王利刚
陕西省西安市轨道交通集团有限公司 陕西省西安市 710016
摘要：经济的发展，城镇化进程的加快，促进交通建设项目的增多。随着城市轨道交通的快速发展，直流供电系统作为城市轨道交通供电的关键子系统，其安全可靠运行是地铁正常运营的重要保障，牵引供电系统一旦出现故障，势必影响地铁的正常运行。地铁供电系统的短路电流和故障分析能够为设备选型和供电系统的设计提供重要参考。短路故障发生后，直流供电系统中的电流急剧增大，准确掌握短路电流的变化过程有助于确定地铁供电系统的保护策略。短路故障发生在供电网的不同位置，短路电流也会有差异。此时需要针对短路电流的特点，完成短路保护动作，切除发生故障的线路或设备。本文就地铁直流供电系统的短路故障仿真与保护策略展开探讨。
关键词：地铁；直流供电系统；短路故障；仿真分析
引言
随着城市轨道交通的快速发展，直流牵引供电系统作为城市轨道交通供电的关键子系统，其安全可靠运行是地铁正常运营的重要保障，牵引供电系统一旦出现故障，势必影响地铁的正常运行。因此，对直流牵引供电系统的故障进行精确定位具有重要意义。
1牵引供电系统结构
典型的城市轨道交通供电系统一般包括高压供电源系统（城市电网）、牵引供电系统与动力照明供电系统三部分。高压供电源系统采用不同的供电方式经交流母线为牵引供电系统输送高压（35KV）或中压（10KV）三相交流电，牵引供电系统通过牵引变电所将三相交流电转变成适用于轨道车辆的低压直流电（750V或1500V），经馈电线将直流电输送至牵引网（接触网或第三轨），轨道车辆通过受流器（受电弓或受电靴）与接触网的直接接触获得电能，并由走行轨和回流线返回至负极。
2直流系统短路故障原因
牵引电流经直流馈线开关、馈线电缆、上网隔离开关输送到接触网上,再经列车、钢轨、回流线回到负极,形成一个有效的闭合回路。造成直流牵引供电系统短路故障的原因总体来说归纳为以下两大类。（1）正极对大地短路故障。设备本体:老鼠、蜈蚣等小动物爬入带电回路；小金属线头、未使用的螺丝、垫圈等零件,掉落在带电回路上,造成直流正极与框架短路,引起框架保护动作。线路:可能是接触网、馈线或变电所馈线电缆接地；绝缘子击穿、折断；隔离开关处于接地状态、引线脱落；接触网对架空地线放电；机车主回路接地等。正极接地故障多为持续性短路故障,如不及时清除,容易将故障扩大为直流正极通过综合接地装置、钢轨与地之间的泄露电阻到负极的短路事故,对多处直流设备将造成严重烧损,破坏性及危害更大。（2）正极对负极短路故障。多数是由于架空接触网对钢轨短路所引起的,如接触网断线掉落到钢轨上、机车顶部对接触网放电、错误挂接地线等,造成直流正极对负极瞬时短路,短路电流可达几万安,导致直流开关大电流脱口保护瞬间动作,DDL-Delta-I相继启动。
3地铁直流供电系统的短路保护策略
地铁系统在运行过程中，可能出现各种故障，其中最为典型的是短路故障。地铁直流供电系统的短路保护装置对保证地铁安全稳定运行具有至关重要的作用，当地铁直流供电系统出现短路故障时，短路保护装置可以准确快速清除短路故障，从而保证供电设备、轨道车辆及乘客生命的安全。
3.1地铁直流供电系统的短路保护技术
地铁直流供电系统的短路保护技术按照保护对象可分为馈线保护技术和车辆保护技术。
馈线保护技术中又分为主保护和后备保护方法，主保护通常配置有大电流脱扣保护、电流变化率及增量保护即DDL保护（包括di/dt+ΔI保护、di/dt+ΔT保护）等，后备保护通常配置有定时限过流保护、低电压保护、热保护和双边联跳保护等。车辆保护则包括高速断路器保护和主熔断器保护。高速断路器安装在进线电抗器前侧，用来接通与分断车辆和接触网的高压连接，它是车辆电源的总开关和地铁车辆的总保护。主熔断器是一种过载或短路电流导致自身熔断的保护电器。
