地鐵牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)短路故障及對策探討

范忠林

東莞市諾麗電子科技有限公司，中國·廣東 東莞 523000

1 引言

地鐵利用地下通道，節(jié)約了地面空間，在很大的程度上延緩了城市人口的出行壓力。但在地鐵的運行環(huán)節(jié)，也存在著很多隱患，制約著地鐵的運行。地鐵供電系統(tǒng)是地鐵工程中重要系統(tǒng)之一，它為地鐵列車和各種設(shè)備提供電能。在地鐵的供電系統(tǒng)中，直流側(cè)的額定電壓1500V，如此高的電壓供電系統(tǒng)直流側(cè)也易出現(xiàn)短路故障，造成地鐵的供電中斷問題。對地鐵直流系統(tǒng)短路故障進行分析，找出故障原因并進行排查，保證地鐵的順利運行，對地鐵供電系統(tǒng)的安全性提供保障具有重要意義。

2 地鐵牽引供電系統(tǒng)概述

電力牽引供電系統(tǒng)是指從電力系統(tǒng)或一次供電系統(tǒng)接收電能，通過變壓、變相或換流（將工頻交流變換為低頻交流或直流電壓）后，向電力機車負載提供所需電流制式的電能，并完成牽引電能傳輸、配電等全部功能的完整系統(tǒng)。牽引供電系統(tǒng)的性能直接影響列車牽引功率的發(fā)揮和牽引傳動控制系統(tǒng)的性能。現(xiàn)階段的地鐵牽引供電系統(tǒng)一般采用直流電，直流電具備耗材較少、節(jié)省費用的優(yōu)點，而且在事故發(fā)生后的處理環(huán)節(jié)比較簡便。就使得直流電在地鐵供電系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。牽引供電系統(tǒng)是將交流中壓電壓經(jīng)降壓整流變成直流1500V 或直流750V 的電壓，為電客車提供牽引供電。它包括牽引變電所與牽引網(wǎng)，城市地鐵供電線路的牽引供電系統(tǒng)通過牽引變電所將三相交流電轉(zhuǎn)變成適用于軌道車輛的低壓直流電（750V 或1500V），經(jīng)饋電線將直流電輸送至牽引網(wǎng)，軌道車輛通過受流器與接觸網(wǎng)的直接接觸獲得電能，由此為電客車供電[1]。

3 地鐵牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)電力故障的類型

3.1 金屬性短路

在地鐵供電系統(tǒng)中，直流側(cè)的金屬性短路是指第三軌、接觸網(wǎng)等設(shè)施和走行軌或其他建筑物之間產(chǎn)生金屬接觸，進而造成絕緣設(shè)備出現(xiàn)問題，引起設(shè)備故障的現(xiàn)象。還有可能是現(xiàn)在停電后的檢修環(huán)節(jié)，如果檢修人員在檢修工作結(jié)束后沒有將接觸網(wǎng)的接地線拆除，造成接觸網(wǎng)/軌和大地短路[2]。另外，線路上異物侵入接觸網(wǎng)/軌，導(dǎo)致短路。

3.2 非金屬性短路

在線路短路故障的類型中，除了會有金屬性短路狀況發(fā)生意外，還會存在非金屬性短路現(xiàn)象，依舊會對供電系統(tǒng)造成嚴重的影響。非金屬性短路是由第三軌和走行軌在電阻短路和絕緣裝置出現(xiàn)問題引發(fā)的?；蚴窃谠O(shè)備的運行過程中，由于線路使用時間過長，相關(guān)設(shè)備的絕緣裝置出現(xiàn)老化，絕緣層不能保護電路的作用，進而造成電流的泄露，經(jīng)過相關(guān)導(dǎo)電物品，最終流動到電力的負極，引發(fā)直流側(cè)短路故障。在非金屬性線路短路故障發(fā)生之后，由于非金屬性產(chǎn)生的電流相對較小，就很難在事故發(fā)生之前對故障進行察覺，所以非金屬性短路故障造成的危害較之金屬性短路更加嚴重，甚至可能產(chǎn)生電弧，對操作人員造成生命危險。

4 地鐵牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)電力故障的產(chǎn)生原因

4.1 自然原因

在地鐵的牽引供電中，正極對地短路是常見的一種故障，地鐵供電系統(tǒng)直流側(cè)為了避免線路漏電，具備多種絕緣保護裝置。例如，采用對地絕緣的安裝方法，在帶電金屬裝置和大地之間設(shè)置直流框架電流泄露保護裝置。當這些絕緣裝置出現(xiàn)老化、破損等現(xiàn)象時，供電設(shè)備產(chǎn)生的正極電流就會經(jīng)由金屬設(shè)備外殼和大地產(chǎn)生對地短路故障，這就是正極對地短路。在露天的線路中，存在雷擊破壞絕緣設(shè)備的現(xiàn)象，也會造成接觸網(wǎng)和地線之間產(chǎn)生短路。

