游利平

（中國(guó)中鐵股份有限公司，北京 100039）

1 引言

地鐵牽引供電系統(tǒng)直流短路試驗(yàn)的原理就是在牽引網(wǎng)可靠接地的前提下，通過(guò)直流開(kāi)關(guān)柜向牽引網(wǎng)送電，根據(jù)短路試驗(yàn)前保護(hù)定值的設(shè)定，對(duì)應(yīng)的饋線開(kāi)關(guān)應(yīng)保護(hù)動(dòng)作，校驗(yàn)牽引供電直流開(kāi)關(guān)柜保護(hù)的可靠性、準(zhǔn)確性、選擇性、靈敏性。通過(guò)試驗(yàn)，主要檢驗(yàn)牽引供電系統(tǒng)的完整性、安全性、可靠性和承受短路電流的能力，校核牽引供電設(shè)備保護(hù)的可靠性、選擇性、靈敏性，考驗(yàn)對(duì)牽引供電系統(tǒng)及其他設(shè)備的影響。

2 傳統(tǒng)短路試驗(yàn)方法的原理和存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)的短路試驗(yàn)方法，是在數(shù)據(jù)采集中通過(guò)直流開(kāi)關(guān)柜的分流器與隔離變壓器和示波器連接，顯示短路電流的波形圖；通過(guò)與直流開(kāi)關(guān)柜模塊接線采集短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)；在控制回路的控制過(guò)程中，通過(guò)手動(dòng)開(kāi)關(guān)或制作臨時(shí)控制箱（含時(shí)間繼電器和控制單元）進(jìn)行控制回路的試驗(yàn)操作。

此方法存在的主要問(wèn)題包括：①控制回路中的手動(dòng)或者自制控制箱是未經(jīng)過(guò)校核的設(shè)備，穩(wěn)定性較差；②在模擬試驗(yàn)時(shí)，同步性差，時(shí)間參數(shù)的調(diào)整不方便，操作復(fù)雜；③短路試驗(yàn)屬于破壞性試驗(yàn)，在后備保護(hù)中存在不確定因素，安全風(fēng)險(xiǎn)高；④傳統(tǒng)試驗(yàn)方法，短路試驗(yàn)次數(shù)多，時(shí)間長(zhǎng)，試驗(yàn)成本高。

3 改進(jìn)試驗(yàn)調(diào)試方法的可行性研究

3.1 采用微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀試驗(yàn)調(diào)試的可行性和優(yōu)勢(shì)

通過(guò)試驗(yàn)原理分析，采用傳統(tǒng)的試驗(yàn)方案時(shí)，直流開(kāi)關(guān)向短路的牽引網(wǎng)送電后，假設(shè)不能靈敏地?cái)嚅_(kāi)，會(huì)造成牽引網(wǎng)的破壞；同時(shí)這種破壞性的短路試驗(yàn)，其中一路控制直流開(kāi)關(guān)柜，另一路控制因保護(hù)不動(dòng)作的后備保護(hù)，人為操作的影響因素較大，不能保證兩個(gè)操作的同步性，因此其危險(xiǎn)程度極高。通過(guò)現(xiàn)有試驗(yàn)裝置的性能比較，可以選取具有雙控制回路的延時(shí)微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀器，來(lái)解決傳統(tǒng)試驗(yàn)方法的劣勢(shì)。同時(shí)，通過(guò)微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀器，可以在試驗(yàn)位進(jìn)行多次模擬輸出試驗(yàn)，確保設(shè)備的穩(wěn)定，不帶負(fù)荷操作，降低設(shè)備損壞的概率，而且克服了操作人員的恐懼心里，保證了操作人員的安全。

3.2 采用微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀試驗(yàn)方法的試驗(yàn)原理

短路試驗(yàn)接線原理如圖1所示。

圖1 短路試驗(yàn)接線原理圖

4 試驗(yàn)調(diào)試方案實(shí)施的重點(diǎn)

4.1 短路試驗(yàn)準(zhǔn)備

4.1.1 變電所內(nèi)設(shè)備狀態(tài)

以寧波地鐵2號(hào)線二期供電系統(tǒng)為例，其中有3個(gè)35 kV/1 500 V（DC）牽引混合變電所，2個(gè)35 kV/0.4 kV降壓變電所為2號(hào)線二期供電。

試驗(yàn)開(kāi)始前，五里牌、聰園路站牽引混合變電所整流機(jī)組在停用狀態(tài)，所有直流斷路器在停用狀態(tài)，所有上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)和越區(qū)隔離開(kāi)關(guān)處于分閘狀態(tài)，所有鋼軌限位裝置處于正常工作狀態(tài)，各牽引所排流柜的各支路負(fù)荷開(kāi)關(guān)均在斷開(kāi)狀態(tài)。試驗(yàn)直流開(kāi)關(guān)柜保護(hù)測(cè)控裝置參數(shù)調(diào)整為：自動(dòng)重合閘取消，線路檢測(cè)取消。

