城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)故障分析及若干問題的研究

蘆彬

北京市地鐵運營有限公司，中國·北京 100082

1 引言

在當前的社會環(huán)境中，城市軌道交通已經(jīng)成為城市內(nèi)部的主流交通方式，而隨著軌道線路以及客運壓力的不斷提升，其對于城市軌道交通供電系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性提出了更高的要求。而為了提高城市軌道交通系統(tǒng)供電的可靠性，一方面應當對機電保護措施以及供電方案進行優(yōu)化處理，確保其能夠滿足供電系統(tǒng)的基本需求，并通過全新的保護算法來提升繼電保護裝置的靈敏性；另一方面，還可以對牽引網(wǎng)故障進行分析，確保產(chǎn)生的系統(tǒng)故障問題可以得到精準定位，對故障進行高效的檢修排查，使得供電系統(tǒng)可以恢復到正常運轉(zhuǎn)的狀態(tài)中。而站在實際情況的角度上來看，目前城市軌道交通的直流牽引系統(tǒng)并沒有構(gòu)建出成熟的故障定位裝置，很難滿足城市軌道交通高速發(fā)展的基本需求，因此，這就需要對直流牽引系統(tǒng)的故障問題進行深入分析，保證城市軌道交通系統(tǒng)可以處在正常的運轉(zhuǎn)狀態(tài)中。

2 城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)的基本概述

在城市軌道交通當中的直流牽引供電系統(tǒng)中，其能夠為城市軌道交通的正常運轉(zhuǎn)提供更加充足的電能，而在具體的供電電源方面，主要就來自于城市電網(wǎng)，利用城市電網(wǎng)與軌道交通供電系統(tǒng)之間的輸送以及變換，就能夠以對應的電壓等級來將電能供應至城市軌道交通當中的各類設備當中。因此，這就可以將地鐵供電系統(tǒng)詳細劃分為兩個部分，第一部分為城市電網(wǎng)當中所引入的電源，而另一部分則是地鐵內(nèi)部供電系統(tǒng)所提供的電源，也就是常說的供電系統(tǒng)，其中具體包括中壓環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)以及供配電系統(tǒng)等。同時，城市軌道交通也屬于城市電網(wǎng)內(nèi)部的重要用戶，通常情況下都可以直接在城市電網(wǎng)當中來獲取對應的電能，并不需要單獨建設電場。在當前的社會環(huán)境中，城市電網(wǎng)在地鐵供電方面的電壓等級主要為110kV、63kV、35kV 以及10kV 等，而具體選擇哪一種電壓等級，就要在綜合考慮到城市電網(wǎng)主要構(gòu)成特點以及地鐵的實際需求過后進行確定。首先為主變電所，針對那些集中式的外部電源方案內(nèi)容，就要根據(jù)實際情況來構(gòu)建出軌道交通專屬的主變電所，為城市軌道交通的直流牽引系統(tǒng)提供必要的電能，其內(nèi)部的主要功能就在于接受城市電網(wǎng)所提供的高壓電源，在經(jīng)過降壓處理過后提供出中壓電源；其次為中壓環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，通過中壓電纜，可以在縱向的角度上將上級變電所、下級變電所以及降壓變電所有效連接在一起，在橫向上也能夠?qū)⒏鞔鬆恳冸娝c降壓變電所進行連接，構(gòu)建出穩(wěn)定性更高的中壓網(wǎng)絡，在具體功能方面與電力系統(tǒng)內(nèi)部的輸電線路較為類似；再次為牽引供電系統(tǒng)，牽引供電系統(tǒng)具備的主要功能，就是將交流中亞電壓經(jīng)過整流以及降壓處理后，轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?500V 電壓或是750V電壓，從而為軌道交通中的列車提供出必要的牽引電能；最后為供配電系統(tǒng)，這一系統(tǒng)主要是為除卻列車之外的動力設備提供電能，比如車站區(qū)間的動力、自動化用電設備以及照明系統(tǒng)等[1]。

