謝博策，弭 雪

（北京首建興安裝工程有限公司，北京 100000）

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的加快，軌道交通已成為緩解城市交通擁堵、改善城市環(huán)境的重要途徑之一。地鐵作為一種高效、便捷、環(huán)保的公共交通工具，在現(xiàn)代城市軌道交通體系中發(fā)揮著日益重要的作用[1]。然而，地鐵系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行對城市交通和人民生活有著至關(guān)重要的影響。在復(fù)雜的地鐵供電系統(tǒng)中，直流側(cè)供電網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)著為列車牽引系統(tǒng)和輔助設(shè)備提供電能的重任。一旦直流側(cè)發(fā)生短路故障，不僅會導(dǎo)致列車運(yùn)行中斷，威脅乘客的生命安全，還可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，對整個供電系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害，從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。因此，深入研究地鐵供電系統(tǒng)直流側(cè)短路故障的發(fā)生機(jī)理、故障類型與特征，探索有效的故障處理策略與措施，對于提高地鐵系統(tǒng)的可靠性、安全性及運(yùn)行效率具有重要意義。

1 地鐵供電系統(tǒng)直流側(cè)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 地鐵供電系統(tǒng)總體架構(gòu)

地鐵供電系統(tǒng)是一個復(fù)雜且關(guān)鍵的技術(shù)體系，通常由交流側(cè)和直流側(cè)兩大部分組成[2]。地鐵供電系統(tǒng)總體架構(gòu)的主要組成部分及其功能如表1 所示。

表1 地鐵供電系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 直流側(cè)供電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及工作原理

地鐵牽引目前普遍采用直流供電方式。相較于交流供電，直流供電具有調(diào)速方便、車輛啟動與制動平穩(wěn)、電壓質(zhì)量高以及投資成本低等優(yōu)點(diǎn)。地鐵供電系統(tǒng)的直流側(cè)供電網(wǎng)絡(luò)是一個復(fù)雜的技術(shù)體系，主要由整流變電所、直流配電線路、接觸軌或接觸網(wǎng)、回流線以及相關(guān)的保護(hù)和控制設(shè)備組成。其中，整流變電所是直流側(cè)供電網(wǎng)絡(luò)的核心，通常采用具有12脈波或24 脈波整流方式的整流器，將交流電轉(zhuǎn)換為750 V 和1 500 V 的直流電，并通過直流配電線路輸送至接觸軌或接觸網(wǎng)[3]。整流器的效率通?？蛇_(dá)到98%以上，且具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性，能夠適應(yīng)列車負(fù)載的快速變化。

為確保整流變電所的可靠運(yùn)行，通常會配備完善的監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)，如直流母線電壓監(jiān)測、溫度監(jiān)測、短路保護(hù)等。例如，北京地鐵采用DC750 V 第三軌供電和DC1 500 V 架空接觸網(wǎng)制式兩種供電方式。其中，一號線、二號線、十三號線采用DC750 V 第三軌供電方式。第三軌由高導(dǎo)電率的特殊軟鋼制成，沿線路平行架設(shè)于軌道外側(cè)，地鐵車輛的受流靴與其接觸以獲取電能。十四、十六號線采用DC1 500 V 架空接觸網(wǎng)制式。由于采用了較高的供電電壓，降低了接觸網(wǎng)的饋電電流，因此采用架空接觸網(wǎng)來輸送電流更為便利，能夠改善受流環(huán)境，提高受流質(zhì)量。回流線負(fù)責(zé)將列車再生制動能量和牽引電流安全送至整流變電所，通常采用與接觸網(wǎng)并行敷設(shè)的鋼軌或電纜。

為提高直流側(cè)供電網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性，現(xiàn)代地鐵系統(tǒng)普遍采用分段絕緣的供電方式。這種供電方式不僅可以有效降低故障電流，縮小故障影響范圍，還能實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段的快速隔離和恢復(fù)，有效提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。地鐵直流牽引供電系統(tǒng)一般采用主接線形式，如圖1 所示。直流系統(tǒng)為雙母線接線方式，設(shè)有工作母線、備用母線及旁路開關(guān)。兩路進(jìn)線采用直流斷路器，設(shè)置4 路直流饋線，工作母線和備用母線之間設(shè)有備用直流斷路器。牽引整流機(jī)組的負(fù)極采用電動隔離開關(guān)。正常運(yùn)行時，1 個供電區(qū)由相鄰的兩個牽引變電所同時供電。

圖1 地鐵直流牽引供電系統(tǒng)主接線形式

在同一行車方向的不同供電分區(qū)分段處，上行和下行均設(shè)置了縱向電動隔離開關(guān)。當(dāng)某牽引變電所整體退出運(yùn)行時，可以借助隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)大雙邊供電。而對于未設(shè)置縱向電動隔離開關(guān)的線路，當(dāng)某牽引變電所整體退出運(yùn)行時，通常只能采取單邊供電的方式運(yùn)行。

2 直流側(cè)短路故障類型與特征分析

根據(jù)故障發(fā)生的位置和原因，可以將直流側(cè)短路故障分為接觸網(wǎng)短路、直流母線短路、列車短路等類型，不同類型的短路故障在故障特征、危害程度及處理難度等方面存在顯著差異[4]。典型的直流側(cè)短路故障類型及其主要特征如表2 所示。

