直流側(cè)短路電流在城市軌道交通供電中的故障定位分析

崔冬建,白 群,伍箴樹,李孟倩,方 焰

(1.北方國(guó)際合作股份有限公司,北京 100000；2.南京國(guó)電南自軌道交通工程有限公司,江蘇 南京 210032)

0 引言

伊朗首都德黑蘭從20世紀(jì)70年代末即開始計(jì)劃設(shè)計(jì)修建地下鐵道,其間工程曾被擱置,直至20世紀(jì)90年代中國(guó)公司接手才重新復(fù)工。目前,德黑蘭地鐵共有7條線路,總長(zhǎng)約230 km,日運(yùn)輸量達(dá)到500萬人次,運(yùn)營(yíng)總里程220.5 km。在德黑蘭城市軌道列車實(shí)際運(yùn)行的過程中,地鐵牽引供電系統(tǒng)是動(dòng)力來源,更是運(yùn)行中安全性和可靠性的保障。但是,在實(shí)際的運(yùn)行過程中,由于一些客觀因素的影響,直流系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)短路故障和過電壓故障等,這對(duì)地鐵的安全運(yùn)行造成了嚴(yán)重的影響。為了減少直流側(cè)短路電流對(duì)城市軌道交通供電的影響,筆者對(duì)其故障定位進(jìn)行了分析,提高了城市軌道運(yùn)行的安全性。

1 城市軌道交通供電直流側(cè)短路故障的類型

1.1 金屬性短路

金屬性故障主要就是在地鐵實(shí)際的運(yùn)行過程中,由于第三軌與走行軌間直接金屬接觸后,導(dǎo)致其絕緣支架擊穿,這個(gè)時(shí)候就會(huì)形成與大地的短路。如在2010年的時(shí)候,北京地鐵中的一名乘客所帶的金屬水平尺從身上掉落,導(dǎo)致金屬性短路故障的發(fā)生。此外,另一個(gè)原因也會(huì)導(dǎo)致這種事故的發(fā)生,就是檢修人員在停電檢修作業(yè)的過程中,沒有結(jié)合實(shí)際情況及時(shí)將接觸網(wǎng)接地線撤銷,在恢復(fù)電的時(shí)候,就會(huì)發(fā)生金屬性短路故障。在這個(gè)過程中,如果技術(shù)人員在運(yùn)行期間不能及時(shí)對(duì)故障位置進(jìn)行確定,就會(huì)對(duì)軌道交通的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重的影響[1]。

1.2 非金屬性短路

當(dāng)城市地鐵在具體的運(yùn)行過程中,第三軌與走行軌經(jīng)過渡電阻短路,或者是絕緣泄漏的話,就會(huì)發(fā)生非金屬性短路故障。如在天氣惡劣的背景下,也就是雨雪天氣下,暴露在外面的城市輕軌就會(huì)受到雨水和積雪的影響,這些雨雪間接成為導(dǎo)體,讓鐵軌在實(shí)際的運(yùn)行過程中發(fā)生短路。地鐵在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的過程中接觸網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)絕緣老化等現(xiàn)象,也會(huì)導(dǎo)致電流外放。與金屬性故障相比,非金屬性故障所產(chǎn)生的電流比較小,所以檢修人員在實(shí)際的檢修過程中,如果不加強(qiáng)力度對(duì)其進(jìn)行全面檢查,就很難發(fā)現(xiàn)這種故障,隨著故障進(jìn)一步擴(kuò)大,會(huì)給人們的出行帶來影響。

2 直流側(cè)短路電流對(duì)城市軌道交通供電的影響

2.1 正極對(duì)負(fù)極短路的影響

這種故障的發(fā)生主要就是由于架空接觸網(wǎng)對(duì)鋼軌短路導(dǎo)致的。如果接觸網(wǎng)斷線掉落到了機(jī)車頂?shù)炔课?就會(huì)對(duì)其進(jìn)行放電,這個(gè)時(shí)候就會(huì)造成直流正極對(duì)負(fù)極短路現(xiàn)象的發(fā)生,在這個(gè)過程中的短路電流可達(dá)到幾萬安。因此,工作人員在這個(gè)過程中,一定要加強(qiáng)對(duì)電流的控制,防止意外事故的發(fā)生[2]。

