直流侧短路电流对城市轨道交通供电的影响及其故障定位_技术交流_机械工业北京电工技术经济研究所

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直流侧短路电流对城市轨道交通供电的影响及其故障定位

作者: 刘建强 (中铁武汉电气化局集团有限公司)  来源: 时间:2019-05-28

摘要:城市轨道交通在城市基建项目中占有重要地位,是城市交通的大动脉,城市轨道交通安全供电是城市交通稳定运行的关键。如果在地铁运行过程中发生直流侧短路就会对整个设备造成巨大危害。如何对直流侧短路故障进行有效定位已经成为当前普遍关注的一个重要课题。

关键词:直流侧短路 ;城市轨道交通;供电方式;故障;定位

地铁供电系统是地铁工程中最重要的机电系统设备之一,它是保证地铁安全稳定运行的关键,为地铁列车和各种辅助设备提供电力[1]。所以,保证地铁供电系统安全,是关系到列车运行安全、乘客平安出行的大事。本文就直流侧短路故障的影响、类型、产生原因以及快速准确定位的方法和技术等几个方面进行了详细的研究和探讨。

直流侧短路故障影响及其类型

 在地铁运行过程中若发生直流侧短路故障,就会中断行车,对列车运行造成严重影响。常见的直流侧短路故障有两类:金属性短路和非金属性短路[2]

1.1  金属性短路故障

金属性短路故障主要是指刚性接触网、三轨受电靴或者是柔性接触网发生直接性接地,形成与大地的短路[3]。这种金属性短路如果没有及时进行定位和排除,就会对列车的运行构成重大安全隐患,甚至使列车停运。

1.2  非金属性短路故障

非金属性短路故障是指走行轨和第三轨经过渡电阻短路或者绝缘泄漏短路[3]。这种故障主要发生在雨雪天气,暴露地表的第三轨以雨雪作为导体与走行轨发生短路。另外,绝缘部件老损产生的泄漏电流经过变电所地网流回变电所负极,也是非金属性短路。常见的非金属性短路故障还有电弧短路。

一般说来,非金属性故障短路电流较小,表象不明显,不易发现,如果不及时进行定位和修复,长时间故障运行,就会出现电弧,非金属性短路故障将会进一步扩大,对列车运行和乘客安全构成严重威胁,一经发现就要及时切断电源,排除故障。

直流侧短路故障原因分析

牵引供电系统是一个独立、封闭的回路,直流电流从正极,经馈线开关、馈线电缆等到达接触网,通过受电弓、机车、轨道、回流电缆回流至负极[4]。通过流程分析,我们可以对造成直流侧短路故障的原因进行分类研究。

2.1  正极对负极(走行轨)短路故障

    (1)出现接触网断线掉落轨道、接地线错连、金属线直连正负极时,都会造成正极对负极(走行轨)短路故障;

(2)从设备本身看,供电设备的电流泄露到柜体上,和正极发生短路;第三轨时,乘客携带金属物件掉落,蜈蚣、蟑螂等小动物爬进带电回路等都会造成正极和负极(走行轨)发生短路。

这些称之为接触网对轨道引起的短路,是造成直流侧故障短路的一个重要原因。

2.2  正极对大地短路故障

接触网经过渡电阻对大地短路,或者接触网通过绝缘击穿经电弧对大地短路,以上称之为接触网对大地短路,这也是造成直流系统短路的一个重要原因。

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图1正极对负极短路示意图

直流侧短路故障排查方法

在故障精准定位时,首先要对故障性质的自动合闸功能进行判别,这是判断短路故障的重要基础[5]

实际工作中,可以通过判断直流母线和馈线电压来对主回路的工作情况进行了解和判断,断路器是否能够合闸就由回路电阻来决定。根据具体的情况可以分为合闸成功和合闸失败两种情况。

如果合闸成功,就能确定此故障是由于外界的原因或者是接触网短闪造成的金属性短路,这种短路故障情况往往是一瞬间的,不易察觉。发生这种故障时,列车各种设备能够正常运行,但是工作人员还是要对设备运行情况进行记录,并安排相关人员对故障段进行检查和巡视,在地铁运行结束后,要及时对接触网、列车本身做详细的检查。

