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地铁牵引供电系统直流短路试验调试的探讨

发表时间：2021/8/10 来源：《中国电力企业管理》2021年4月作者：蒋宇灏

[导读] 近些年，我国的经济水平提升，对交通行业的要求提高。其中，地铁直流牵引供电系统是地铁系统的重要组成，直流馈线保护技术是地铁直流牵引供电系统的核心。我国地铁牵引供电系统的研究起步晚，在快速的地铁发展中供电系统出现了许多问题，供电系统保护装置的可靠性在不同程度地下降。

南宁轨道交通集团有限责任公司蒋宇灏广西南宁 530022

摘要：近些年，我国的经济水平提升，对交通行业的要求提高。其中，地铁直流牵引供电系统是地铁系统的重要组成，直流馈线保护技术是地铁直流牵引供电系统的核心。我国地铁牵引供电系统的研究起步晚，在快速的地铁发展中供电系统出现了许多问题，供电系统保护装置的可靠性在不同程度地下降。地铁牵引供电系统馈线保护技术是关系到直流牵引供电系统可靠性的关键因素，是保护地铁牵引供电系统正常运行的重要保障。
关键词：地铁；地铁牵引供电系统；直流馈线保护技术
        引言
        近年来城市轨道交通发展迅速，合理的轨道线路布局、高效安全的轨道交通运行对于改善市民公共出行条件、缓解高峰时段城市交通压力、优化城市整体发展布局起到重要的促进作用。然而，频发的轨道交通供电系统直流侧供电故障给地铁的安全运营带来了新的挑战，其中最为常见的是牵引供电系统短路故障。为了增强供电系统运行可靠性、提高轨道交通出行安全性，一方面进行线路保护的装置研究，使得保护装置灵敏动作切断故障电路，将故障可能产生的危害将至最低，另一方面进行牵引网故障定位的算法研究，利用故障后的线路电气量数据进行故障定位与排查检修，快速恢复轨道交通的正常运行。各类文献根据整流机组阻抗值随外电路阻抗值变化的特性将整流机组等效为电压源与电阻并联结构，建立线路的等效数学模型，编写程序计算短路电流稳态值，将仿真值与短路试验值作对比验证数学模型的准确性，模型计算结果为线路保护装置动作值的整定提供了理论指导和数据参考。然而，使用分段线性的数学模型代替非线性的整流机组模型，在计算近端短路故障时不能准确反映故障时非线性的暂态电气参数变化过程。其次，随着保护算法和保护装置的发展，保护机构能够迅速动作切断电路，使故障电流无法到达稳态值，基于故障电流稳态值的故障定位算法因缺乏充足的数据而直接失效。最后，随着现代仿真软件的发展，建立轨道交通供电系统模型，计算故障电流暂态值，运用极少的暂态电流数据代替稳态电流数据进行故障定位成为新的研究方向。城市轨道交通牵引供电系统的交直流变换过程和集肤效应作用下牵引网的阻抗值变化对牵引网短路故障暂态电流的影响是研究直流侧短路故障暂态过程的重点。根据实际系统设备仪器与牵引网线路参数，环境下对轨道交通的直流牵引供电系统建立模型，针对不同故障距离进行仿真，得到不同距离短路故障暂态过程中电流的暂态变化数值，为基于暂态电流值的故障定位方法提供数据参考。
        1传统短路试验方法的原理和存在的问题
        传统的短路试验方法，是在数据采集中通过直流开关柜的分流器与隔离变压器和示波器连接，显示短路电流的波形图；通过与直流开关柜模块接线采集短路试验数据；在控制回路的控制过程中，通过手动开关或制作临时控制箱（含时间继电器和控制单元）进行控制回路的试验操作。此方法存在的主要问题包括：①控制回路中的手动或者自制控制箱是未经过校核的设备，稳定性较差；②在模拟试验时，同步性差，时间参数的调整不方便，操作复杂；③短路试验属于破坏性试验，在后备保护中存在不确定因素，安全风险高；④传统试验方法，短路试验次数多，时间长，试验成本高。
        2地铁牵引供电系统直流馈线保护技术
        2.1大电流脱扣保护
        大电流脱扣保护是指线路前端出现短路故障，从而会引起较大的过电流，对供电系统设备造成破坏时，有效避免这种情况。在检测到短路电流高于动作电流时，大电流脱扣保护可以及时进行跳闸动作，动作异常灵敏。在出现近端短路故障时，必须保证在电流增量和电流上升率保护动作开始前进行跳闸。
        2.2短路电流模拟试验
        模拟短路试验的目的是减少实际操作过程中对既有设备的影响，保证操作人员的安全，同时确定试验参数的设置。具体步骤如下：①微机继电保护测试仪与直流开关柜短路回路馈线断路器分/合闸控制回路连接，设置继电保护测试仪按动操作按钮后，间隔多长时间，直流开关柜短路回路馈线断路器分/合闸控制回路动作，确保人员离开时间，同时确认线路的可靠性连接；②微机继电保护测试仪与35kVGIS整流变压器馈线断路器分闸的控制回路连接，设置继电保护测试仪按动操作按钮后，间隔多长时间，35kVGIS整流变压器馈线断路器分闸的控制回路动作，确保人员离开时间，同时确认线路的可靠性连接；③在前两步确认工作状态良好的状态下，查看35kVGIS整流变压器馈线断路器分闸的控制回路的保护延时时间，确认保护时间；④模拟直流开关柜的控制合闸回路和35kVGIS整流变压器馈线断路器分闸的控制回路的时间间隔，不断调整优化，确保直流开关柜的控制合闸回路先动作，再结合35kVGIS整流变压器馈线断路器分闸的控制回路的保护延时时间，确定直流开关柜的控制合闸回路动作后，尽快让后备保护的35kVGIS整流变压器馈线断路器分闸的控制回路动作，保证短路电流的最短冲击时间，降低短路电流的破坏能力；⑤重复模拟试验确认的参数，保证短路电流确定参数的准确性。
        2.3框架泄漏保护
        在地铁供电系统中开关设备柜出现短路情况时，产生的电流就会对设备造成损坏，在工作人员接触开关设备柜时也会对工作人员造成安全威胁。由于设备与接地网直接连接，在设备出现特殊情况时会带来异常的接地电流，通过框架泄露保护对设备状态的实时监测，在接地电流超过设定的整定值时，框架泄露保护就会启动，开启电流保护动作。在系统正常运行时，没有检测到电流通过，而柜体发生损坏时，电流流入接地网，达到整定值，框架泄露保护动作，断路器和直流断路器跳闸。
        2.4低电压保护
        低电压保护主要用于地铁的正常工作电压保护，地铁运行所允许的最低工作电压时间要大于可能出现的故障造成的停电间隔，在地铁供电系统发生故障时可以成为其它管线保护的后备保护设备。
        2.5远端短路故障仿真分析
        在牵引变电站Ａ远端1500ｍ、1800ｍ和1900ｍ处设置短路故障，其他设置条件与近端短路故障相同，远端短路故障仿真结果如图1。

