摘 要：弓网系统的运行质量对城市轨道交通平稳运营至关重要，本文通过分析一起列车实际运行中因降弓拉弧，导致牵引变电所直流开关柜跳闸的事件，通过仿真分析和数据测算，得到降弓拉弧现象产生时系统电阻变化情况，解释短路电弧对供电系统的影响，并提出防止措施。
关键词：弓网系统；电弧；跳闸
引言
2019年6月27日00时04分，地铁电调通知：某某南站213开关Imax++、DDL保护动作恢复，开关分合闸，某某南1#、2#轨电位合闸闭锁。供电专业人员现场检查某某南牵混所213直流开关柜发现Imax++、DDL保护动作跳闸，最大故障电流20945A，跳闸后重合闸成功，某某南站轨电位Ⅱ段电压保护动作合闸闭锁。当晚对变电和接触网设备检查，发现断路器有烧伤痕迹，现场打磨处理。经了解跳闸时刻司乘人员操作，判定跳闸原因为列车满负荷运行时突然降弓导致。
1.事件经过
1.1信息流转及故障响应
2019年6月27日00时04分，电调通知供电值班点：某某南站213开关Imax++、DDL保护动作恢复，开关分合闸，某某南1#、2#轨电位合闸闭锁。
00时42分供电专业相关人员检查某某南牵混所设备，213开关柜保护装置上有Imax++、DDL保护动作跳闸记录，最大故障电流为20945A（图1）。213开关柜跳闸后重合闸成功，恢复正常供电状态，检查变电所其它设备运行正常。
图1：213开关柜故障电流、电压波形
1.2设备检查情况
03时12分检查213开关柜断路器，灭弧栅和触头有明显电弧烧损痕迹。供电人员对213开关柜测量回路及保护功能进行校验测试，各项数据正常，对213断路器触头进行打磨处理。
04时50分经接触网登高检查，接触网设备正常，未发现放电烧伤痕迹。
2.设备检查分析
2.1变电设备
2.1.1某某南站213开关柜检查
现场检查213开关柜保护装置，有Imax++、DDL保护跳闸记录，最大故障电流为20945A，213小车断路器灭弧栅和触头有明显烧痕，证明故障时存在实际的故障电流。跳闸后213开关柜启动自动重合闸功能且合闸成功，证明213开关本体控制回路和测量回路正常。
2.1.2轨电位装置动作情况检查
检查某某南牵混所1#、2#轨电位装置Ⅱ段电压保护动作，1#轨电位装置记录最高电压180V。可以判断出由于外部短路故障导致钢轨电压升高，轨电位装置Ⅱ段电压保护动作合闸闭锁。
2.2接触网设备
接触网专业两次申报临补计划对某某南至出场线接触网及附属设备进行排查，接触网设备正常，未发现打火痕迹。
2.3受电弓设备
27日10时30分对车顶及受电弓查看无明显打火痕迹，证明弓网关系状态良好。
3.跳闸原因分析
综合上述检查和分析，213开关柜跳闸存在故障电流。检查变电和接触网设备均正常，未发现明显异常，判断故障为外部原因造成，供电设备运行正常。
3.1针对降弓跳闸的经过还原
经登乘查看列车在某某南折返线Ⅰ道情况，调取6月26日晚列车参数分析：
26日晚列车从下行线26.75km启动运行至26.74km处按下降弓按钮时，牵引力为100%，牵引逆变器按照660A的最大电流输出。此时按下降弓按钮，弓网拉弧现象严重，超过直流开关柜短路保护整定值，故某某南牵混所213断路器跳闸。
3.2针对本次跳闸电流达到20945A，经供电相关人员对现场复盘推演，分析如下：
3.2.1本案例弓网拉弧起因为：受电弓降弓，逐渐离开接触网，接触压力逐渐减小，使有效接触面和导电面积逐渐减小，接触电阻增大，在接触面最后分离的一瞬间，不断积聚的能量使分子活性大大增加，瞬间击穿空气形成电弧，出现“拉弧”现象。
3.2.2电弧是一种强功率放电现象，会在短时间内产生大量光和热，若不及时消除会对设备造成恶劣影响。目前国内外研究的电弧模型种类很多，但针对弓网电弧的方面较少，本文以CASSIE经典电弧模型为基础，将弓网接触部分、车载电机两部分视为黑盒，探讨弓网电弧的外部特性和系统电压电流变化情况，因电弧变化的过程为非线性的伏安特性曲线，以瞬时状态作为条件进行分析。
3.2.3取接触网电压为1650V，电机电阻为R1，电弧电阻为R2，机车功率P=I2·R1，电流为I，经仿真计算流经机车的电流情况如下表1统计：
表1：正常运行和短路时机车电流情况
在弓网接触良好的情况下，电弧电阻为0，机车正常启动瞬间，列车取流为1500A，此时电机电阻为1.1Ω。
列车满负荷运行时，列车取流为3000A，此时电机电阻降低为0.55Ω。
当列车在运行中出现弓网离线，产生电弧现象，分别计算短路电流为3000A、10000A、20000A的情况，发现在短路电流不断增大的过程中，系统的总电阻在不断减小，其中电弧电阻与电机电阻的比值不断增大，在20000A电流情况下电弧电阻甚至达到电机电阻的10倍。系统中电弧分压较大，电机分压减小趋近于0，系统负荷集中在电弧区间，短路电流不断增大，直至达到断路器保护定值切断电路。
3.2.4在本事件中，列车2个受电弓同时降弓，产生2道电弧。接触网网压主要作用于弓网电弧之间，用于维持空气击穿电压。在电弧击穿空气时，接触网电流瞬间增大，213断路器瞬时跳闸保护供电设备免受电弧持续伤害。
3.3弓网设备未见明显伤损分析
根据设备检查情况，拉弧区间接触网设备、车辆受电弓均无明显烧伤痕迹，经研究分析及查阅大量文献资料，烧伤情况与运动中电弧特性有关，具体分析较为复杂，本处直接引用参考文献[4]中的结论：弓网相对运动过程中，滑板和接触线的接触位置不断变化，引起的电弧也在不断变化位置，一定程度上阻止接触线固定点的温度升高。即在不断运动的过程中，弓网燃弧位置不断变化，减小了对弓网设备的热侵蚀程度，故未产生明显烧伤点。
4.结束语
综合上述分析，本次直流开关断路器跳闸的原因为：电客车在满负荷降弓时，产生电弧并持续放电，接触网电流瞬间增大达到某某南213断路器保护整定值，断路器瞬时动作切断故障电流，熄灭弓网电弧，保护供电设备。
为保护供电设备，减少电弧产生，应注意以下几个方面：
满负荷情况下降弓会急剧拉低负载总电阻，产生严重的短路电流，对供电设备和列车造成破坏。因此在列车运行期间特别注意不得满负荷降弓。
供电专业定期检查断路器各方面参数、保护定值设置情况，大电流脱扣设定值，确保开关保护功能正常，发生短路故障第一时间切断短路负载。
参考文献
[1]王波.负载特性对弓网电弧能量的影响[J].机车电传动，2011年第6期。
[2]王溢霏.城市轨道交通弓网离线电弧特性研究[J].电气化铁道.2017年第5期。
[3]黄绍平.基于MATLAB的电弧模型仿真[J].电力系统及其自动化学报，2005年10月。
[4]吴积钦.弓网系统电弧的成因与影响[R].高速铁路接触网系统新技术研讨会，2010-08-01。