直流牵引供电系统短路故障浅析

直流牵引供电系统短路故障浅析

作者：韩妮乐 于勉

来源：《科技资讯》2013年第08期

摘 要：本文结合地铁供电故障实例，深入剖析了直流牵引系统保护情况及短路故障原因，并结合重合闸原理，总结出了直流系统短路故障的判断方法及处理措施，使地铁维保人员在故障发生后能够快速、准确地查找到故障点，及时进行处理，减少故障对地铁运营的影响，对地铁供电系统的应急抢修具有较强的指导意义。 关键词：直流 短路 保护 重合闸

中图分类号：U321 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（b）-0148-01 直流牵引系统为地铁列车提供动力，其安全可靠运行是地铁安全、可靠运营的保证。纵观地铁供电系统运行经验，牵引变电所内直流系统的故障形式主要有：短路故障、过负荷故障、过电压故障等。最常见且危害最大的当属短路故障，一旦发生直流系统短路将直接中断正线行车，造成地铁停运。因而如何快速地查找、处理直流系统短路故障，显得尤为重要。直流系统短路故障按原理可分为两种：一种是正极对负极短路；另一种是正极对地短路。 1 直流系统发生短路故障时保护动作情况 1.1 短路故障案例

正极对地短路。因施工原因，造成A变电所周围埋设的直流馈线电缆接地，使所内控制信号盘二次回路、上网隔开操作箱发生大面积烧灼，并伴有冒烟和火花，随即所内相应直流开关同时跳闸，整个直流系统瘫痪、供电中断，故障时最大峰值电流为5527 A，DDL-Delta-I保护、框架保护动作，时间为23 ms。

正极对负极短路。地铁运营时段，列车运行至某接触网供电区间，因受电弓上方遗留的金属工具在列车行驶过程中与接触网、车体碰撞发生短路，造成直流开关大电流脱扣及DDL Delta I保护动作而跳闸，中断地铁运营5 min以上，故障时两端短路电流分别达到12925 A、13657 A（大电流脱扣保护定值为8000 A）。

以上两起事故均造成了接触网停电及列车中断，故障瞬间产生很大的短路电流，电压骤降，对线路形成巨大损坏。 1.2 保护配置原则

直流系统的多数保护都是为了切除正极对负极短路故障，一般为大电流脱扣、DDL-Delta-I保护，框架保护则是为了切除正极对地短路故障。

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1.2.1 大电流脱扣保护

用以快速切除金属性近端短路故障，通过断路器内设置的脱扣器实现。一旦检测到瞬时短路电流超过保护定值，磁场产生的作用力将使断路器动、静触头迅速脱扣，使断路器跳闸，起到保护作用，其固有动作时间仅几毫秒，往往先于电流上升率及电流增量保护动作。 1.2.2 di/dt和ΔI保护

两种保护相互配合使用，简称DDL-Delta-I，应用于中、远端短路故障保护，既能切除近端短路电流，也能切除大电流脱扣保护不能切除的故障电流较小的远端短路故障，谁较早激活就由谁先出口跳闸。 1.2.3 框架保护

直流设备外壳即为框架，框架泄露保护由电流元件和电压元件组成。当任意一个直流设备内发生正极对外壳短路时，接地电流通过框架电流元件流入综合接地网，再通过钢轨与地之间的绝缘泄漏电阻回到钢轨（负极）。当接地电流超过整定值（80 A）时，框架泄漏保护的电流元件迅速动作。电压元件检测设备外壳与直流设备负极之间的电位差，等价于钢轨和地之间的电压，与轨电位限制装置配合使用。 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。 2.1 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。 2.2 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。

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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。

3 直流系统短路故障排查方法

为尽快恢复供电，同时避免断路器合到在故障线路上，直流开关保护模块具有通过线路测试，判别故障性质的自动重合闸功能。重合闸成功与否和保护动作情况可作为判别短路故障原因的重要依据。 3.1 重合闸原理

线路测试功能通过测量直流母线电压和馈线电压可以判断出主回路是否正常工作，这样一来，线路测试回路电阻Rx将决定断路器是否被允许合闸。根据计算结果可知： Rx>2.5Ω，瞬时性故障，重合闸成功。 Rx

注：框架保护不起动线路测试和重合闸。 3.2 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。 3.3 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。 3.4 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

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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。 4 结语

直流牵引供电系统联锁关系较为复杂，短路故障点多面广，不易查找，应根据故障现象、保护动作情况、重合闸情况等综合分析。地铁供电维保人员在日常工作中应加强设备巡视、强化作业标准，从根本上杜绝短路事故的发生，同时提高自身故障分析处理能力，最大限度地减少对地铁行车及运营影响。 参考文献

[1]徐劲松，高劲，江平，等.浅析地铁直流牵引变电所的保护原理[J].电气化铁道，2003. [2]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，2010.