南宁地铁1号线直流牵引供电系统短路试验方案研究

摘 要：结合南宁地铁1号线直流牵引供电系统工程实际情况，介绍直流供电系统短路试验方案及试验步骤。对短路试验数据进行分析，结果表明：直流开关性能优良，直流保护装置动作准确，直流牵引系统运行可靠。试验方案与分析结果对直流牵引供电系统短路试验的方案优化、数据采集与分析有一定的指导意义。

关键词：地铁供电；直流牵引供电系统；短路试验

中图分类号：U231.8

0 引言

目前，新建成的城市轨道交通线路中绝大部分都是采用直流 1 500 V 作为牵引动力电源。直流牵引供电系统短路试验是必须完成的试验项目，其目的是通过试验获取必要的参数，以便对直流馈线保护装置的保护参数进行正确整定，确保故障短路时断路器能可靠跳闸。同时可以校验正常运营条件下（如列车起动、地铁乘客最大密度时）线路的实际参数与设计参数的匹配程度。

1 直流保护的基本原理

直流牵引供电系统发生接触网短路时，短路电流很大，为此，设置了高性能的保护设备。南宁地铁 1 号线直流断路器的保护由开关本体的大电流脱扣保护和直流保护装置 SEPCOS 组成。

大电流脱扣保护是直流断路器的主保护，与交流保护中的速断保护类似，用以快速切除金属性近端短路故障。这种保护是直流断路器内设置的固有保护，没有延时性，它通过断路器内设置的脱扣器实现。当通过断路器的电流超过整定值时，脱扣器马上动作，使断路器跳闸。

保护装置 SEPCOS 是后备保护，用于保护中长距离的线路故障，主要通过检测电流的变化率（di /dt）来反映线路是否有故障。当电流的变化率达到设定动作值时，保护装置动作，使直流断路器跳闸。

如果保护整定值设置不恰当，就会出现保护拒动或者误动的情况，造成设备损坏和较大的社会影响，故在城市轨道交通中需通过短路试验来校验牵引供电系统保护装置的功能完备性，获取现场数据，供设计校验各设备的保护参数配置，保证在牵引供电系统发生短路故障时，供电设备能及時迅速地切除故障部分，确保人员设备的安全。

通过抽样试验，检验直流牵引供电系统中各设备短路耐受能力和可靠性是否符合合同和相关规范技术要求。

2 试验方法与注意事项

2.1 试验方法

2.1.1 试验点选择

短路点的选择应根据理论产生最大短路电流及最小短路电流的地点进行选取。选取最近容易发生短路故障的地点进行短路，该点短路电流理论为最大，可以检验大电流脱扣保护是否正确动作；选取最远端容易发生短路故障的地点进行短路，该点短路电流理论为最小，可以检验电流速断保护（Imax++）、过电流保护（Imax+）、电流变化率保护（di /dt）以及电流增量保护（ΔI）是否正确动作。不论选择何种短路方式，其控制、保护、信号设置均需按单边供电投入，在接触网线路发生短路时进行试验的变电所内的开关应可靠分断、信号显示正确且设备无异常。

2.1.2 试验接线

结合南宁地铁 1 号线直流牵引供电系统工程实际情况，短路试验地点选择在南湖站—万象城站左、右线，具体选取如下。

（1）南湖站 214 馈线近端短路测试。接触网短接点（近端）在南湖站—万象城站区间（右线）靠近南湖站车站侧，如图 1 所示。

（2）万象城站 211 馈线短路测试（远端短路）。接触网短接点（远端）在南湖站—万象城站区间（左线）靠近南湖站车站侧，如图 2 所示。

2.1.3 数据采集

短路试验数据的采集需使用直流保护装置 SEPCOS自带的故障录波功能以及外接示波器进行记录，接线如图 3 所示。

直流开关分流器正、负极分别与测量放大器输入端口正、负极相连，测量放大器输出端正、负极分别与直流保护装置 SEPCOS 输入端子以及示波器探头正、负端相连。连接示波器与放大器的接线需采用带屏蔽层信号线，以减少干扰。示波器采样时间调整为“格/1 s”，试验结束后将示波器采集数据及波形保存，并使用专用电脑连接保护装置，调出录波数据。

