地铁牵引供电系统直流侧短路故障

地铁牵引供电系统直流侧短路故障

王佳

关键词：城市轨道；短路；故障

一、城市轨道交通牵引供电系统

典型的城市轨道交通供电系统一般包括高压供电源系统(城市电网)、牵引供电系统与动力照明供电系统三部分。高压供电源系统采用不同的供电方式经交流母线为牵引供电系统输送高压(35kV)或中压(10kV)三相交流电，牵引供电系统通过牵引变电所将三相交流电转变成适用于轨道车辆的低压直流电(750V或1500V)，经馈电线将直流电输送至牵引网(接触网或第三轨)，轨道车辆通过受流器(受电弓或受电靴)与接触网的直接接触获得电能，并由走行轨和回流线返回至负极。

二、城市轨道交通供电直流侧短路故障的主要类型

（一）非金属性短路

非金属性短路主要是指第三轨与走形轨经过渡电阻短路或者是绝缘泄漏，从而发生非金属性短路故障。比如在雨雪天气环境下，暴露在户外的城市轻轨在雨水或者是积雪作用下被覆盖，间接的成为导体从而与行轨发生短路。另一方面，也可能是在长时间的运行过程中接触网或者是第三轨的出现绝缘老化现象，从而导致电流外放和泄漏，泄漏的电流通过绝缘支座在流向接地扁铜后经由变电所地网，最终回流至变电所负极，从而引发非金属性短路故障。同金属性故障相比，非金属性故障下产生的短路电流相对较小，所以造成了其短路现象不容易被察觉。但是随着运行时间的不断加长，可能会产生接触电压或者是跨步电压，严重情况下还会出现电弧，从而使短路故障进一步扩大，给城市交通轨道电力系统的稳定运行以及人身安全都带来了较为严重的影响。

（二）金属性短路

金属性故障主要是指由于第三轨或者是接触网与走形轨间产生直接金属性接触后，造成其绝缘支架击穿，从而形成与大地的短路。造成该种故障的另外一种原因也可能是在停电检修作业的过程中，没有及时将接触网接地线撤销，从而在恢复供电时发生金属性短路故障，如果此时特别是在运行期间不能及时对故障位置进行确定和排出，势必会对轨道交通的运行产生较大的影响。

三、直流系统短路故障原因

牵引电流经直流馈线开关、馈线电缆、上网隔离开关输送到接触网上,再经列车、钢轨、回流线回到负极,形成一个有效的闭合回路。造成直流牵引供电系统短路故障的原因总体来说归纳为以下两大类。

（一）正极对地短路故障

直流牵引供电系统中,直流供电设备除了采用对地绝缘安装方式外，在设备金属外壳与地之间还需设置直流框架泄漏保护。当供电设备的电流泄漏到设备柜体上时，牵引变电所正极与设备柜体外壳发生短路，形成牵引网正极对地短路故障。另外，使用接触轨(第三轨)馈电方式系统运行中后期，绝缘支座发生绝缘老化等情况，会造成接触轨与地发生短路故障。此外，对于高架段接触网，由于这段线路接触网是露天的，在雷雨天气，雷击可能会造成接触网绝缘部件闪络放电，造成接触网与架空地线短路，即正极对地短路。

（二）正极对走行轨短路故障

正极对走行轨短路，即馈电接触网对走行轨短路，主要是由机车故障等外部原因引起的。接触网对走行轨发生短路故障时，短路电流随短路故障点离牵引变电所的距离不同，表现出的特性有很大不同。当离牵引变电所较近处发生短路故障时，线路中产生的冲击电流会很大，且短路电流上升变化率很大；随着短路故障点离牵引变电所越来越远，短路电流曲线近似于指数函数曲线，且电流上升变化率较小，电流幅值也较小，这个过程的电流情况一般与多机车同时取流时相似，这就造成实际运行中远端发生短路故障时难以区分短路电流与机车启动电流的情况，造成短路故障修复的延时。

四、地铁牵引供电系统直流馈线保护措施

（一）大电流脱扣保护

该项措施为了切断大的电流短路而作出的保护措施，这种保护措施属于开关自带的。众所周知大的电流短路很容易造成线路的巨大伤害，如果不能够在大电流短路的时候及时进行切断，后果将是不堪设想的。在大电流脱扣保护的时候，我们需要在电流切断时候电流需要在电路峰值之前。假设短路电流最小值为A,而动作电流假设为B,那么一旦检测出来电流超过了动作电流就应该立即跳闸，这个时间只能够控制在几毫秒之间，所以这项保护措施需要及其灵敏的保护设备。最大程度上:杜绝大电路短路所带来的系统性危害。

（二）直流侧短路故障电流仿真

在Matlab/Simulink仿真环境下，搭建牵引供电系统直流侧短路故障仿真模型。仿真模型中主要参数设置如下：走行轨单位内阻为30mΩ/km，走行轨单位内电感为1．75mH/km；接触网单位电阻为28mΩ/km，接触网单位内电感为2．6mH/km；走行轨对地过渡电阻取3Ω/km，小电阻Rf取0．001Ω。

当0．1s时距离变电所A500m、1000m、1．5km处易发生短路故障。牵引所A、B侧的短路电流波形如图2-4。

通过搭建模型与仿真，得到直流侧短路故障电流波形。根据短路电流波形可知，当供电区间发生短路故障时，线路上会产生很大的暂态电流，短路电流上升变化率很大，短路电流稳态值也很大；随着短路故障发生点离相邻变电所越来越远，短路电流上升变化率随之减小，短路电流稳态值也逐渐减小。此外，当短路故障点离两侧牵引所的距离相近时，两侧牵引所的电流波形也相近。

五、结语

本文首先对城市轨道交通牵引供电系统直流侧短路故障类型进行分析，在该基础上，利用Matlab/Simulink软件建立了直流侧短路故障电流的仿真模型，进而分析了短路故障电流与故障发生点所在位置的关系。

参考文献：

[1]林国松.牵引供电系统新型保护与测距原理研究[D].西南交通大学,2010.

[2]肖涛谷.地铁直流供电系统模型及直流短路分析[D].广州：华南理工大学,2012.

[3]张勋.DC1500V牵引供电系统故障测距研究[D].成都:西南交通大学,2014.