地铁直流牵引供电系统故障测距研究

地铁直流牵引供电系统故障测距研究

潘光涛,辛海,矫佳

青岛地铁运营有限公司 山东 青岛 266041

摘要：当前我国轨道交通工程的发展十分迅速，刚性接触网供电系统因为其占用空间少、接触网无张力、架设和维护过程简单的特点，在城市轨道交通工程中得到广泛应用。城市地铁是交通运输的主要形式，因为有着运输能力强、运输速度快和对环境污染小的特点，在城市交通工程中有着重要作用。本文主要从作者实际工作经验入手，分析地铁直流牵引供电系统的故障测距方法，希望对有关从业人员带来帮助。

关键词：地铁工程；牵引供电；故障分析

前言；当前我国主要是采用电能为地铁提供牵引动力，确保地铁牵引供电系统的安全性和稳定性，可以保证车站动力照明设备的可靠工作和地铁列车安全运行。首先，区域公共电网在经过输电线路把电能运送至地铁主变电所或开闭所，经过牵引降压变电所后，地铁牵引供电系统把所接收到的电能供给接触网，接触网则是经过受电弓将其电能传送至电力机车，电力机车动力电机在接受电能后，驱动列车前行。在当前，全球范围内运行地铁列车是冲击性和波动性较大的单相大功率不对称负载，在运行的时候会出现大量谐波电流，造成系统无功功率的不足，这些谐波电流流入地铁牵引供电系统，给公共区域供电安全和电能质量带来很大影响。下面就对其进行分析。

1 地铁牵引供电系统

地铁牵引供电系统作为地铁供电系统的核心部分，由牵引变压器、整流器、接触网、走行钢轨以及回流电缆构成。牵引变压器和整流器把地铁主变电所/开闭所输送的高压交流电转变成高压直流电，经过馈电线送入接触网，电力机车受电弓从接触网中获取电能，经过电力机车走向钢轨和回流电缆使得构成完成的回路。

2 直流牵引供电系统的接触网故障电测距方法分析

电力系统故障点测距方法由故障点的分析方法和行波方法。故障分析方法则是称为电阻方法，这个方法按照供电系统电气参数和测量故障的电气量，经过推算出公式进行计算故障点所在的位置，这个测距方法是传统的故障点测距方法。行波方法则是基于暂态行波在传播过程中，遇到的波阻抗不连续点发生的折射和反射原理，得出行波波头之间时间差，实现故障点测距。在行波法中，波速是对其故障点精准定位的因素，波速的计算是由大地电阻率的大小、接触网架构配置所决定的。另外，行波是影响其故障点精准定位的关键，波速计算受到大地电阻率的大小和接触网的架构配置影响。行波的间距还需相关设备实现，整体投资成本大。直流牵引供电系统基础网是沿着隧道内部进行，其地质条件复杂，不同区域的地质段土壤电阻率不同。由直流牵引供电系统的站间距比较短，电压等级低，行波过程不明显，应用行波方法测距的难度大，准确度低。行波方法不太适合应用在直流牵引供电系统的故障点测距方面。地铁应用DC1500V或DC750V电压等级的直流供电方式向列车供电，直流电压与直流电流进行比较，有效的信息少，只有幅值或变化量信息。在稳定的状态下，可以简单分析，电容和电感等参数不纳入计算中，为故障点分析工作开展奠定基础。依据测算使用的故障量不同，故障点分析的方法能够划分为单端方法和双端的方法。单端方法则是应用牵引变电所馈线一侧的电压和电流量线路参数，对其故障点位置的准确计算。单端方法的设备简单，容易实现，只是使用一个检测端检测电气数据能够对其故障位置准确定位。过渡电阻还会影响到单端方法的定位精准度，不能准确获取对端电气信息。双端方法是依据其短路线路的两端电气量，对故障点位置的计算，消除过渡电阻和对侧系统所带来的影响。