2.1.4 试验步骤

短路试验步骤：①相关区间接触网按试验要求停电；②在选取地点按图 1、图 2 的连接方式进行连接；③连接完成后，利用直流开关保护装置的线路测试功能测试短路回路的完整性；④检查站内整流机组断路器、直流开关保护整定值是否与设计整定相符；⑤试验前，先进行保护装置模拟跳闸试验，确保装置可靠动作；⑥按图 3 接好数据采集示波器，启动示波器录波按钮后立即合上被测试开关；⑦从示波器及保护装置读取短路电流及电压数值、波形及电弧分断时间，将收集的数据与设计整定值比较；⑧短路试验结束，检查直流开关本体及触头是否烧伤及存有残留物；⑨撤除试验区段短路点的辅助导线及临时接地线，检查接触网汇流排、架空地线、钢轨的短路连接点处是否有烧伤、损坏。

2.2 注意事项

（1）短路试验开始前，先进行模拟短路试验，在设备不带电的情况下，使用微机继电保护测试仪和直流毫伏发生器分别对 35 kV 气体绝缘开关设备（GIS）、整流器柜以及直流开关发送跳闸信号，确保装置可靠动作后，再正式进行短路试验。

（2）为确保参与试验人员的人身安全，短路试验前应将被试开关本体的合闸按钮临时引出，远离直流开关室的控制室，试验过程中严禁在直流开关本体上进行分合闸操作。

（3）近端短路试验前，应将数据采集回路的放大器量程调至最大或临时更换更大量程的放大器（≥35 000 A），以防检测波形因短路电流超放大器量程出现“削顶”。

（4）短路试验对开关主触头寿命损伤很大，属于破坏性试验，应尽量减少试验的次数。

3 试验数据搜集及分析评估

直流短路试验是破坏性试验。南宁地铁 1 号线的直流牵引供电系统短路试验分别按接触网近端短路、远端短路各进行 1 次试验。直流短路时示波器检测到电流、电压实际波形见图 4、图 5。

直流保护装置 SEPCOS 保护整定值及短路试验时的故障录波数据分别见表 1、表 2。

从表 2 的数据分析得出如下结论。

（1）南湖站在进行试验前未明确测量放大器档位，实际测量放大器量程偏小（-12 000～12 000 A），而短路峰值电流很大，超出放大器量程范围，导致放大器饱和输出，形成如图 4 所示的“削顶”波形。

（2）南湖站 214 馈线近端短路开始后 16 ms，短路电流达到峰值，母线电压值约为 612 V，根据电流变化率估算，短路电流峰值约为 32 100 A。整个短路试验过程，214断路器的大电流脱扣保护、电流速断（Imax++）保护及电流增量（ΔI）保护均可靠动作并使断路器分闸，上级进线直流断路器（201、202）出现大电流脱扣保护动作分闸。第 16 ms 断路器开始分闸，第 20 ms 断路器完成分闸，第 30 ms 馈线电流趋于 0 A。

（3）万象城站 211 馈线远端短路开始后 48 ms，短路电流达到峰值约为 8 769 A，母线电压为 1 411 V。整个短路试验过程，万象城站上级进线直流断路器（201、202）保持合闸状态，211 断路器电流增量（ΔI）保护、电流速断（Imax++）动作跳闸。第 48 ms 断路器开始分闸，第 54 ms 断路器完成分闸，第 72 ms 馈线电流趋于 0 A。

（4）上述短路试验数据表明，南宁地铁 1 号线供电系统的直流开关性能优良，直流保护装置动作准确，直流牵引系统运行可靠。

4 结语

这次试验从方案准备、实施以及数据采集处理都比较成功，达到预期目的，对今后建立和完善直流牵引供电系统的短路试验方案和测量方法有很好的参考价值。对南宁地铁后续线路的工程项目，还应结合实际情况具体分析，试验前还应综合考虑试验环境、不同接线方式等因素对短路试验的影响，以便更真实、准确地分析系統短路工况。

参考文献

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[5] 李建民. 城市轨道交通供电[M]. 四川成都：西南交通大学出版社，2007.

收稿日期 2018-02-12

责任编辑 冒一平

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