深圳地铁集团有限公司运营总部
摘要：随着我国经济的快速发展，地面交通拥堵对城市经济发展造成重大影响。而地铁的出现，正好缓解了这一现象，让城市经济得到有序、快速的发展。目前地铁大部分采用的是低压直流上下行接触网全并联的双端供电模式对列车提供电能，供电电压及系统容量的影响下，直流侧短路电流会对设备造成较大的危害。
本文主要对地铁直流侧短路故障进行分析。
关键词：地铁；供电方式；短路故障
前言
近几年来我国经济得到迅速发展，城市化进程也在不断加快进度。地铁在城市化进程发展过程中扮演着重要角色，对客运的质量、空气污染等方面有着显著的优势。直流供电系统作为地铁电力系统的重要组成部分，短路故障的出现对地铁运营带来很大的安全隐患。因此，供电系统直流侧短路故障的研究分析具有重要的现实意义。
一、城市轨道交通供电直流侧短路故障的主要类型
地铁从城市电网引入35k V以及10k V中压交流点降压整流后，电能向接触网和第三轨的传输，为城市地铁列车及各个电气设备提供电能，若是按照短路方式的不同从而对直流侧短路故障进行分类的话，可以分为金属性短路和非金属性短路。
（1）金属性短路
接触网与走形轨间产生直接金属性接触后而造成其绝缘支架击穿，导致短路。如北京地铁有一名乘客携带的金属水平尺从站台中堕落，从而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。可能由于在停电检修过程中没有及时将接触网接地线撤销，导致恢复供电时造成金属性短路故障。如果没有及时发现故障点，势必影响地铁的正常运营。
（2）非金属性短路
第三轨与走形轨经过渡电阻短路或绝缘泄漏，均会发生非金属性短路故障。如暴露在户外的地铁轨道在雨水的作用下，间接地成为导体从而与行轨发生短路。也有可能长时间运营的接触网或第三轨绝缘老化现象均会导致电流外放和泄漏，从而引发非金属性短路故障。
二、直流侧短路故障分析
（1）直流牵引供电系统
牵引变电所将高压交流电变为列车运行时所需的低压直流电，通过接触网上的传输，为列车提供电能。牵引供电系统主要由牵引变电所和接触网构成。牵引供电系统结构示意图如图1所示。
牵引变电所的电流对列车运行提供电能，而列车在轨道上运行又将电流返回变电站负极。实际工作中，牵引供电系统直流侧易出现短路故障，对列车系统的运行造成影响。
（2）正极对地短路故障
在直流供电系统中，其设备除了需要采取地绝缘安装方式外，在设备的外壳与地之间还需要设置直流框架泄漏保护。当电流泄漏到设备柜体上时，变电所正极与设备柜体外壳发生短路，形成牵引网正极对地短路故障。另外第三轨馈电方式系统运行中后期，绝缘支座发生绝缘老化等情况，均会造成接触轨与地发生短路故障。此外，对于高架段接触网，由于这段线路接触网是露天的，在雷雨天气，雷击可能会造成接触网绝缘部件闪络放电，造成接触网与架空地线短路，即正极对地短路。正极对地短路故障示意图如图2所示。
（3）直流侧短路故障分析
在地铁供电系统中，供电系统直流侧短路故障有正极对地短路与正极对负极短路两种类型，所谓的正极对地短路是指接触网对地短路，而正极对负极短路是指出接触网对走行钢轨短路。
（4）正极对走行轨短路故障
正极对走行轨短路主要是由列车故障等外部原因引起的。短路电流随着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。接触网对走行轨短路示意图如图3所示。
（5）直流侧短路故障电流仿真
牵引供电系统直流侧发生短路故障时，接触网上出现的短路电流由该供电区间上的所有牵引变电所提供，其中，短路故障点所在区间的2个牵引变电所馈给电流最大，其次是离短路故障点所在区间两侧较近的2个牵引变电所。
（6）牵引供电系统直流侧供电模型
搭建模型的过程中，由于短路故障发生是瞬时的，导致电流变化率很大。由于暂态参数的存在，系统中必然会出现一个暂态的过程。根据文献和文献选取模型中的基本参数。
（7）直流侧短路故障电流仿真
在Matlab/SinWink仿真环境下，搭建牵引供电系统直流侧短路故障仿真模型。仿真模型中主要参数设置如下：走行轨单位内阻为30 mΩ/km，走行轨单位内电感为1.75mH /km；接触网单位电阻为28 mΩ/km，接触网单位内电感为2.6mH /km；走行轨对地过渡电阻取3Ω/km，小电阻Rf取0.001Ω。
当0.ls时距离变电所A 500ny处发生短路故障时，牵引所A，B侧的短路电流波形如图5所示。
通过搭建模型与仿真，得到直流侧短路故障电流波形。根据短路电流波形可知，当供电区间发生短路故障时，线路上会产生很大的暂态电流，短路电流上升变化率很大，短路电流稳态值也很大；随着短路故障发生点离相邻变电所越来越远，短路电流上升变化率随之减小，短路电流稳态值也逐渐减小。此外，当短路故障点离两侧牵引所的距离相近时，两侧牵引所的电流波形也相近。
三、结束语
综上所述，经过地铁轨道供电系统直流侧短路故障分析的基础上利用软件建立了直流侧短路故障电流的仿真模型，进而分析短路故障电流与故障发生点所在位置的关系。
论文作者:朱元方
论文发表刊物:《基层建设》2016年30期
论文发表时间:2017/2/22
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