直流牽引供電系統(tǒng)短路故障淺析

韓妮樂 于勉

摘 要：本文結(jié)合地鐵供電故障實(shí)例，深入剖析了直流牽引系統(tǒng)保護(hù)情況及短路故障原因，并結(jié)合重合閘原理，總結(jié)出了直流系統(tǒng)短路故障的判斷方法及處理措施，使地鐵維保人員在故障發(fā)生后能夠快速、準(zhǔn)確地查找到故障點(diǎn)，及時(shí)進(jìn)行處理，減少故障對地鐵運(yùn)營的影響，對地鐵供電系統(tǒng)的應(yīng)急搶修具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：直流 短路 保護(hù) 重合閘

中圖分類號：U321 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（b）-0148-01

直流牽引系統(tǒng)為地鐵列車提供動(dòng)力，其安全可靠運(yùn)行是地鐵安全、可靠運(yùn)營的保證?？v觀地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，牽引變電所內(nèi)直流系統(tǒng)的故障形式主要有：短路故障、過負(fù)荷故障、過電壓故障等。最常見且危害最大的當(dāng)屬短路故障，一旦發(fā)生直流系統(tǒng)短路將直接中斷正線行車，造成地鐵停運(yùn)。因而如何快速地查找、處理直流系統(tǒng)短路故障，顯得尤為重要。直流系統(tǒng)短路故障按原理可分為兩種：一種是正極對負(fù)極短路；另一種是正極對地短路。

1 直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作情況

1.1 短路故障案例

正極對地短路。因施工原因，造成A變電所周圍埋設(shè)的直流饋線電纜接地，使所內(nèi)控制信號盤二次回路、上網(wǎng)隔開操作箱發(fā)生大面積燒灼，并伴有冒煙和火花，隨即所內(nèi)相應(yīng)直流開關(guān)同時(shí)跳閘，整個(gè)直流系統(tǒng)癱瘓、供電中斷，故障時(shí)最大峰值電流為5527 A，DDL-Delta-I保護(hù)、框架保護(hù)動(dòng)作，時(shí)間為23 ms。

正極對負(fù)極短路。地鐵運(yùn)營時(shí)段，列車運(yùn)行至某接觸網(wǎng)供電區(qū)間，因受電弓上方遺留的金屬工具在列車行駛過程中與接觸網(wǎng)、車體碰撞發(fā)生短路，造成直流開關(guān)大電流脫扣及DDL Delta I保護(hù)動(dòng)作而跳閘，中斷地鐵運(yùn)營5 min以上，故障時(shí)兩端短路電流分別達(dá)到12925 A、13657 A（大電流脫扣保護(hù)定值為8000 A）。

以上兩起事故均造成了接觸網(wǎng)停電及列車中斷，故障瞬間產(chǎn)生很大的短路電流，電壓驟降，對線路形成巨大損壞。

1.2 保護(hù)配置原則

直流系統(tǒng)的多數(shù)保護(hù)都是為了切除正極對負(fù)極短路故障，一般為大電流脫扣、DDL-Delta-I保護(hù)，框架保護(hù)則是為了切除正極對地短路故障。

1.2.1 大電流脫扣保護(hù)

用以快速切除金屬性近端短路故障，通過斷路器內(nèi)設(shè)置的脫扣器實(shí)現(xiàn)。一旦檢測到瞬時(shí)短路電流超過保護(hù)定值，磁場產(chǎn)生的作用力將使斷路器動(dòng)、靜觸頭迅速脫扣，使斷路器跳閘，起到保護(hù)作用，其固有動(dòng)作時(shí)間僅幾毫秒，往往先于電流上升率及電流增量保護(hù)動(dòng)作。

1.2.2 di/dt和ΔI保護(hù)

兩種保護(hù)相互配合使用，簡稱DDL-Delta-I，應(yīng)用于中、遠(yuǎn)端短路故障保護(hù)，既能切除近端短路電流，也能切除大電流脫扣保護(hù)不能切除的故障電流較小的遠(yuǎn)端短路故障，誰較早激活就由誰先出口跳閘。

1.2.3 框架保護(hù)

直流設(shè)備外殼即為框架，框架泄露保護(hù)由電流元件和電壓元件組成。當(dāng)任意一個(gè)直流設(shè)備內(nèi)發(fā)生正極對外殼短路時(shí)，接地電流通過框架電流元件流入綜合接地網(wǎng)，再通過鋼軌與地之間的絕緣泄漏電阻回到鋼軌（負(fù)極）。當(dāng)接地電流超過整定值（80 A）時(shí)，框架泄漏保護(hù)的電流元件迅速動(dòng)作。電壓元件檢測設(shè)備外殼與直流設(shè)備負(fù)極之間的電位差，等價(jià)于鋼軌和地之間的電壓，與軌電位限制裝置配合使用。

2 直流系統(tǒng)短路故障原因

牽引電流經(jīng)直流饋線開關(guān)、饋線電纜、上網(wǎng)隔離開關(guān)輸送到接觸網(wǎng)上，再經(jīng)列車、鋼軌、回流線回到負(fù)極，形成一個(gè)有效的閉合回路。造成直流牽引供電系統(tǒng)短路故障的原因總體來說歸納為以下兩大類。

