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摘要：直流牵引系统可以给地铁列车提供一定的动力，有效保证地铁安全可靠运行，基于此，本文笔者依据具体工作经验分析了直流牵引供电系统的基本工作原理以及系统组成，提出短路试验方法及提出了如何解决短路问题的措施。
关键词：直流牵引；供电系统；短路试验
中图分类号：U223文献标识码： A
地铁线路在缓解城市交通压力方面的重要性日趋显现,地铁直流牵引供电系统的安全可靠运行则对保证机车运行以及乘客的人生安全起到非常重要的作用。直流系统的运行方式较多,故障时具有短路电流大、难切除的特点,不仅造成经济损失,甚至可能威胁乘客的人身安全。地铁系统短路电流的准确计算不仅是系统设计规划的依据,也是继电保护整定的基础,对保证人身安全、降低故障损失都有着十分重要的意義。
1、直流牵引供电系统
电网110kV的高压电源经过主变电所降压为33kV（10kV）供牵引变电所使用，牵引变电所通过整流变压器和整流机组将交流降压并整流为直流1500V（750V）向机车供电。直流牵引供电系统如图1所示，地铁一般采用上下行接触网并联双端供电，钢轨回流的方式，其中钢轨通过绝缘垫与大地保持绝缘。
图1牵引供电系统图
1.1、牵引变电所和牵引网
牵引变电所两台整流变压器一次绕组分别移相+7.5°、-7.5°。整流变压器将33kV降压为1180V，其二次绕组有一个星形绕组和三角形绕组，分别向两个三相整流桥供电，构成一套12脉波整流机组。同时，通过与另一套12脉波整流机组经匹配构成一套等效24脉波整流机组，为机车提供DC1500V牵引动力。牵引网由变电所母线至接触网的馈线、为机车授流的接触网和回流的钢轨组成，上下行的四条钢轨采用全并联的方式作为回流导体。
1.2、牵引网阻抗导体的阻抗
由导体电阻和电感决定，导体内部磁链与流过导体的电流之比为内电感，外部磁链与流过导体的电流之比为外电感。接触网的单位长电阻由式（1）给出，内电感由式（2）给出，由于组成钢轨的铁磁性材料的特殊性，其电阻、内电感的计算十分复杂，工程上通常采用经验公式（3）给出其电阻和内电抗，需要说明的是式（3）给出的是阻抗值，需要将其换算为电感值，在计算钢轨暂态参数时，使用8.13Hz的阻抗值较为准确。
（1）
（2）
+（3）
式中，为导体电导率，为导体截面积，、分别为真空磁导率和导体的相对磁导率，，为角频率。
1.3、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之上,然后通过列车、钢轨、回流线一直回到负极,可形成一个行之有效的闭合回路。导致直流牵引供电系统短路故障出现的原因主要有以下两方面。
1.3.1、正极对负极短路故障
此故障绝大多数是因为架空接触网对于钢轨短路而导致的,比如说接触网断线掉落到钢轨之上、机车顶部对于接触网放电、错误挂接地线等等,直流正极对负极产生瞬时短路,短路电流则可以达到几万安,使得直流开关大电流脱口保护瞬间动作,DDL-Delta-I等等逐渐开始启动。
1.3.2、正极对大地短路故障
老鼠、蜈蚣等等较小的动物爬入带电回路；小金属线头、没有使用的螺丝、垫圈等等零件,掉落在带电回路之上，导致直流正极同框架短路,引起框架保护动作。线路可能是接触网、馈线或变电所馈线电缆接地；绝缘子击穿、折断；隔离开关处于接地状态、引线脱落；接触网对架空地线放电；机车主回路接地等。正极接地故障大多数是持续性短路故障，如果没有及时清除的话,比较容易使得故障扩大变为直流正极通过综合接地装置、钢轨同地之间的泄露电阻到负极的短路事故,对于多处直流设备可以使得出现较为严重烧损,破坏性以及危害变大。
2、短路试验方法
2.1、设置方案
在同钢轨连接之时，要求对钢轨进行除锈处理同时将其连接牢固，这样就可以有效避免连接之处出现比较大的接触电阻，如果电流偏大之时则会烧坏钢轨，如图1所示
图1 短路试验接线
2.2、注意事项
2.2.1、进行试验之前，与之相关区间的接触网需要保持为停电状态，接触网电动隔离开关在断开位置。
2.2.2.试验之前，在试验变电所应该使用“电压-电流法”，测量闭合回路的直流电阻，这样就可以确认回路完整闭合。
2.2.3、试验前，应该设备保护定值以及动作时间配合之间的正确性。
2.2.4、试验前，检查区段内架空地线与接地装置每一处的连接点，同时使用力矩扳手将其紧固。