2.2 正極對(duì)大地短路故障

在地鐵運(yùn)行中,如果老鼠和蜈蚣等動(dòng)物爬入帶電回路,就會(huì)導(dǎo)致小金屬線頭和墊圈等零件出現(xiàn)問題,掉落在帶電回路上,對(duì)直流正極和架短路造成嚴(yán)重影響。在這個(gè)過程中,如果線路發(fā)生了問題也會(huì)導(dǎo)致這種故障的發(fā)生,其接觸網(wǎng)和變電所饋線電纜接地,隔離開關(guān),它會(huì)處于接地狀態(tài)。根據(jù)相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn),正極接地故障大多數(shù)為持續(xù)性短路故障,所以相關(guān)工作人員如果不對(duì)其進(jìn)行及時(shí)清除,就會(huì)導(dǎo)致直流設(shè)備嚴(yán)重?zé)龘p,造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

2.3 正極對(duì)走行軌短路故障

這種故障也被叫作電接觸網(wǎng)對(duì)走行軌短路,導(dǎo)致這種問題發(fā)生的主要因素是機(jī)車故障等外部原因。在接觸網(wǎng)對(duì)走行軌發(fā)生短路故障的時(shí)候,其電流會(huì)受到短路故障點(diǎn)的影響,隨著其離牽引,導(dǎo)致變電的距離不同,在特性上存在一定的差異性[3]。

如果離牽引變電在較近處發(fā)生故障的時(shí)候,線路中產(chǎn)生的沖擊電流會(huì)變得非常大,并且短路電流上升的速度也比較快。如果在實(shí)際的工作過程中不對(duì)這種故障進(jìn)行及時(shí)處理,就會(huì)導(dǎo)致短路故障的發(fā)生,對(duì)相關(guān)的電流設(shè)備造成嚴(yán)重的影響。

3 直流側(cè)短路電流對(duì)城市軌道交通供電的故障定位方法

3.1 直流側(cè)短路故障的排查方法

技術(shù)人員在對(duì)其故障進(jìn)行精準(zhǔn)定位的時(shí)候,要對(duì)故障的性質(zhì)以及產(chǎn)生故障的因素等進(jìn)行分析,對(duì)自動(dòng)合閘功能進(jìn)行判別,這是分析短路故障的基礎(chǔ)。技術(shù)人員在實(shí)際的工作過程中,可以判斷直流母線等對(duì)主回路工作的影響,然后結(jié)合實(shí)際情況,選擇合理的故障排除方法[4]。

在對(duì)直流側(cè)短路電流進(jìn)行故障排除檢查的過程中,如果合閘成功,技術(shù)人員這個(gè)時(shí)候就能確定此故障主要是由于外界原因所導(dǎo)致的,或者還有可能是接觸網(wǎng)短閃造成的金屬性短路,由于這種故障所產(chǎn)生的電流比較小,所以難以發(fā)現(xiàn)。當(dāng)這種故障發(fā)生的時(shí)候,列車各種設(shè)備能夠正常運(yùn)行,但是為了保證其安全性,工作人員還是要對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行記錄,對(duì)實(shí)際的運(yùn)行情況做詳細(xì)檢查。

如果合閘不成功,可能是持久性故障,這個(gè)時(shí)候工作人員要對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位過程如果成功,就可以根據(jù)相關(guān)要求進(jìn)行進(jìn)一步處理,但是如果其操作失敗,技術(shù)人員要對(duì)相鄰牽引所的封閉條件進(jìn)行解除,防止其他意外事故的發(fā)生,加強(qiáng)對(duì)電流的保護(hù),對(duì)線路和設(shè)備進(jìn)行全面檢查。

3.2 阻抗法

如今,隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,阻抗法得到了一定的應(yīng)用和研究,它是一種新型的故障定位法,并且具有較高的定位精確度,對(duì)采樣率的要求也不是特別高,它在直流側(cè)短路電流故障檢測(cè)中的應(yīng)用幾乎不受短路過渡電阻的影響,大大地提高了定位的精確度。技術(shù)人員可以根據(jù)工作原理的不同,將其合理地分為單端阻抗法以及雙端阻抗法。