2.1 正極對負(fù)極短路故障

多數(shù)是由于架空接觸網(wǎng)對鋼軌短路所引起的，如接觸網(wǎng)斷線掉落到鋼軌上、機(jī)車頂部對接觸網(wǎng)放電、錯(cuò)誤掛接地線等，造成直流正極對負(fù)極瞬時(shí)短路，短路電流可達(dá)幾萬安，導(dǎo)致直流開關(guān)大電流脫口保護(hù)瞬間動(dòng)作，DDL-Delta-I相繼啟動(dòng)。

2.2 正極對大地短路故障

設(shè)備本體：老鼠、蜈蚣等小動(dòng)物爬入帶電回路；小金屬線頭、未使用的螺絲、墊圈等零件，掉落在帶電回路上，造成直流正極與框架短路，引起框架保護(hù)動(dòng)作。

線路：可能是接觸網(wǎng)、饋線或變電所饋線電纜接地；絕緣子擊穿、折斷；隔離開關(guān)處于接地狀態(tài)、引線脫落；接觸網(wǎng)對架空地線放電；機(jī)車主回路接地等。

正極接地故障多為持續(xù)性短路故障，如不及時(shí)清除，容易將故障擴(kuò)大為直流正極通過綜合接地裝置、鋼軌與地之間的泄露電阻到負(fù)極的短路事故，對多處直流設(shè)備將造成嚴(yán)重?zé)龘p，破壞性及危害更大。

3 直流系統(tǒng)短路故障排查方法

為盡快恢復(fù)供電，同時(shí)避免斷路器合到在故障線路上，直流開關(guān)保護(hù)模塊具有通過線路測試，判別故障性質(zhì)的自動(dòng)重合閘功能。重合閘成功與否和保護(hù)動(dòng)作情況可作為判別短路故障原因的重要依據(jù)。

3.1 重合閘原理

線路測試功能通過測量直流母線電壓和饋線電壓可以判斷出主回路是否正常工作，這樣一來，線路測試回路電阻Rx將決定斷路器是否被允許合閘。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：

Rx>2.5Ω，瞬時(shí)性故障，重合閘成功。

Rx<2.5Ω，瞬時(shí)性故障，重合閘不成功。

注：框架保護(hù)不起動(dòng)線路測試和重合閘。

3.2 重合閘成功

一般是由列車故障等外部原因或接觸網(wǎng)短時(shí)閃絡(luò)造成金屬性短路所致，多為瞬時(shí)性短路故障，且保護(hù)類型多為大電流脫扣、DDL-Delta-I。此時(shí)供電設(shè)備均能夠正常運(yùn)行，應(yīng)注意觀察設(shè)備運(yùn)行狀況并對直流開關(guān)動(dòng)作過程進(jìn)行錄波；組織該趟列車下線運(yùn)營，安排接觸網(wǎng)人員對故障區(qū)段正線進(jìn)行登乘巡視，待運(yùn)營結(jié)束后組織相關(guān)專業(yè)對直流開關(guān)本體、接觸網(wǎng)、列車做詳盡的檢查和分析。

3.3 重合閘不能成功

此時(shí)故障應(yīng)為持續(xù)性故障。若框架保護(hù)動(dòng)作，應(yīng)嘗試對故障信號進(jìn)行復(fù)歸。若復(fù)歸成功，經(jīng)電調(diào)允許后進(jìn)行試送電，按照電調(diào)要求作進(jìn)一步處理；若不能復(fù)歸，則解除故障所對相鄰牽引變電所的閉鎖條件，退出本所的整流機(jī)組，通過越區(qū)開關(guān)進(jìn)行大雙邊供電。若大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作，故障點(diǎn)有可能在饋線至上網(wǎng)電纜處，現(xiàn)場人員應(yīng)聽從電調(diào)安排進(jìn)行設(shè)備檢查。

3.4 后續(xù)處理措施

對于變電所，仔細(xì)檢查直流斷路器動(dòng)靜觸頭、滅弧柵片等，對燒傷部分進(jìn)行打磨、更換；若為電纜故障，使用電纜故障測試儀對故障點(diǎn)進(jìn)行定位，故障點(diǎn)找到后，做電纜中間接頭，將兩端非故障電纜連接起來；若為接觸網(wǎng)或列車故障，應(yīng)采用打磨、重新連接或更換元器件等措施滿足檢修標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

直流牽引供電系統(tǒng)聯(lián)鎖關(guān)系較為復(fù)雜，短路故障點(diǎn)多面廣，不易查找，應(yīng)根據(jù)故障現(xiàn)象、保護(hù)動(dòng)作情況、重合閘情況等綜合分析。地鐵供電維保人員在日常工作中應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備巡視、強(qiáng)化作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從根本上杜絕短路事故的發(fā)生，同時(shí)提高自身故障分析處理能力，最大限度地減少對地鐵行車及運(yùn)營影響。

參考文獻(xiàn)

[1]徐勁松，高勁，江平，等.淺析地鐵直流牽引變電所的保護(hù)原理[J].電氣化鐵道，2003.

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