4.1.2 短路點(diǎn)的設(shè)置

接觸網(wǎng)短接點(diǎn)的選擇應(yīng)根據(jù)理論產(chǎn)生最大短路電流及最小短路電流的地點(diǎn)進(jìn)行選取。

牽引所上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)外側(cè)容易發(fā)生短路故障的地點(diǎn)，其短路電流理論值為最大，可以檢驗(yàn)大電流脫扣保護(hù)是否正確動(dòng)作。當(dāng)牽引所越區(qū)供電時(shí)，最長(zhǎng)相鄰的兩個(gè)供電區(qū)間的遠(yuǎn)端容易發(fā)生短路故障，該點(diǎn)短路電流理論值為最小，可以檢驗(yàn)過(guò)電流速斷保護(hù)或者DDL保護(hù)是否正確動(dòng)作。本次短路試驗(yàn)選擇在聰園路站至五里牌站區(qū)段進(jìn)行，依據(jù)寧波市軌道交通2號(hào)線二期工程供電系統(tǒng)圖，不具備越區(qū)供電短路試驗(yàn)的條件。

從短路試驗(yàn)的角度，要考慮直流牽引系統(tǒng)的如下因素：①變電所整流機(jī)組容量；②直流1 500 V供電臂的長(zhǎng)度；③直流保護(hù)的配合，大電流脫扣DA，上升率保護(hù)ROR、獨(dú)立過(guò)電流保護(hù)IOP。

綜合考慮上述因素以及試驗(yàn)的便利性，選擇接觸網(wǎng)短接點(diǎn)（遠(yuǎn)端）：聰園路站至五里牌站區(qū)間靠近聰園路站附近，距離隔離開(kāi)關(guān)上網(wǎng)點(diǎn)50 m范圍外。

4.2 接觸網(wǎng)設(shè)備短路準(zhǔn)備

4.2.1 牽引網(wǎng)與架空地線短接

接地線采用TRJ-120 mm2軟銅線連接線2根，每根不短于4 m。

4.2.2 牽引網(wǎng)與鋼軌短接

由于短路試驗(yàn)為破壞性試驗(yàn)，為防止在試驗(yàn)時(shí)對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)造成直接傷害，配合試驗(yàn)時(shí)在接地點(diǎn)上安裝一組臨時(shí)接地連接裝置。

4.3 短路條件確認(rèn)

4.3.1 技術(shù)資料準(zhǔn)備

技術(shù)資料應(yīng)具備以下條件：①應(yīng)具有經(jīng)審批的短路試驗(yàn)文件；②設(shè)計(jì)應(yīng)提供相關(guān)設(shè)備的定值通知單；③供貨商提供的有關(guān)直流斷路器短路形式試驗(yàn)報(bào)告；④接觸網(wǎng)工程應(yīng)當(dāng)按設(shè)計(jì)要求全部完成；⑤試驗(yàn)區(qū)段各分段絕緣器性能經(jīng)過(guò)測(cè)試，并有測(cè)試記錄；⑥牽引所已經(jīng)正常運(yùn)行144 h，接觸網(wǎng)已具備受電條件。

4.3.2 安全條件確認(rèn)

安全條件應(yīng)具備以下幾個(gè)方面：①在試驗(yàn)前應(yīng)與運(yùn)營(yíng)事業(yè)部聯(lián)系，嚴(yán)格執(zhí)行運(yùn)營(yíng)公司的停送電施工的規(guī)定；②短路點(diǎn)按要求做好防護(hù)，無(wú)關(guān)人員禁止進(jìn)入此區(qū)域；③在試驗(yàn)前，檢查鋼軌限位裝置處于正常工作狀態(tài)；④檢查保護(hù)定值是否符合設(shè)計(jì)，沿線回流裝置應(yīng)該全部完成；⑤將線路檢測(cè)功能退出，同時(shí)退出重合閘；⑥確認(rèn)牽引回流回路中的設(shè)計(jì)短路電流不會(huì)對(duì)屏蔽門設(shè)備造成影響，確認(rèn)站臺(tái)絕緣地板已經(jīng)施工完成并達(dá)到設(shè)計(jì)絕緣要求。

4.4 短路電流計(jì)算

根據(jù)寧波地鐵2號(hào)線二期工程的特點(diǎn)及短路電流選取的原則，短路電流的計(jì)算采用電路圖法。首先需要計(jì)算牽引變電所內(nèi)阻，主要包括4個(gè)設(shè)備的阻抗：交流中壓電纜、牽引變壓器、整流器、直流電纜。此部分的計(jì)算根據(jù)廠家資料由設(shè)計(jì)院提供變電所的回路等效直流電阻；其次需要測(cè)量直流開(kāi)關(guān)柜下樁頭與負(fù)極隔離刀閘下口的短路回路電阻。由此根據(jù)一座牽引變電所單邊供電（不考慮相鄰牽引變電所影響）公式為：