3.2直流系统短路故障排查方法
（1）重合闸不能成功。此时故障应为持续性故障。若框架保护动作,应尝试对故障信号进行复归。若复归成功,经电调允许后进行试送电,按照电调要求作进一步处理；若不能复归,则解除故障所对相邻牵引变电所的闭锁条件,退出本所的整流机组,通过越区开关进行大双边供电。若大电流脱扣保护动作,故障点有可能在馈线至上网电缆处,现场人员应听从电调安排进行设备检查。（2）重合闸成功。一般是由列车故障等外部原因或接触网短时闪络造成金属性短路所致,多为瞬时性短路故障,且保护类型多为大电流脱扣、DDL-Delta-I。此时供电设备均能够正常运行,应注意观察设备运行状况并对直流开关动作过程进行录波；组织该趟列车下线运营,安排接触网人员对故障区段正线进行登乘巡视,待运营结束后组织相关专业对直流开关本体、接触网、列车做详尽的检查和分析。（3）后续处理措施。对于变电所,仔细检查直流断路器动静触头、灭弧栅片等,对烧伤部分进行打磨、更换；若为电缆故障,使用电缆故障测试仪对故障点进行定位,故障点找到后,做电缆中间接头,将两端非故障电缆连接起来；若为接触网或列车故障,应采用打磨、重新连接或更换元器件等措施满足检修标准。
3.3地铁直流供电系统的短路保护策略
（1）接触网发生短路故障时，直流馈线保护应快速动作，来保护牵引网、地铁车辆和乘客的生命安全。一般情况下，接触网在近端短路故障下，大电流脱扣保护应动作；而接触网发生远端短路时，DDL保护应动作。正常情况下，大电流脱扣保护和DDL保护保证馈线的短路故障全部被清除。（2）短路故障发生时，车辆位于变电所近端，且故障发生在车辆进线电抗器前，这种情况下，系统阻抗和电流惯性都很小，电流上升速度非常快，此时高速断路器可能无法快速动作切断短路电流。为了应对这种情况，车辆供电回路中必须接入主熔断器，保证短路发生时，主熔断器的熔断丝因迅速生热而熔断，及时切断短路电流，保护车辆安全。（3）地铁车辆发生短路故障时，车辆保护动作应与馈线保护动作相互配合，且车辆保护相对于馈线保护是独立的，可以优先速断。具体动作策略是：车辆短路故障发生时，地铁车辆应首先进行自救，即无论身处何地，车辆上的保护装置（高速断路器、主熔断器）此时必须动作，而变电所的直流断路器不应动作，需要继续保证对非故障车辆的供电，减小对地铁系统的整体影响，保证乘客的出行。
3.4直流故障测距装置
直流故障测距装置以高速采集电压、电流传感器为基础，并通过时钟同步控制系统控制同步采集单元对线路各电气参数进行同步高速采集。采集的电气参数送至数据处理中心，在数据处理中心内通过预定的故障点计算算法计算得到故障点位置信息，并根据相应的故障类型判断方法区分线路故障电流和车辆启动电流。
结语
地铁直流供电系统的短路保护需要馈线保护与车辆保护相匹配，相互配合，相互补充，这样才能保证整个地铁系统的安全，同时把短路故障的影响降到最低。
参考文献
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[2]孟飞．地铁直流牵引供电系统馈线保护研究［Ｄ］．南昌：华东交通大学，2020.
[3]孙磊．地铁直流牵引供电系统车网保护配合研究［Ｄ］．北京：北京交通大学，2019.
[4]林国松.牵引供电系统新型保护与测距原理研究[D].西南交通大学,2019.