        图1远端短路电流
        如图1，远方短路故障时，电流瞬时剧烈上升，其上升趋势与近端短路相似，但暂态电流的振荡波动现象消失，表明交直流变换环节对暂态电流的影响可以忽略不计。不同距离的电流上升率相同但峰值不同，说明此时对短路电流暂态值起关键作用的是牵引网和钢轨网系统的阻抗值，距离越远阻抗值越大，电流增量越小。
        结语
        地铁牵引供电系统的直流馈线保护技术的质量直接影响地铁运行的稳定性，对于地铁牵引供电系统，加强保护措施具有非常重要的意义，进一步完善直流馈线保护技术，可以有效保证地铁稳定供电，对地铁牵引供电系统的顺利运行有重要作用。相关技术人员要做好地铁牵引供电系统直流馈线保护技术的探索研究，对直流馈线保护技术以及核心技术措施进行分析总结，提高地铁牵引供电系统直流馈线保护技术的质量和水平。对于具有的直流馈线保护系统，要根据线路运行的实际情况和各种影响因素来设计保护方案。
参考文献
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[4]张晋勋，武福美，黄陆川，等.GB/T50299—2018地下铁道工程施工质量验收标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2018.
作者简介：蒋宇灏（1993-），男，汉族，江苏射阳人，本科，助理工程师，主要从事变电检修工作。