4.2 操作原因

在電力系統(tǒng)中，也會出現(xiàn)正負極相連，造成供電線路電壓瞬間增大，破壞線路造成短路故障。在解控線路的搭建和施工維修過程中，會出現(xiàn)操作人員施工不當造成架空電網(wǎng)和鋼軌接觸，施工不當造成的架空線路掉落，接觸到鋼軌，或者是機車頂部在接觸網(wǎng)的操作過程中出現(xiàn)電力線路連接錯誤等行為時，就會導(dǎo)致電力的正負極直接相通，正負極間沒有負載而是直接接通被稱為短路現(xiàn)象，一旦發(fā)生就會產(chǎn)生上萬甚至十幾萬安的大電流。因此，會產(chǎn)生大量的熱量，損毀設(shè)備，電弧會將許多元件短時間融化。同時，產(chǎn)生的電流還會帶來一定的電磁力，它同樣會損壞設(shè)備，同樣可能造成重大火災(zāi)及傷害事件。

4.3 設(shè)備原因

在設(shè)備的使用過程中，當相關(guān)的機電設(shè)備、線路裝置和絕緣設(shè)備等出現(xiàn)故障時，也會造成直流側(cè)短路故障。在相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)故障，造成接觸網(wǎng)和走行軌接觸，就會造成正極對走行軌短路故障。

5 地鐵牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)電力故障的發(fā)現(xiàn)和治理措施

5.1 利用重合閘對線路故障進行判斷

在線路的故障對策中，電力檢修人員可以利用重合閘對線路進行檢查，找出故障位置并進行治理。在線路的治理環(huán)節(jié)，可以通過對直流母線的電壓進行測量，然后將計算結(jié)果和標準值進行對比，如果結(jié)果在標準值范圍內(nèi)。就表示可以進行合閘，若結(jié)果在標準值之外，故障就比較嚴重，重合閘就不會合并。當重合閘不成功時，線路的故障就是線路出現(xiàn)斷裂或者是絕緣設(shè)備常出現(xiàn)問題等重大損壞，這時候，如果設(shè)置有框架保護系統(tǒng)，就可以試著將相應(yīng)地區(qū)的線路斷開，然后通過實施大雙邊供電，電力系統(tǒng)出現(xiàn)脫扣保護時，相關(guān)工作人員就可以對設(shè)備進行檢查[3]。

5.2 行波故障尋找法

在直流線短路故障排查中，行波法是常見的一種電力故障檢修方法，這種方法通過行波傳輸對故障部位進行確定，然后進行維修。具體的操作方法是，行波在線路中會以勻速狀態(tài)傳播，這時候如果景觀存在故障部位，就會在速度上和時間上產(chǎn)生差異，相關(guān)人員就可以通過對行波相關(guān)數(shù)字進行計算，從而得到故障的位置。這種方法在使用過程中十分簡便，而且效率高，十分精準，所以在直流側(cè)短路故障的檢測中被廣泛應(yīng)用。但是這種方法也有自身的缺陷，就是相關(guān)的設(shè)備造價很高，而且設(shè)備需要具備一定的操作技術(shù)才能使用。

5.3 大電流脫扣保護裝置

在直流側(cè)短路故障中，不能單單只進行故障的檢修和確定，還要擁有能夠在故障發(fā)生時能夠起到阻斷電流作用的相關(guān)裝置，避免造成更大的危害。大電流脫扣保護能夠在電路中電流超標時切斷電路，保護線路，也避免造成更大的破壞。在線路發(fā)生短路時，會在線路中產(chǎn)生強大的電流，很容易就會對下路造成重大破壞，如果沒有對電流進行阻斷，就會造成重大的危害[4]。所以，就需要在電流對線路造成破壞之前截斷電流。大電流脫扣保護裝置內(nèi)部有電流識別裝置，當經(jīng)過的電流達到一定數(shù)值時，就會自動跳閘，進而保護線路。

6 結(jié)語

在地鐵的發(fā)展過程中，為大眾出行帶來了極大的方便，但地鐵運行需要電力系統(tǒng)可靠而穩(wěn)定維持，地鐵線路很容易出現(xiàn)短路現(xiàn)象，牽引線路直流側(cè)短路故障就是其中之一，在自然、設(shè)備和技術(shù)等原因的影響下，直流側(cè)會發(fā)生金屬性短路和非金屬性短路兩類故障，可以通過性行波法和重合閘等方法進行檢測，然后設(shè)置大電流脫扣保護裝置進行故障保護，避免直流側(cè)短路故障對地鐵供電系統(tǒng)造成更大的危害。