試論城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)故障定位的分析

李玉堅

【摘要】本文主要分析了城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了牽引供電系統(tǒng)故障定位方法，其不僅可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)故障的及時、準(zhǔn)確定位，而且還可以采取有效措施給予解決，進(jìn)而確保牽引供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。通過對牽引供電系統(tǒng)故障定位方法進(jìn)行研究，以期為城市軌道交通的安全運(yùn)行提供可靠保障，創(chuàng)造出最大化的經(jīng)濟(jì)與社會效益。

【關(guān)鍵詞】城市軌道交通;牽引供電系統(tǒng);故障定位

1.牽引供電系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

牽引供電系統(tǒng)是城市軌道交通中比較重要的組成部分，其能夠?qū)㈦娔軅鬏斨亮熊囍?，并在此之后傳輸至牽引變電所?fù)極中。一般情況下，牽引供電需要通過第三軌/接觸網(wǎng)、饋電線等設(shè)施將電能傳輸至城市軌道交通列車中，并通過回流線以及鋼軌傳輸至牽引變電所負(fù)極。通常情況下，牽引變電系統(tǒng)范圍不僅包括電氣設(shè)備，還同時包括上一級電源進(jìn)線至牽引網(wǎng)之間所涉及的所有電器線路。為了降低雜散電流進(jìn)入地鐵設(shè)備、主體結(jié)構(gòu)及相關(guān)設(shè)施，則應(yīng)當(dāng)絕緣安裝直流供電系統(tǒng)。

一般而言，牽引網(wǎng)與牽引變電所兩部分共同構(gòu)成牽引供電系統(tǒng)，在牽引供電系統(tǒng)工作中，兩者可以實(shí)現(xiàn)相互協(xié)調(diào)、統(tǒng)一調(diào)度，進(jìn)而有效提高牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行效率。圖1描述的是牽引供電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意圖。

通過對圖1進(jìn)行分析，其各部分功能特點(diǎn)如下：（1）牽引變電所。其主要負(fù)責(zé)將電能傳輸至城市軌道交通列車中，并提供電氣裝置與設(shè)施變換分配所需要的電力能源。其功能電力系統(tǒng)三相交流電在降壓與整流后傳輸給電力機(jī)車使用;（2）接觸網(wǎng)。在牽引供電系統(tǒng)中，接觸網(wǎng)一般要求沿線路進(jìn)行敷設(shè)，主要用于為電動車輛提供所需電源的一類設(shè)備，從結(jié)構(gòu)形式層面可以劃分為架空接觸網(wǎng)和第三軌兩種類型。對于城市軌道交通而言，1500V電壓級一般會選擇架空接觸網(wǎng)形式，而750V電壓級一般會選擇第三軌;（3）饋電線。饋電線一般為連接接觸網(wǎng)與牽引變電所的導(dǎo)線，其能夠?qū)恳冸娝娔芤勒諛?biāo)準(zhǔn)要求轉(zhuǎn)化為牽引制式電能，并將轉(zhuǎn)化后電能傳輸至接觸網(wǎng);（4）電分段。為了縮小事故范圍和便于檢修，電分段可以結(jié)合實(shí)際情況將接觸網(wǎng)分為若干段，能夠?qū)⑵涓鶕?jù)位置不同分為橫向與縱向兩種電分段，電分段通常情況下需要依靠分段絕緣器進(jìn)行和實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前環(huán)氧樹脂分段絕緣器在牽引供電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)主要是由鋁合金導(dǎo)流滑板、環(huán)氧樹脂絕緣板等組合而成;（5）回流線?；亓骶€是連接軌道與牽引變電所負(fù)極的導(dǎo)線，回流線能夠?qū)④壍乐谢芈冯娏鱾鬏斨翣恳冸娝?（6）軌道。在非電牽引情形下，軌道一般僅為列車導(dǎo)軌。而在電力牽引情況下，軌道不僅擁有導(dǎo)軌功能，而且還可以確?；亓魅蝿?wù)的順利完成。

2.城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)故障定位方法

一般而言，城市軌道交通位于地下較封閉環(huán)境中，實(shí)際運(yùn)行工作條件較為惡劣，在軌道交通運(yùn)量與效率不斷提高的背景下，其故障發(fā)生率增大，不利于永久性故障快速恢復(fù)。繼電保護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展能夠有效縮短直流線路故障排查與切除時間，減少線路損傷情況與影響，但同時也會增加無明顯破壞痕跡故障點(diǎn)的檢查難度，因此必須要根據(jù)城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)工作運(yùn)行狀態(tài)科學(xué)選擇故障定位方法，提高故障定位準(zhǔn)確度，進(jìn)而使其得到及時、有效的處理。下面將會對牽引供電系統(tǒng)故障定位方法給予介紹。