式（1）中：U為牽引變電所母線電壓，V；r1為牽引變電所內(nèi)阻，Ω；R1為短路回路電阻，Ω。

設(shè)計(jì)單位提供的五里牌變電所的短路試驗(yàn)等效電阻為47.96 mΩ；用試驗(yàn)儀器測(cè)得測(cè)量直流開(kāi)關(guān)柜下樁頭與負(fù)極隔離刀閘下口的短路回路電阻為135.4 mΩ；牽引網(wǎng)直流1 500 V供電，實(shí)際中整流變壓器通過(guò)整流得到的牽引網(wǎng)電壓為1 680 V。由計(jì)算公式可得：

結(jié)果表明，本試驗(yàn)方案中的遠(yuǎn)端實(shí)測(cè)短路計(jì)算電流數(shù)據(jù)與短路計(jì)算書上的設(shè)計(jì)值相近，符合設(shè)計(jì)要求，滿足試驗(yàn)條件。

4.5 模擬試驗(yàn)流程

4.5.1 短路電流模擬試驗(yàn)

模擬短路試驗(yàn)的目的是減少實(shí)際操作過(guò)程中對(duì)既有設(shè)備的影響，保證操作人員的安全，同時(shí)確定試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置。具體步驟如下：①微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀與直流開(kāi)關(guān)柜短路回路饋線斷路器分/合閘控制回路連接，設(shè)置繼電保護(hù)測(cè)試儀按動(dòng)操作按鈕后，間隔多長(zhǎng)時(shí)間，直流開(kāi)關(guān)柜短路回路饋線斷路器分/合閘控制回路動(dòng)作，確保人員離開(kāi)時(shí)間，同時(shí)確認(rèn)線路的可靠性連接；②微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀與35 kVGIS整流變壓器饋線斷路器分閘的控制回路連接，設(shè)置繼電保護(hù)測(cè)試儀按動(dòng)操作按鈕后，間隔多長(zhǎng)時(shí)間，35 kVGIS整流變壓器饋線斷路器分閘的控制回路動(dòng)作，確保人員離開(kāi)時(shí)間，同時(shí)確認(rèn)線路的可靠性連接；③在前兩步確認(rèn)工作狀態(tài)良好的狀態(tài)下，查看35 kVGIS整流變壓器饋線斷路器分閘的控制回路的保護(hù)延時(shí)時(shí)間，確認(rèn)保護(hù)時(shí)間；④模擬直流開(kāi)關(guān)柜的控制合閘回路和35 kVGIS整流變壓器饋線斷路器分閘的控制回路的時(shí)間間隔，不斷調(diào)整優(yōu)化，確保直流開(kāi)關(guān)柜的控制合閘回路先動(dòng)作，再結(jié)合35 kVGIS整流變壓器饋線斷路器分閘的控制回路的保護(hù)延時(shí)時(shí)間，確定直流開(kāi)關(guān)柜的控制合閘回路動(dòng)作后，盡快讓后備保護(hù)的35 kVGIS整流變壓器饋線斷路器分閘的控制回路動(dòng)作，保證短路電流的最短沖擊時(shí)間，降低短路電流的破壞能力；⑤重復(fù)模擬試驗(yàn)確認(rèn)的參數(shù)，保證短路電流確定參數(shù)的準(zhǔn)確性。

通過(guò)模擬試驗(yàn)，寧波地鐵2號(hào)線二期確定的時(shí)間參數(shù)如下：微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀啟動(dòng)后在20 s后直流開(kāi)關(guān)柜短路回路饋線斷路器分/合閘控制回路；直流開(kāi)關(guān)柜短路回路饋線斷路器分/合閘控制回路在動(dòng)作30 ms后，后備保護(hù)的35 kVGIS整流變壓器饋線斷路器分閘的控制回路動(dòng)作。

4.5.2 短路試驗(yàn)操作步驟及方法

由五里牌站混合所向五里牌站至聰園路站區(qū)段的接觸網(wǎng)供電，供電臂站間里程為3 233 m（以站中心點(diǎn)計(jì)算）。試驗(yàn)開(kāi)關(guān)為五里牌站混合所213直流斷路器，短路點(diǎn)在聰園路站下行線剛性接觸網(wǎng)處。供電遠(yuǎn)端短路試驗(yàn)如圖2所示。

