摘要：随着我国经济的迅速发展，城市化建设的加快，国内各大城市的地铁线路数量日益增加，地铁供电系统安全性及可靠性是保障地铁安全运行的基础条件。直流系统短路故障分析为地铁供电系统的安全性提供了必不可少的保障，具有重要意义。
关键词：地铁；供电系统；直流侧短路故障
前言
地铁供电系统，是地铁工程中重要机电设备系统之一，它担负着为地铁列车和各种辅助设备供电的重要任务。供电系统的安全性，关系着乘客安全、运营人员安全、行车安全、设备安全等多个方面。直流系统短路故障分析即是地铁供电系统设备选型及继电保护整定计算的依据，同时也是保证继电保护可靠性、选择性、灵敏性及速动性的基本条件，为地铁供电系统的安全性提供了必不可少的保障，具有重要意义。
1 地铁供电系统
地铁作为城市轨道交通的一种重要形式，现主要采用钢轨钢轮、交流机车及直流供电系统体系，运行于城市地下空间，具有运量大、无污染、速度快、节省城市空间等特点。地铁直流供电系统作为整个地铁系统的重要组成部分，负责电能的传输与供应，为电力机车供电。其供电系统必须具备安全性和可靠性基本原则。地铁直流供电系统，又称地铁牵引供电系统，其外部电源为城市电网。城市电网110kV的高压电源（或1OkV的中压电源）经过主变电所（或电源开闭所）后，将35kV（lOkV或，20kV）的中压电源送给牵引供电系统。牵引供电系统主要负责将交流中压电压降压并整流成750V或1500V的直流电压，并为电力机车供电。牵引供电系统的主要组成部分有：牵引变电所和牵引网
2 城市轨道交通供电直流侧短路故障的主要类型
2.1 金属性短路
金属性故障主要是指由于第三轨或者是接触网与走形轨间产生直接金属性接触后，造成其绝缘支架击穿，从而形成与大地的短路。比如在2010年时，北京地铁一名乘客随身携带的金属水平尺从站台中堕落，造成正在运行中的列车与第三轨之间的通路，从而导致了金属性短路故障的发生。造成该种故障的另外一种原因也可能是在停电检修作业的过程中，没有及时将接触网接地线撤销，从而在恢复供电时发生金属性短路故障，如果此时特别是在运行期间不能及时对故障位置进行确定和排出，势必会对轨道交通的运行产生较大的影响。
2.2 非金属性短路
非金属性短路主要是指第三轨与走形轨经过渡电阻短路或者是绝缘泄漏，从而发生非金属性短路故障。比如在雨雪天气环境下，暴露在户外的城市轻轨在雨水或者是积雪作用下被覆盖，间接的成为导体从而与行轨发生短路。另一方面，也可能是在长时间的运行过程中接触网或者是第三轨的出现绝缘老化现象，从而导致电流外放和泄漏，泄漏的电流通过绝缘支座在流向接地扁铜后经由变电所地网，最终回流至变电所负极，从而引发非金属性短路故障。同金属性故障相比，非金属性故障下产生的短路电流相对较小，所以造成了其短路现象不容易被察觉。但是随着运行时间的不断加长，可能会产生接触电压或者是跨步电压，严重情况下还会出现电弧，从而使短路故障进一步扩大，给城市交通轨道电力系统的稳定运行以及人身安全都带来了较为严重的影响。
3 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。
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3.1 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。
3.2 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。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。
3.3 正极对走行轨短路故障
正极对走行轨短路，即馈电接触网对走行轨短路，主要是由机车故障等外部原因引起的。接触网对走行轨发生短路故障时，短路电流随短路故障点离牵引变电所的距离不同，表现出的特性有很大不同。当离牵引变电所较近处发生短路故障时，线路中产生的冲击电流会很大，且短路电流上升变化率很大；随着短路故障点离牵引变电所越来越远，短路电流曲线近似于指数函数曲线，且电流上升变化率较小，电流幅值也较小，这个过程的电流情况一般与多机车同时取流时相似，这就造成实际运行中远端发生短路故障时难以区分短路电流与机车启动电流的情况，造成短路故障修复的延时。
4 城市地铁交通供电直流侧的短路故障的检查
4.1 行波法的应用
就行波法来说，这是城市地铁交通在直流输电系统当中非常多见的一种方法，该方法运用的原理是，在行波传输理论的前提下，对故障进行定位，利用对不同故障行波到达的测量装置速度和时间差进行分析，进而计算故障的具体位置。这在故障定位的过程中具有非常多的优点，并且广泛地应用在直流输电的系统故障定位中，然而在城市地铁交通直流供电系统当中进行应用时，对于测量设备和通讯设备的要求非常高，设备投资也非常大。
4.2 阻抗法的应用
对于城市地铁交通的供电直流侧的短路故障来说，其定位方法当中的阻抗法还可以被划分成单端量阻抗法与双端量阻抗的方法。就前者来说，其对于供电直流的侧短路故障进行定位时所遵循的工作原理是非常简单的，同时，成本比较低。然而在具体的运行过程中运用该方法进行定位没有确保精度，究其原因，主要是因为定位中很容易遭受对侧系统电阻所带来的影响。运用这一方法的时候，能够选择微分方程的工频法和一元二次的方程法与迭代法以及电压法等，达到对过渡电阻进行消除的目的，对对侧系统中单端量的抗阻法故障进行消除。对于双端量的阻抗法来说，其对于故障定位的测量是现阶段城市地铁运输过程中供电直流侧发生短路故障定位中非常重要的一种技术方法，该方法利用对两端电压的流量推算，在故障点的电压相等前提下获得故障位置的信息，该方法具有现代通信信息技术，同时，还具备高精度的互感器与故障录波的装置等多种现代化的技术作为支撑，对故障定位进行实现。
5 结语
综上所述，地铁已经成为城市人们交通的主要方式，直流牵引的供电系统中的联锁关系非常复杂，同时，发生的短路故障点非常多，且不容易查找，因此，需要按照故障现象和保护动作实施的情况与重合闸的情况对其进行全面研究。地铁供电系统的维保人员需要在日常工作的开展过程中对设备进行巡视，并对作业标准进行强化，进而杜绝该系统的短路事故，与此同时，促进自身故障处理能力的提升，对地铁运行的安全性有很大的保障作用。
参考文献：
[1]柴段鲲.城市轨道交通直流供电系统故障建模与保护仿真系统开发[D].北京交通大学，2017.
[2]宋晓明.城市轨道交通牵引供电系统故障定位研究[D].北京交通大学，2015.
论文作者:吴迪
论文发表刊物:《基层建设》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/20
标签：故障论文; 供电系统论文; 地铁论文; 电流论文; 正极论文; 城市论文; 变电所论文; 《基层建设》2019年第23期论文;