2.1故障分析法

通常情況下，交流輸電線路和直流輸電線路在本質(zhì)上具有相同物理性質(zhì)，其差異在于能量集中頻帶不同，因此，在交流線路中所常用的故障定位原理也能應(yīng)用于直流輸電線路故障定位分析工作中。就目前而言，交流輸電線路故障定位方法比較多，但是直流輸電線路故障定位方法卻相對比較單一，最常用的便是行波定位原理。在故障分析工作中，直流輸電線路能夠借鑒交流線路故障分析與定位方法，從而提高故障定位準(zhǔn)確性。在交流系統(tǒng)中，按照測量數(shù)據(jù)來源可以將故障分析法分為雙端法和單端法;按照電氣量形式可以分為時域法和頻域法;依照輸電線路模型不同則可以分為分布參數(shù)模型與集中參數(shù)模型兩種模型類型。然而，在故障特征方面，直流線路與交流線路存在一定的差異，其故障定位區(qū)別如下：（1）直流線路主要傳輸?shù)皖l能量，在線路故障問題發(fā)生后往往難以獲取穩(wěn)定工頻量，在此情況下，應(yīng)當(dāng)選擇時域法;（2）高壓直流輸電線路通常傳輸距離較長，線路分布參數(shù)特性明顯，此時可以借助分布參數(shù)模型來確保故障定位的精確性。牽引供電系統(tǒng)站間距通常在一千米至四千米之間，電壓等級相對較低，通常為DC750V/1500V，因此牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)故障定位可以選擇基于集中參數(shù)模型下的時域分析法。

2.2行波法

行波法主要是基于行波理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的故障定位方法。在城市軌道交通運(yùn)行過程中，當(dāng)牽引供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，故障點(diǎn)區(qū)域?qū)a(chǎn)生暫態(tài)電流行波和電壓行波，同時這兩種行波會逐漸傳播至短路點(diǎn)兩側(cè)范圍區(qū)域，在此情況下能夠檢測行波波頭到達(dá)兩側(cè)區(qū)域時刻，從而依照檢測所得實(shí)踐確定行波波速，并根據(jù)行波波速準(zhǔn)確判定短路點(diǎn)位置。當(dāng)前采用行波故障定位方法對牽引供電系統(tǒng)故障進(jìn)行定位已經(jīng)愈發(fā)普及應(yīng)用于直流供電線路中?，F(xiàn)階段，在牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行過程中，直流輸電線故障定位裝置一般采用行波原理。相較于交流線路行波故障定位，直流輸電線路行波故障定位具有以下優(yōu)勢：（1）直流電壓不涉及周期過零現(xiàn)象，能夠避免受到故障初相角問題影響，且具有豐富暫態(tài)行波能量，能夠準(zhǔn)確識別波頭位置;（2）直流系統(tǒng)母線出線少，母線結(jié)構(gòu)變化小，無需對各母線的反射波與投射波和故障點(diǎn)傳播的行波進(jìn)行區(qū)分，這樣就使得其不會遭受其他線路的影響。

在牽引供電系統(tǒng)故障定位過程中，行波法的可行性分析如下：（1）由輸電線路上電壓、電流突然變化原因而產(chǎn)生的行波，其與輸電線路直流交流狀態(tài)無關(guān)，在輸電線路故障狀態(tài)下，行波不可忽略;（2）在波阻抗不連續(xù)位置，行波會出現(xiàn)反射和折射現(xiàn)象，這樣就增加了單端行波測距難度。電力系統(tǒng)母線分支較多，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，線路供電距離較長，且接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，錨段關(guān)節(jié)、線翁、分段絕緣器等波阻抗存在多個位置不連續(xù)情況，無法實(shí)現(xiàn)對干擾信號與故障行波的有效區(qū)分。而牽引供電系統(tǒng)出線少，母線結(jié)構(gòu)簡單，且各個供電區(qū)兩側(cè)牽引變電所均存在整流器和整流變壓器，具有較大的波阻抗，如果區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)故障時，其所產(chǎn)生的行波會往復(fù)反射于相鄰牽引變電所之間;（3）基于線路故障下，出現(xiàn)的行波信號具有比較多的故障信息，此時可以借助互感器來對其一次電壓、電流行波進(jìn)行測量。電流行波信號的有效傳輸能夠借助普通電流互感器實(shí)現(xiàn)，從而使得行波測距裝置能夠與普通的電流互感器直接連接。在牽引變電所中，行波定位裝置能夠?qū)崿F(xiàn)有效保護(hù)直流饋線;（4）從工程應(yīng)用角度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在單端故障定位過程中，只需將故障檢測裝置安裝在線路一端，無需進(jìn)行設(shè)備與雙端數(shù)據(jù)通信設(shè)備的同步對時，實(shí)時性與經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)。因此，單端定位原理成為人們不斷研究的重點(diǎn)。單端法雖然具有比較精準(zhǔn)的定位效果，但是極易受折反射波的干擾，此時可以與故障分析法相結(jié)合，進(jìn)而提高故障定位準(zhǔn)確率;（5）對于交流系統(tǒng)故障定位而言，其交流電壓具備周期過零點(diǎn)，若故障遭遇電壓相角偏小或過零點(diǎn)情況時，行波信號會逐漸微弱，從而導(dǎo)致和誘發(fā)定位誤判或失敗現(xiàn)象。而在城市軌道交通中，其牽引供電系統(tǒng)制式為直流1500V或750V，不存在交流電壓相角及周期過零問題，從而使行波電流和電壓較易獲取。

3.結(jié)束語

綜上所述，在城市軌道交通運(yùn)行過程中，牽引供電系統(tǒng)故障不可避免，此時就需要結(jié)合實(shí)際情況對其故障定位方法進(jìn)行合理選擇，對發(fā)現(xiàn)的故障問題給予有效處理，進(jìn)而提高牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行效率，促進(jìn)城市軌道交通的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙春波.城市軌道交通DC1500V牽引供電系統(tǒng)短路故障研究[J].中國高新科技，2019（11）：108-110.

[2]袁國利，張欣.城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)故障定位研究[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2019（19）：4837.