地铁供电系统直流侧短路故障研究

地铁供电系统直流侧短路故障研究

王永森

522121198501170815， 贵州 贵阳 550000

摘要：地铁供电系统是列车运行驱动能源，它的安全、可靠是地铁正常运营的重要保证。供电系统是地铁所有系统中的一个极为重要的设备系统之一，影响着列车运行和旅客安全。在地铁供电系统中，直流系统是供电系统选型和整定计算基础，也是判定其可靠性、灵敏性的基础。根据地铁供电系统运行实际，指出了直流侧短路故障原因、类型和应急处置以及相应故障检测方法。由于短路故障是最常见的故障之一，一旦发生，严重的将会造成列车晚点或停运事件。因此，如何有效的检测和判定故障，尤为重要。基于此，本文对地铁供电系统直流侧短路故障进行探讨。

关键词：地铁；供电系统；直流侧；短路故障

近些年，城市轨道交通发展迅速，地铁的合理规划和高效安全的运营，对轨道交通系统的完善，治理城市交通拥堵具有积极的意义。供电系统作为保障行车的重要系统之一，由此对地铁供电系统提出了新的要求。

一、地铁供电系统直流侧短路故障的原因分析

（一）正极对大地的短路故障分析

此类故障主要是由于小动物（如蛇、鼠等）触碰带电回路，或带电回路上存在寄生回路漏电，以及安装或维修时留下的金属零部件，或积尘造成绝缘距离过小，或电力电缆等设备受潮绝缘下降等，会引起直流正极对框架的短路，从而导致框架保护动作[1]。另外，接触网、馈线短路、绝缘子击穿或支柱断裂等也可能是造成故障的原因。正极对大地的短路故障通常为永久短路，若未能及时消除，将使故障逐步扩展，造成严重的危害。

（二）正极对负极的短路故障分析

此类型的故障多数情况下是因接触网对钢轨的短路，如柔性接触线断裂与钢轨接触，或者由于在接触网绝缘部件击穿产生的放电，以及不正确悬挂接地线等，从而使供电设备瞬间产生导通短路。在这个过程中，短路电流可达万安以上，从而使直流断路器大电流脱扣，发生大电流脱扣故障[2]。

二、地铁供电系统直流侧短路故障的类型分析

（一）故障中的非金属短路分析

在非金属短路事故中，主要是指在元器件过渡过程中绝缘漏电，从而造成非金属短路[3]。比如，在雨雪天气情况下，轨道就会被冰雪和雨水所覆盖变成导线，造成线路短路。另外，在使用过程中，由于接触网的长期磨耗，绝缘部件性能下降，从而产生放电、电流泄漏等问题，使绝缘支座、接地扁铜、变电站地网等进入变电站的负极，进而出现非金属短路故障。由于非金属故障引起的短路电流较小，所以在发生故障后很难被检测出来，通过配置热过负荷保护检测持续电流，从而增加设备可靠性。另外，持续时间、接触电压、跨步电压等因素的作用，会产生电弧导致短路，严重的甚至影响列车运行和旅客安全。

（二）故障中的金属短路问题分析

对于金属性短路故障，则是由于接触网与钢轨轨道之间的缘支撑被破坏，发生直接的金属短接，从而引发短路故障[4]。比如，2010年，某地一位旅客因带着金属水平尺从月台上跌倒，造成了一辆正在行驶的列车短路故障。此外，由于在停电进行维修工作后，没有及时拆除接地线也是发生金属短路的重大隐患。所以，在恢复电力供应时，若发生金属短路，在操作中未及时正确处理，将会造成不安全事件升级。

三、地铁供电系统直流侧短路故障的判断和应急处置

（一）运用重合闸的原理进行判断

该线路的试验函数是通过测量直流母线的电压，同时还测量了馈线的电压，通过测量判定主电路的运行情况。在地铁线路试验中，电路电阻Rx，假定R0为标准值，并通过电阻的大小对比来判定是否允许开关。在Rx大于R0欧姆的情况下，判定故障是暂态的，此时的重合闸是有效的。在Rx小于R0欧姆的情况下，判定为永久不能自动复原，重合闸动作失败。