單端阻抗法的工作原理是比較簡(jiǎn)單的,其實(shí)施性也比較高,對(duì)整個(gè)設(shè)備的裝置費(fèi)用也較低,但是這種方式還存在著一定的不足,就是單端阻抗法對(duì)故障的判斷以及定位精度較差,技術(shù)人員還需要對(duì)其進(jìn)一步完善。雙端阻抗法的作用原理,主要是通過推算直流系統(tǒng)內(nèi)的兩端電壓和流量,不斷獲取電流故障中的定位信息,為工作人員對(duì)故障的修護(hù)提供了一定便利,這種方式主要結(jié)合了現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)以及先進(jìn)的設(shè)備,所以它具有較高的故障定位準(zhǔn)確性,是直流側(cè)短路電流故障定位中最常用的方式[5]。

3.3 貝瑞隆模型故障定位方式

貝瑞隆模型的主要工作原理,是利用波過程的原理,利用混合波圖案對(duì)波多次反射以及折射等內(nèi)容和特點(diǎn)進(jìn)行分析,然后結(jié)合分析的結(jié)果建立分布參數(shù)輸電線路微分方程,技術(shù)人員可以通過利用方程,對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息的計(jì)算來獲得故障的位置。從理論上來說,貝瑞隆模型能夠?qū)θ魏沃绷鱾?cè)短路故障進(jìn)行定位,但是在實(shí)際的定位過程中,隨著電阻變大,定位精度要越來越小,如果要不斷提高定位精確度,要與阻抗法相結(jié)合,采取措施對(duì)整個(gè)故障定位技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。因此一定要根據(jù)實(shí)際情況,合理應(yīng)用這種定位方式。

如果這兩種方法在對(duì)直流側(cè)短路電流故障定位的過程中都適用,技術(shù)人員人要在實(shí)際工作中,首先考慮阻抗法故障定位,當(dāng)直流側(cè)短路故障發(fā)生,在進(jìn)行維護(hù)工作后,阻抗法就不能在其中應(yīng)用了,這個(gè)時(shí)候相關(guān)的技術(shù)人員在進(jìn)行故障定位的過程中,就要結(jié)合貝瑞隆模型不斷獲取定位信息。

在框架保護(hù)的過程中,由于接觸線為正極,走行軌作為負(fù)極,電流在這個(gè)過程中可以沿著走行軌返回,也可以在大地返回。如果一直這樣,就會(huì)導(dǎo)致較大電流出現(xiàn),造成電流不穩(wěn)定,如果技術(shù)人員不對(duì)其進(jìn)行處理,就會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)短路故障的發(fā)生,所以技術(shù)人員要結(jié)合實(shí)際情況,采取措施加強(qiáng)對(duì)框架保護(hù),讓正和負(fù)極之間處于絕緣狀態(tài),防止電流對(duì)相關(guān)設(shè)備的影響[6]。

3.4 行波法

在對(duì)直流側(cè)短路電流故障進(jìn)行定位的過程中,行波法也是其中經(jīng)常用到的一種方法。這種方法的主要作用原理是在行波傳輸理論的基礎(chǔ)上,對(duì)直流側(cè)短路電流發(fā)生故障的部位進(jìn)行定位,然后利用對(duì)不同故障行波,對(duì)其到達(dá)測(cè)量裝置的速度以及時(shí)間差進(jìn)行全面分析,根據(jù)具體的研究結(jié)果計(jì)算故障的具體位置。

行波法在故障定位中具有非常多的優(yōu)勢(shì),它能大大提高定位的精確度,所以這種方法被廣泛地應(yīng)用在檢測(cè)直流側(cè)短路電流故障部位的過程中。但是,這種定位方式在城市地鐵交通直流供電系統(tǒng)中的應(yīng)用還存在一定的不足,它對(duì)測(cè)量設(shè)備的要求非常高,這就導(dǎo)致設(shè)備的投資成本非常大。所以技術(shù)人員在對(duì)直流側(cè)短路電流故障進(jìn)行定位的過程中,要想不斷提高電流故障定位信息的準(zhǔn)確性,要結(jié)合城市地鐵實(shí)際的運(yùn)行情況,合理選擇故障定位方式,這樣才能有效避免電流故障的發(fā)生[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著德黑蘭交通事業(yè)的不斷發(fā)展,城市軌交在人們出行過程中起著越來越重要的作用。由于直流側(cè)短路電流會(huì)對(duì)城市軌道交通供電帶來一定的影響,為了避免相關(guān)故障的發(fā)生,需要對(duì)故障定位的方法進(jìn)行了合理應(yīng)用,為人們的出行安全提供了保障。