如果合闸不成功,那么这种故障就是持久性故障,相关工作人员应对故障信号进行复归。若操作成功,就可以根据相关要求进行进一步处理;若操作失败,就要将相邻牵引所的封闭条件解除,从整流机组中退出,利用其他途径进行大双边供电,此时,如果大电流有保护动作,则说明故障位置很可能在馈线和上网电缆之间,工作人员应该根据电调要求对相关线路和设备进行检查。

直流侧短路故障精准定位法。

4.1 行波法

    行波就是指平面波在传输线上的一种传输状态,它的幅度沿着传播方向按指数规律变化,相位按线性规律沿传输线变化。行波法主要是依据行波传输理论,利用每一种故障行波的到达时间和速度来进行故障定位[6]。行波法是直流侧短路故障定位中常用的一种方法。

4.2  阻抗法

    阻抗法是一种新型的故障定位法,具有较高的定位精确度,对采样率要求较低,几乎不受短路过渡电阻影响。根据工作原理的不同可以将阻抗法分为单端阻抗法和双端阻抗法两种[6],其中单端阻抗法的原理简单,可实施性高,整个设备装置花费也较低。但是这种单端阻抗法对故障的判断和定位精度较差,但它可以通过利用方程法、微分方程工频法、电压法等方法进行改进,将一些外在因素如过渡电阻或者是对侧系统对单端抗阻法故障定位精度造成的影响去除,从而实现精准定位。

双端阻抗法是通过推算直流系统中两端电压的流量,获取相关的短路电流故障的定位信息,进而方便工作人员对故障进行修护。这种双端量阻抗法结合了现代先进科学技术和一些类似互感器的先进设备,具有较高的故障定位准确度,是目前城市交通轨道直流侧短路电流故障定位中最常用的一种方法。

4.3  贝瑞隆模型故障定位原理和步骤

4.3.1  贝瑞隆模型概述

贝瑞隆模型是由贝瑞隆法推算出来的,它是利用波过程原理,应用混合波图案对波多次反射和折射进行分析的一种方法。通过建立分布参数输电线路微分方程就可以推导出输电线路的瑞贝隆模型。理论上,瑞贝隆模型可以对任何直流侧短路故障进行精准定位,但是,随着电阻变大,定位精度也逐渐变小。在实际应用中,将其与阻抗法相结合,对整个故障定位技术进行优化,就可以实现对故障的准确定位[7]

4.3.2  瑞贝隆模型和阻抗法结合后的优化技术

    瑞贝隆模型和阻抗法结合后的优化技术应用要根据实际情况进行分析。当两种方法都适用时,在实际工作中应优先考虑阻抗法故障定位;如果直流侧短路故障发生后采取了维护工作,这时候阻抗法就不再适合,工作人员在进行故障定位时就要考虑贝瑞隆模型。

4.3.3  框架保护

    在框架保护中,接触线为正极,走行轨作为负极。实际运行中,电流既可以沿着走行轨返回,也可以通过大地返回,但是,这样就造成了较大电流,这些电流很不稳定,容易导致地铁事故的发生。这种框架保护使正、负极之间处于绝缘状态,从而实现对系统的保护,避免了正、负极接地后对相关设备造成的损坏。

综上所述,采用抗阻法和行波法在一定程度上可以实现城市轨道交通直流侧短路故障的精准定位,对及时抢修和维护、及时排除线路故障、短时间恢复城轨交通,保障城市轨道交通运营安全具有重要的意义。

参考文献:

[1]邹艳.城市轨道交通供电直流侧短路故障定位技术探讨[J].知音励志,2016(19):189.

[2]李福琴.分析城市轨道交通供电直流侧短路故障定位方法[J].中国新技术新产品,2015(06):50.

[3]罗紫强.分析城市轨道交通供电直流侧短路故障定位方法[J].城市建设理论研究(电子版),2015,(18):5024-5025.

[4]许达烽.浅论城市轨道交通直流侧短路故障分析[J].大科技,2016,(29):174-175.

[5]王志纯,张益贺.分析城市轨道交通供电直流侧短路故障定位[J].环球市场,2017,(30):246.

[6]车合三,王海冬.地铁供电系统直流侧短路故障研究[J].城市建设理论研究(电子版),2015,(17):5527-5527.

[7]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.

(收稿日期:2019-01-31)


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