以接觸網(wǎng)和鋼軌短接對(duì)應(yīng)越區(qū)供電短路方式進(jìn)行操作分析：①?gòu)膱D2中可以看出，短接點(diǎn)選擇在聰園路站附近的2131隔離開(kāi)關(guān)饋線側(cè)。分五里牌站213、2131、2113開(kāi)關(guān),分聰園路站213、2131、2113開(kāi)關(guān)。②確保聰園路站至五里牌站區(qū)間下行線應(yīng)處于停電狀態(tài)。③在聰園路站2131隔離開(kāi)關(guān)外側(cè)為易發(fā)生短路位置，須將鋼軌與接觸網(wǎng)短接。④將五里牌與聰園路站中間的降壓變電所的合閘。⑤合上五里牌隔離開(kāi)關(guān)2111，合上斷路器211，211斷路器采取微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀進(jìn)行合閘。⑥按照模擬試驗(yàn)程序，按下微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀合閘按鈕，1 500 V直流開(kāi)關(guān)柜斷路器合閘，短路回路接通，并將35 kVGIS整流變壓器饋線斷路器分閘的控制回路的時(shí)間繼電器受電，此時(shí)正常情況下應(yīng)啟動(dòng)1 500 V保護(hù)跳閘。若因保護(hù)裝置故障等原因不能保護(hù)跳閘，35 kVGIS整流變壓器饋線斷路器分閘的控制回路的時(shí)間繼電器受電直接啟動(dòng)跳閘回路，將35 kVGIS整流變壓器饋線柜斷路器斷開(kāi)。⑦對(duì)鋼軌電位限位裝置動(dòng)作情況進(jìn)行觀察和記錄，并實(shí)時(shí)匯報(bào)情況。⑧檢查直流試驗(yàn)滅弧柵、開(kāi)關(guān)觸頭、短路點(diǎn)導(dǎo)線、鋼軌等燒損情況。

圖2 供電遠(yuǎn)端短路試驗(yàn)圖

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

5.1 短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由波形圖和保護(hù)裝置的記錄數(shù)據(jù)，可以得出如表1所示的短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為進(jìn)一步分析，從保護(hù)裝置上讀取出時(shí)間間隔為1 ms的電流值，在EXCEL表格中生成圖形。通過(guò)有關(guān)數(shù)據(jù)分析表明，在試驗(yàn)斷路器合閘瞬間，短路電流產(chǎn)生并在極短時(shí)間內(nèi)增大超過(guò)9 000 A，大電流脫扣保護(hù)和電流速斷保護(hù)在跳閘未完成時(shí)先后啟動(dòng)，延時(shí)約10 ms時(shí)間斷路器跳閘，跳閘時(shí)記錄的電流值為9 055 A，直流保護(hù)測(cè)控裝置報(bào)大電流脫扣動(dòng)作須判斷無(wú)其他保護(hù)動(dòng)作且斷路器為分位，由于電流速斷保護(hù)的迅速激活啟動(dòng)，直流保護(hù)測(cè)控裝置顯示大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，直流饋線開(kāi)關(guān)整定值的準(zhǔn)確性和可靠性初步通過(guò)校驗(yàn)；直流饋線開(kāi)關(guān)設(shè)備分?jǐn)喽搪冯娏鞯乃俣?、保護(hù)出口與斷路器動(dòng)作的配合初步通過(guò)校驗(yàn)。此次短路試驗(yàn)驗(yàn)證了牽引供電系統(tǒng)的可靠性，保護(hù)裝置整定值的準(zhǔn)確性和承受短路的能力，短路試驗(yàn)驗(yàn)方案科學(xué)合理，試驗(yàn)過(guò)程未對(duì)任何設(shè)備造成損壞，試驗(yàn)取得了預(yù)期的效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

本次短路電流試驗(yàn)在分析傳統(tǒng)電流試驗(yàn)弊端的前提下，選取具有雙控制回路的延時(shí)的微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀器，解決了傳統(tǒng)方式試驗(yàn)劣勢(shì)，通過(guò)微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀器，可以在試驗(yàn)位進(jìn)行多次模擬輸出試驗(yàn)，確保設(shè)備的穩(wěn)定，不帶負(fù)荷操作降低設(shè)備損壞的概率，同時(shí)克服了操作人員的恐懼心理，保證了操作人員的安全。本試驗(yàn)調(diào)試方法結(jié)合寧波地鐵2號(hào)線二期工程實(shí)際，從試驗(yàn)準(zhǔn)備、短路點(diǎn)設(shè)置、短路電流計(jì)算的簡(jiǎn)要概述、數(shù)據(jù)采集后的分析匯總進(jìn)行描述，同時(shí)針對(duì)傳統(tǒng)的調(diào)試方法進(jìn)行了更深層次的探索，對(duì)地鐵的直流短路試驗(yàn)有一定的參考價(jià)值。