（二）重合闸成功时故障的应急处置

主要是由于列车故障等各种外在因素，或是接触网的绝缘子闪络放电引起的，通常是瞬间短路，而大电流跳闸和DDL-Delta-I是常见的保护方式。在此期间，所有的电力设备都可以正常工作，但要注意的是，要时刻关注着设备的运行情况，并且安排接触网的检修人员加强对故障区域的巡查，在检修完毕之后，还要安排相关专业人员，对供电设施和列车的状态进行检查分析。

（三）重合闸不成功时故障的应急处置

若不能成功，则为持续失效。如框架保护动作，在电调许可后尝试复归动作信号，并根据电调命令完成后续操作，按实际条件解除有关的锁闭，撤出本所整流机组系统，采用越区隔开实现大双边供电方式，同时根据运行方式调整联跳保护。在大电流发生跳闸保护时，操作人员应在电调许可下对装置进行检查并恢复。

四、地铁供电系统直流侧短路故障的检查

（一）行波法的应用

行波法是一种常见的直流输电检测技术，它采用了基于行波传播的原理，通过检测不同故障行波的速度和时差进行分析，从而确定故障的具体位置。这种方法能很好的定位故障点，在直流输电系统中应用广泛，但较少应用在地铁的直流供电系统中，主要是需额外加装大量的测试和通信设备，也相应增加了空间，经济和人力投入。

（二）阻抗法的应用

在地铁中，对供电系统直流侧短路故障，可以将阻抗法分为单端阻抗法和双端阻抗法。在直流侧短路故障定位时，单端阻抗法原理简单且成本较低。但是，这种方法在实际操作中不能保证精确性，主要原因在于：在定位时，很容易受到对端系统的阻抗干扰。在应用该方法时，可选用微分方程法、一元二次方程法、迭代法、电压法等来等效替代过渡电阻，并可排除对侧系统中的单端电阻法。而于双端阻抗测量法，它用于检测故障位置。目前，在地铁输电线路的直流侧短路故障检测是一项有效的技术手段，主要是通过检测并计算线路两端的电压，在故障点的电压相同的情况下，得到故障的准确位置信息。

（三）近端短路故障仿真法的应用

在牵引变电所附近出现的短路事故中，瞬时的瞬态冲击电流是很大的，而电流变化是由整流器的换阀和整流装置参数决定。基于Matlab/Simulink建立地铁供电系统建模，设定电缆的阻抗值，确定电缆长度和故障位置，分别在近端50米、100米、200米和500米处设置了一个短路，过渡电阻为0.001Ω，在程序运行0.3秒后发生短路。故障瞬间电流急速增加，并呈现指数式的增长态势，很短的时间短路电流趋于稳定。当故障电流在到达稳定值之前出现振荡，故障电流的峰值变化幅度随着故障点与牵混所的距离的增加而增大。这种波形特征明显的反映出交流、直流转换电路对近端短路故障的暂态电流值影响。

结束语：

综上所述，地铁已是城市居民出行的首选，需要高度重视确保旅客出行安全。但直流牵引供电系统的联锁关系十分复杂，且出现的短路故障也较多，甚至不易被发现。因此，须根据故障现象、保护信息和重合闸执行情况来进行综合分析。地铁供电系统维护人员要定期检查，规范操作，避免人为造成短路事件的发生，同时提高自身的故障处理能力，保证地铁运营的安全。

参考文献：

[1]徐白羊.地铁供电系统直流侧短路故障研究[J].通讯世界,2018(3):287-288.

[2]韩明义.地铁供电系统直流侧短路故障探讨[J]. 商品与质量,2022(21):55-57.

[3]文阳.地铁供电系统直流侧短路故障研究[J].消费导刊,2018(25):38.

[4]赵杰.地铁供电系统直流侧短路故障分析[J].商业故事,2020(29):143-144.

[5]谭金龙.地铁供电系统直流侧短路故障研究[J].大陆桥视野,2017(14):59-60.