2.2.5、试验之前，需要检查直流开关所在高压室的消防设施，比如说应该设置气体消防设备，需要确认其在“手动”位置之上，也应该留够充足的临时消防用具。
2.2.6、在进行试验之前，在短路点两侧20m做好防护，不能出现无关人员进行此区域，及时设置相关的防护标志。
2.2.7、试验结束之后，检查开关以及触头是否烧伤或有残留物。
3、直流系统短路故障排查方法
为尽快恢复供电,同时避免断路器合在故障线路上,直流开关保护模块通过线路测试,判别故障性质的自动重合闸功能。重合闸保护动作情况可以当做判别短路故障原因十分重要的根据。
3.1、重合闸原理
线路测试功能可以通过测量直流母线电压以及馈线电压及时判断出主回路是否可以正常工作,如此,线路测试回路电阻Rx就可以决定断路器是否被允许合闸。依据计算结果可以得知;
Rx>2.5Ω,瞬时性故障,那么重合闸成功。
Rx<2.5Ω,瞬时性故障,重合闸则就不成功。
通常是通过列车故障等外部原因或者是接触网短时闪络造成金属性短路而导致的,较多为瞬时性短路故障，同时保护类型主要为大电流脱扣、DDL-Delta-I。当前供电设备都可以实现正常运行，需要注意观察设备运行状况，
同时也应该对直流开关动作过程做好录波；组织该趟列车下线运营,安排接触网人员对于故障区段正线进行登乘巡视,待运营结束后组织相关专业对直流开关本体、接触网、列车进行较为细致的检查以及分析。
3.2、重合闸不成功此时故障应为持续性故障
若框架保护动作,应尝试对故障信号进行复位，如果复位成功的话,通过电调允许之后才可以进行试送电,依照电调的相关要求做好进一步处理；如果不可以复归的话,就需要解除故障与之相邻牵引变电所的闭锁条件,退出本所的整流机组,通过越区开关进行大双边供电。如果大电流脱扣保护动作,故障点则有可能在馈线至上网电缆处,现场人员需要听从电调安排做好设备检查工作。
3.3、既有双端量的故障定位
直流牵引供电系统的故障分析法是根据系统参数和测量得到的电压、电流,根据短路故障模型,经过分析化简得到故障定位方程,代入所需参数,求出故障点距离,从而实现短路故障点的精确定位。故障分析法按定位所需信息可以分为单端量法和双端量法。单端量法只使用单侧信息,实现起来简单方便,但难消除故障点过渡电阻和对侧系统的影响,从而导致定位精度不高。双端量法从原理上不存在过渡电阻和对侧系统。
3.4、系统阻抗的问题
应借助通信技术获取对侧的数据信息,存在数据同步、计算量大等问题。故障分析法对釆样率要求低,可靠性较高,无死区。但是该方法需要计算精确的线路参数,当线路参数存在一定误差时,会影响故障定位的精度。随着计算机技术和通信技术在牵引供电系统中的发展和应用,使获得对侧故障信息成为可能。对双端量法在牵引供电系统中的应用做了一定的研究,目前采用双端时域阻抗法的故障定位方法有基于轨电位的故障定位和基于微分方程的故障定位两种。
3.5、基于轨电位的故障定位
根据双边供电下直流牵引网稳态模型建立短路故障模型,该模型作了如下简化处理。
假定两端变电所的交流侧相同且稳定运行,即不用考虑交流侧的影响;
假定将两端整流机组根据外特性等效为带内电阻的电压源;
假定钢轨为均句对称结构,具有一致的单位长度电阻,轨道与地之间只有纯阻性的电气联系;
回流系统可以纵向分解为上、下行钢轨、排流网和接地网3个单元组成,设两牵引变电所之间的距离为,横向以长度为划分成个单元格,即=/,其中表示钢轨各单元的电阻,表示钢轨与排流网各单元的过渡电阻,表示排流网各单元的电阻,两端牵引变电所馈线电流分别为、，根据基尔霍夫定律,可以求出短路点电流,即=+
4、结语
直流牵引供电系统联锁关系比较复杂,短路故障点比较多并且面广,不容易找,需要依据故障的现象、保护动作情况、重合闸情况等等进行综合的分析。地铁供电维保人员在平常的工作之中需要不断加强设备巡视、强化作业标准,从根本之上减少短路事故的出现,并且需要不断提升自身故障分析处理能力,最大限度地减少对于地铁行车以及运营的影响。
参考文献
[1]龚廷志.直流牵引供电系统数学模型与短路计算研究[D].北京交通大学,2009.
[2]王军,翁创业.直流牵引供电系统短路试验浅析[J].电力机车与城轨车辆,2011,04:64-66.
[3]韩志杰.城轨直流牵引供电系统短路试验[J].都市快轨交通,2013,01:113-115.