3 刚性接触网的构成及其特征

刚性接触网的主要部件有接触网悬挂、支承定位装置、绝缘部件和架空地线。接触式悬架主要由母线、接触线、伸缩件、中心锚等四个部分组成。支撑定位装置应安装在隧道顶板或墙面上;所述悬挂布置的整体形状为正弦波，其中一个锚段形成半个正弦波。每个悬点与受电弓中心之间的距离通常不超过200mm。刚性接触网虽然出现时间不长，但由于其结构紧凑简单、施工方便、维护简单、适应速度强、成本低、供电距离长等优点，在地铁建设中得到了广泛应用，具有结构紧凑简单、施工方便、工程造价低、安全可靠、可维护性高、供电距离长、适应速度快等优点。同时，刚性悬链线的优点还体现在空间小，无轴向张力。它与受电弓共同构成地铁架空刚性悬链线系统，使车辆在足够能量的驱动下实现稳定运行。
4 双端故障点测距的实现方案
4.1  冷升弓原理
    当架空接触线带电时，在抬升电弧检查故障动车组时，如果动车组的高压设备接地，在吊装过程中，受电弓在将架空接触线与负载接触前，会立即勾出电弧，容易诱发架空接触线高温熔化，导致架空接触线断裂。冷弓升降是指电气化铁路运行中，当架空接触线跳闸自动重合失效时，供电臂内所有动车组将按规定掉弓。送电手动测试成功后，接触线断开，动车组抬起弓，再次送电。采用冷提升方式，受电弓送电前与空载悬链线接触。悬链线直接跳闸，避免了拉弧的发生，可有效防止悬链线断线事故，提高应急处理效率。

4.2 降低接触网残压

第一，分段式绝缘子设备选型时，应增大接入分段线与主线之间分段式绝缘子的绝缘电阻值，应用电阻值高的分段式绝缘子。采用改进设备技术，对其分段式绝缘子耐污性以及自洁度的提升，降低外部环境对分段式绝缘子绝缘性能的影响。第二，断面绝缘子处上网电缆需要设计单独的上网路径，单独架设三角腕臂和电缆攀爬架进行敷设上网电缆，进而避免上网电缆在穿过断面绝缘子的绝缘杆，对其断面绝缘子电阻的提升。

4.3 改良悬挂结构的刚度和系统的弹性

结合相关资料分析得知，在对其刚性悬链线悬挂刚度降低的适合，加强系统的弹性，采用弹性螺杆进行替代悬链线螺杆、弹性绝缘子和弹性定位线钳等等，优化地铁刚性悬链线拱和路网之间的关系。实践分析得知，这些先进的装置可以对悬链线系统悬挂弹性的提高，提升刚性悬架受到电弓匹配性能，并且还可以改善流量。在实际施工阶段，弹性绝缘子和弹性定位线是最为常见的。原理是根据结构的高弹性特性，尽量减小悬链线的刚度，进一步削弱受电弓对悬链线可能产生的影响，最大程度地增强悬链线电流分布的稳定性。最终实现了避免悬链线异常磨损，优化悬链线动态电流接收性能的目的。在佛山、广东、杭州等地铁线中，刚性接触线施工中采用了弹性绝缘体和弹性定位线，通过降低刚度、加强弹性来优化接触线拱与网络的关系，从而降低运维难度和压力。

结束语：
     结合以上分析得知，在直流牵引供电系统中，供电线路在出现故障之后，我们还需及时和精准的测算出故障所在位置，尽快修复线路，保证供电过程的安全行和可靠性。
参考文献
［1］于松伟，杨兴山，韩连祥，等．城市轨道交通供电系统设计原理与应用［M］．成都:西南交通大学出版社，2008:3．
［2］和敬涵，孟鑫，宋晓明，等．基于时域微分的地铁直流牵引系统故障定位［J］．电工技术学报，2016(3):164．
［3］吕欢．云计算技术在城市轨道交通AFC领域的应用研究［J］．现代城市轨道交通，2016(3):104．
［4］杨政军．二维码电子车票在自动售检票系统中的应用［J］．城市轨道交通研究，2016(4):78．
［5］许巧祥，李灏，徐建国，等．南京地铁移动支付的模式选择与战略思考［J］．都市快轨交通，2019(2):103．
［6］张鹏，王健，吴娟，等．南京地铁移动支付关键技术的研究及应用［J］．都市快轨交通，2020(6):146．