表2 直流側(cè)短路故障類型及其主要特征

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行是列車安全運(yùn)行的前提。直流牽引供電系統(tǒng)保護(hù)的重要作用主要體現(xiàn)在以下兩方面：一方面，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，應(yīng)最大限度地滿足列車運(yùn)行的條件；另一方面，在直流牽引電系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，應(yīng)有選擇地切除故障，確保列車、設(shè)備及旅客的安全。直流牽引供電系統(tǒng)的特點(diǎn)是列車牽引負(fù)荷電流并非總保持在一個水平上。這是因?yàn)槭芰熊嚻饎?、加速等操作的影響，?dǎo)致電流的變化變得頻繁且復(fù)雜。地鐵直流系統(tǒng)短路電流和起動電流隨時間變化的特性如圖2 所示，t0為列車啟動時間。列車起動時，電流短時上升且幅度較大，甚至超過中遠(yuǎn)端短路電流，增加了保護(hù)整定的難度。直流牽引系統(tǒng)保護(hù)的重點(diǎn)在于區(qū)分列車起動電流或受電弓過接觸軌分段時的電流和短路電流。

圖2 地鐵直流系統(tǒng)短路電流和啟動電流特性

3 直流側(cè)短路故障處理策略與措施

3.1 短路故障實(shí)時監(jiān)測與精確定位

為實(shí)現(xiàn)對地鐵供電系統(tǒng)直流側(cè)短路故障的實(shí)時監(jiān)測與精確定位，業(yè)界已提出了一系列先進(jìn)的技術(shù)手段。其中，基于故障電流暫態(tài)特征分析的監(jiān)測方法受到廣泛關(guān)注。例如，上海地鐵利用布置在整流變電所和接觸網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電流傳感器，以高達(dá)10 kHz 的采樣頻率實(shí)時測量電流信號，并通過專用的信號處理單元進(jìn)行在線分析。研究表明，在發(fā)生短路故障時，故障電流在10 ms 內(nèi)即可達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的90%以上，且在電流的上升沿部分呈現(xiàn)明顯的陡變特征[5]。對于電流傳感器采集的電流信號，利用小波分析等時頻域信號處理技術(shù)，可以從電流暫態(tài)中提取故障特征頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障的快速檢測。一旦監(jiān)測到疑似短路故障，系統(tǒng)將自動觸發(fā)定位算法，綜合分析故障前后電流、電壓的變化情況，并結(jié)合供電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)模型，在100 ms 內(nèi)給出故障點(diǎn)的方位。

3.2 快速響應(yīng)機(jī)制與高效隔離技術(shù)

為最大限度地減小直流側(cè)短路故障對地鐵運(yùn)營的影響，供電系統(tǒng)必須具備快速響應(yīng)和高效隔離故障的能力。首先，供電系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)故障類型和嚴(yán)重程度，制定分級響應(yīng)預(yù)案。對于危及人身安全和設(shè)備完整性的嚴(yán)重短路故障，必須在最短時間內(nèi)切除故障，并完成故障隔離和系統(tǒng)重構(gòu)，以縮小故障影響范圍。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，系統(tǒng)需綜合利用快速跳閘、能量吸收等多種手段，以縮小故障影響范圍。例如，部署在故障附近的超導(dǎo)限流器可在2 ms 內(nèi)將短路電流限制在額定值的2.5 倍以內(nèi)，有效降低電流熱效應(yīng)。對于危害較小的一般短路故障，可適當(dāng)延長響應(yīng)時間，通過采取分段隔離和負(fù)荷轉(zhuǎn)移等措施實(shí)現(xiàn)局部供電恢復(fù)，時間一般控制在200 ms 以內(nèi)。而優(yōu)化隔離開關(guān)操作時序是提高故障隔離效率的關(guān)鍵，合理的開關(guān)操作時序不僅可避免隔離過程中的二次短路，還可顯著降低開關(guān)自身的損耗。通過在隔離開關(guān)控制中引入故障電流零點(diǎn)切除策略，可將開關(guān)損耗降到最低，確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

4 結(jié) 論

文章圍繞地鐵供電系統(tǒng)直流側(cè)短路故障這一關(guān)鍵問題，從故障類型與特征、監(jiān)測與定位、處理策略與措施等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。通過分析不同類型短路故障的成因和危害，揭示了直流側(cè)短路故障的復(fù)雜性和嚴(yán)重性。在此基礎(chǔ)上，概括總結(jié)了故障電流暫態(tài)特征分析、分布式光纖測溫等先進(jìn)的故障監(jiān)測與定位技術(shù)，以及快速跳閘、能量吸收、優(yōu)化隔離等故障處理措施，為提高故障處理速度和可靠性提供了有效途徑。隨著軌道交通的不斷發(fā)展，地鐵供電系統(tǒng)將朝著更大容量、更高可靠性、更智能化的方向邁進(jìn)。未來，應(yīng)綜合應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)，建立集故障智能診斷與預(yù)警、自愈控制、智慧運(yùn)維等功能為一體的故障防控體系，實(shí)現(xiàn)地鐵供電的安全可靠運(yùn)行。