3 城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)的故障分析與問題

在城市軌道交通高速發(fā)展的背景下，其同時也為內(nèi)部直流牽引供電系統(tǒng)的安全運轉(zhuǎn)帶來了一些問題，比如城際線路以及城郊線路的供電距離比較長、線路老化問題較為嚴重以及其他一些人為因素等，都很可能會導致直流牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生故障，對城市軌道交通系統(tǒng)的安全運轉(zhuǎn)產(chǎn)生嚴重威脅。同時，在直流牽引供電系統(tǒng)的牽引網(wǎng)部分，也會進一步引發(fā)出多種故障問題或是不正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)出現(xiàn)，而最主要的故障形式就在于短路故障問題，不正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)則是超負荷運轉(zhuǎn)。在對城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)故障問題進行分析的過程中，針對直流牽引供電系統(tǒng)短路問題所進行的分析相對較為復雜，絕對不能單純地采用某一種計算方式進行計算，而是要根據(jù)直流牽引系統(tǒng)所具備的主要結(jié)構(gòu)特點來構(gòu)建出與之對應的數(shù)學模型，通過電路定律來對短路電流存在的變化特征展開深入分析。而城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)所進行的短路計算，其具備著較為顯著的特殊性，主要就在于以下幾方面：首先為供電電源比較多，在地鐵直流牽引供電系統(tǒng)當中，其屬于一種由牽引網(wǎng)與牽引變電所共同組成的多電源網(wǎng)絡，在接觸網(wǎng)部位產(chǎn)生短路故障過后，全線的牽引變電所都會向短路部位進行供電，同時，由于整流機組所具備的外特性，也會使得接觸網(wǎng)上所形成的回路會對短路點貢獻電流。因此，在進行故障分析的過程中，就要進一步考慮到兩側(cè)牽引變電所與上下行接觸網(wǎng)之間的影響；其次，城市軌道交通的直流牽引供電系統(tǒng)所采用的供電方式比較多，根據(jù)運營的基本需求，在每一個供電分區(qū)當中都可以進行單邊供電、雙邊供電以及大雙邊供電等多種模式；最后，涉及的供電回路與供電參數(shù)比較多，直流牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部的供電電源與供電方式較多，這就會導致供電回路比較多，整體網(wǎng)絡較為復雜等現(xiàn)象出現(xiàn)[2]。

4 城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)故障問題的處理措施

4.1 基于穩(wěn)態(tài)電氣量比值的故障定位措施

城市軌道交通系統(tǒng)的直流牽引供電系統(tǒng)雙邊供電的前提下，如果在直流側(cè)方面產(chǎn)生了短路故障，接觸網(wǎng)上的主要短路點電流，大多都來自于某一個供電區(qū)當中的牽引變電所，大約80%左右是來自于鄰近的兩個變電所當中，這就需要在直流牽引供電系統(tǒng)故障問題的定位處理過程中，綜合考慮到電流貢獻最大的兩個變電所，而由于牽引網(wǎng)內(nèi)部的主要供電距離比較短，就應當采用集中的參數(shù)模型。在理論分析過程中，直流牽引變電所完全可以根據(jù)諾頓定理來構(gòu)建出等效模型，其中最為理想的電壓源就是牽引變電所內(nèi)部直流母線所具備的空載電壓，而其中的具體指數(shù)是由交流電源電壓以及電路的拓撲結(jié)構(gòu)所決定的，等效內(nèi)阻抗則是由整流元件電壓、整流變壓器阻抗以及電路的工作狀態(tài)決定的。在上述的定位原理當中，為了有效降低暫態(tài)電流以及時間不同步等問題所產(chǎn)生的影響，就應當采用示波圖法來進一步計算出穩(wěn)態(tài)短路的電流值，而后將其引入到故障定位中進行計算，其中可以明顯看出，直流饋線電壓數(shù)值相對于短路電流來說，其所產(chǎn)生的變化相對較小，而故障定位結(jié)果的精準程度則與穩(wěn)態(tài)電流的代銷有著緊密聯(lián)系，同時，饋線電壓也會隨著時間的變化逐步恢復到穩(wěn)定的狀態(tài)中，這就不需要對短路電壓的穩(wěn)態(tài)值進行額外計算[3]。

4.2 基于時域微分的故障定位措施

在城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的線路故障定位中，可以采用時域微分的故障定位措施，并對直流輸電線路自身所具備的特點展開綜合考慮。而在進行深入研究過后，發(fā)現(xiàn)通過貝瑞隆模型的應用，不僅可以對模型計算線路沿線電壓的分布狀態(tài)進行準確計算，還可以對故障部位電壓最低的部分進行故障定位，而貝瑞隆模型在本質(zhì)上屬于一種近似模型，將其在城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)當中進行應用還需要進一步考證。而在產(chǎn)生非金屬性故障時，線路始端到故障點之間的壓降不夠明顯，應用這種方式的定位精度比較低，這也突出了其在故障類型方面的局限性。因此，這就需要對城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、運行特性與參數(shù)等內(nèi)容進行深入分析，提出基于時域分為的故障定位方式，這種方式在應用時不會受到非周期分量等因素產(chǎn)生的影響，還具備著快速性以及簡便性等多種特征，在實際應用方面具備著較高的研究價值[4]。

5 結(jié)論

在當前的社會環(huán)境中，為了保證城市軌道交通能夠更好地運轉(zhuǎn)，就必須加大對于直流牽引供電系統(tǒng)的重視程度，準確找尋出其內(nèi)部存在的故障問題，并對故障以及若干問題進行深入分析，并通過對應的故障定位措施來更好地解決這些問題，以此來促進整體城市軌道交通的穩(wěn)定發(fā)展。