[4]张华英.地铁直流牵引供电系统保护配合的探讨[J].电气化铁道,2001,03:7-9.
关键词：直流牵引；供电系统；短路试验
中图分类号：U223文献标识码： A
地铁线路在缓解城市交通压力方面的重要性日趋显现,地铁直流牵引供电系统的安全可靠运行则对保证机车运行以及乘客的人生安全起到非常重要的作用。直流系统的运行方式较多,故障时具有短路电流大、难切除的特点,不仅造成经济损失,甚至可能威胁乘客的人身安全。地铁系统短路电流的准确计算不仅是系统设计规划的依据,也是继电保护整定的基础,对保证人身安全、降低故障损失都有着十分重要的意義。
1、直流牵引供电系统
电网110kV的高压电源经过主变电所降压为33kV（10kV）供牵引变电所使用，牵引变电所通过整流变压器和整流机组将交流降压并整流为直流1500V（750V）向机车供电。直流牵引供电系统如图1所示，地铁一般采用上下行接触网并联双端供电，钢轨回流的方式，其中钢轨通过绝缘垫与大地保持绝缘。
图1牵引供电系统图
1.1、牵引变电所和牵引网
牵引变电所两台整流变压器一次绕组分别移相+7.5°、-7.5°。整流变压器将33kV降压为1180V，其二次绕组有一个星形绕组和三角形绕组，分别向两个三相整流桥供电，构成一套12脉波整流机组。同时，通过与另一套12脉波整流机组经匹配构成一套等效24脉波整流机组，为机车提供DC1500V牵引动力。牵引网由变电所母线至接触网的馈线、为机车授流的接触网和回流的钢轨组成，上下行的四条钢轨采用全并联的方式作为回流导体。
1.2、牵引网阻抗导体的阻抗
由导体电阻和电感决定，导体内部磁链与流过导体的电流之比为内电感，外部磁链与流过导体的电流之比为外电感。接触网的单位长电阻由式（1）给出，内电感由式（2）给出，由于组成钢轨的铁磁性材料的特殊性，其电阻、内电感的计算十分复杂，工程上通常采用经验公式（3）给出其电阻和内电抗，需要说明的是式（3）给出的是阻抗值，需要将其换算为电感值，在计算钢轨暂态参数时，使用8.13Hz的阻抗值较为准确。
（1）
（2）
+（3）
式中，为导体电导率，为导体截面积，、分别为真空磁导率和导体的相对磁导率，，为角频率。
1.3、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之上,然后通过列车、钢轨、回流线一直回到负极,可形成一个行之有效的闭合回路。导致直流牵引供电系统短路故障出现的原因主要有以下两方面。
1.3.1、正极对负极短路故障
此故障绝大多数是因为架空接触网对于钢轨短路而导致的,比如说接触网断线掉落到钢轨之上、机车顶部对于接触网放电、错误挂接地线等等,直流正极对负极产生瞬时短路,短路电流则可以达到几万安,使得直流开关大电流脱口保护瞬间动作,DDL-Delta-I等等逐渐开始启动。
1.3.2、正极对大地短路故障
老鼠、蜈蚣等等较小的动物爬入带电回路；小金属线头、没有使用的螺丝、垫圈等等零件,掉落在带电回路之上，导致直流正极同框架短路,引起框架保护动作。线路可能是接触网、馈线或变电所馈线电缆接地；绝缘子击穿、折断；隔离开关处于接地状态、引线脱落；接触网对架空地线放电；机车主回路接地等。正极接地故障大多数是持续性短路故障，如果没有及时清除的话,比较容易使得故障扩大变为直流正极通过综合接地装置、钢轨同地之间的泄露电阻到负极的短路事故,对于多处直流设备可以使得出现较为严重烧损,破坏性以及危害变大。
2、短路试验方法
2.1、设置方案
在同钢轨连接之时，要求对钢轨进行除锈处理同时将其连接牢固，这样就可以有效避免连接之处出现比较大的接触电阻，如果电流偏大之时则会烧坏钢轨，如图1所示
图1 短路试验接线
2.2、注意事项
2.2.1、进行试验之前，与之相关区间的接触网需要保持为停电状态，接触网电动隔离开关在断开位置。
2.2.2.试验之前，在试验变电所应该使用“电压-电流法”，测量闭合回路的直流电阻，这样就可以确认回路完整闭合。
2.2.3、试验前，应该设备保护定值以及动作时间配合之间的正确性。
2.2.4、试验前，检查区段内架空地线与接地装置每一处的连接点，同时使用力矩扳手将其紧固。
2.2.5、试验之前，需要检查直流开关所在高压室的消防设施，比如说应该设置气体消防设备，需要确认其在“手动”位置之上，也应该留够充足的临时消防用具。
