上海地鐵利用布置在整流變電所和接觸網關鍵節點的電流傳感器，以高達10 kHz 的采樣頻率實時測量電流信號，并通過專用的信號處理單元進行在線分析。研究表明，在發生短路故障時，故障電流在10 ms 內即可達到穩態值的90%以上，且在電流的上升沿部分呈現明顯的陡變特征[5]。對于電流傳感器采集的電流信號，利用小波分析等時頻域信號處理技術，可以從電流暫態中提取故障特征頻率，進而實現故障的快速檢測。一旦監測到疑似短路故障，系統將自動觸發定位算法，綜合分析故障前后電流、電壓的變化情況，并結合供電網絡的拓撲結構和參數模型，在100 ms 內給出故障點的方位。

3.2 快速響應機制與高效隔離技術

為最大限度地減小直流側短路故障對地鐵運營的影響，供電系統必須具備快速響應和高效隔離故障的能力。首先，供電系統應根據故障類型和嚴重程度，制定分級響應預案。對于危及人身安全和設備完整性的嚴重短路故障，必須在最短時間內切除故障，并完成故障隔離和系統重構，以縮小故障影響范圍。為實現這一目標，系統需綜合利用快速跳閘、能量吸收等多種手段，以縮小故障影響范圍。例如，部署在故障附近的超導限流器可在2 ms 內將短路電流限制在額定值的2.5 倍以內，有效降低電流熱效應。對于危害較小的一般短路故障，可適當延長響應時間，通過采取分段隔離和負荷轉移等措施實現局部供電恢復，時間一般控制在200 ms 以內。而優化隔離開關操作時序是提高故障隔離效率的關鍵，合理的開關操作時序不僅可避免隔離過程中的二次短路，還可顯著降低開關自身的損耗。通過在隔離開關控制中引入故障電流零點切除策略，可將開關損耗降到最低，確保系統運行的穩定性和安全性。

4 結 論

文章圍繞地鐵供電系統直流側短路故障這一關鍵問題，從故障類型與特征、監測與定位、處理策略與措施等方面進行了系統研究。通過分析不同類型短路故障的成因和危害，揭示了直流側短路故障的復雜性和嚴重性。在此基礎上，概括總結了故障電流暫態特征分析、分布式光纖測溫等先進的故障監測與定位技術，以及快速跳閘、能量吸收、優化隔離等故障處理措施，為提高故障處理速度和可靠性提供了有效途徑。隨著軌道交通的不斷發展，地鐵供電系統將朝著更大容量、更高可靠性、更智能化的方向邁進。未來，應綜合應用大數據、人工智能等新興技術，建立集故障智能診斷與預警、自愈控制、智慧運維等功能為一體的故障防控體系，實現地鐵供電的安全可靠運行。