2.2.6、在进行试验之前，在短路点两侧20m做好防护，不能出现无关人员进行此区域，及时设置相关的防护标志。
2.2.7、试验结束之后，检查开关以及触头是否烧伤或有残留物。
3、直流系统短路故障排查方法
为尽快恢复供电,同时避免断路器合在故障线路上,直流开关保护模块通过线路测试,判别故障性质的自动重合闸功能。重合闸保护动作情况可以当做判别短路故障原因十分重要的根据。
3.1、重合闸原理
线路测试功能可以通过测量直流母线电压以及馈线电压及时判断出主回路是否可以正常工作,如此,线路测试回路电阻Rx就可以决定断路器是否被允许合闸。依据计算结果可以得知;
Rx>2.5Ω,瞬时性故障,那么重合闸成功。
Rx<2.5Ω,瞬时性故障,重合闸则就不成功。
通常是通过列车故障等外部原因或者是接触网短时闪络造成金属性短路而导致的,较多为瞬时性短路故障，同时保护类型主要为大电流脱扣、DDL-Delta-I。当前供电设备都可以实现正常运行，需要注意观察设备运行状况，
同时也应该对直流开关动作过程做好录波；组织该趟列车下线运营,安排接触网人员对于故障区段正线进行登乘巡视,待运营结束后组织相关专业对直流开关本体、接触网、列车进行较为细致的检查以及分析。
3.2、重合闸不成功此时故障应为持续性故障
若框架保护动作,应尝试对故障信号进行复位，如果复位成功的话,通过电调允许之后才可以进行试送电,依照电调的相关要求做好进一步处理；如果不可以复归的话,就需要解除故障与之相邻牵引变电所的闭锁条件,退出本所的整流机组,通过越区开关进行大双边供电。如果大电流脱扣保护动作,故障点则有可能在馈线至上网电缆处,现场人员需要听从电调安排做好设备检查工作。
3.3、既有双端量的故障定位
直流牵引供电系统的故障分析法是根据系统参数和测量得到的电压、电流,根据短路故障模型,经过分析化简得到故障定位方程,代入所需参数,求出故障点距离,从而实现短路故障点的精确定位。故障分析法按定位所需信息可以分为单端量法和双端量法。单端量法只使用单侧信息,实现起来简单方便,但难消除故障点过渡电阻和对侧系统的影响,从而导致定位精度不高。双端量法从原理上不存在过渡电阻和对侧系统。
3.4、系统阻抗的问题
应借助通信技术获取对侧的数据信息,存在数据同步、计算量大等问题。故障分析法对釆样率要求低,可靠性较高,无死区。但是该方法需要计算精确的线路参数,当线路参数存在一定误差时,会影响故障定位的精度。随着计算机技术和通信技术在牵引供电系统中的发展和应用,使获得对侧故障信息成为可能。对双端量法在牵引供电系统中的应用做了一定的研究,目前采用双端时域阻抗法的故障定位方法有基于轨电位的故障定位和基于微分方程的故障定位两种。
3.5、基于轨电位的故障定位
根据双边供电下直流牵引网稳态模型建立短路故障模型,该模型作了如下简化处理。
假定两端变电所的交流侧相同且稳定运行,即不用考虑交流侧的影响;
假定将两端整流机组根据外特性等效为带内电阻的电压源;
假定钢轨为均句对称结构,具有一致的单位长度电阻,轨道与地之间只有纯阻性的电气联系;
回流系统可以纵向分解为上、下行钢轨、排流网和接地网3个单元组成,设两牵引变电所之间的距离为,横向以长度为划分成个单元格,即=/,其中表示钢轨各单元的电阻,表示钢轨与排流网各单元的过渡电阻,表示排流网各单元的电阻,两端牵引变电所馈线电流分别为、，根据基尔霍夫定律,可以求出短路点电流,即=+
4、结语
直流牵引供电系统联锁关系比较复杂,短路故障点比较多并且面广,不容易找,需要依据故障的现象、保护动作情况、重合闸情况等等进行综合的分析。地铁供电维保人员在平常的工作之中需要不断加强设备巡视、强化作业标准,从根本之上减少短路事故的出现,并且需要不断提升自身故障分析处理能力,最大限度地减少对于地铁行车以及运营的影响。
参考文献
[1]龚廷志.直流牵引供电系统数学模型与短路计算研究[D].北京交通大学,2009.
[2]王军,翁创业.直流牵引供电系统短路试验浅析[J].电力机车与城轨车辆,2011,04:64-66.
[3]韩志杰.城轨直流牵引供电系统短路试验[J].都市快轨交通,2013,01:113-115.
[4]张华英.地铁直流牵引供电系统保护配合的探讨[J].电气化铁道,2001,03:7-9.