地铁牵引供电系统直流短路试验调试的探讨

游利平

（中国中铁股份有限公司，北京 100039）

1 引言

地铁牵引供电系统直流短路试验的原理就是在牵引网可靠接地的前提下，通过直流开关柜向牵引网送电，根据短路试验前保护定值的设定，对应的馈线开关应保护动作，校验牵引供电直流开关柜保护的可靠性、准确性、选择性、灵敏性。通过试验，主要检验牵引供电系统的完整性、安全性、可靠性和承受短路电流的能力，校核牵引供电设备保护的可靠性、选择性、灵敏性，考验对牵引供电系统及其他设备的影响。

2 传统短路试验方法的原理和存在的问题

传统的短路试验方法，是在数据采集中通过直流开关柜的分流器与隔离变压器和示波器连接，显示短路电流的波形图；通过与直流开关柜模块接线采集短路试验数据；在控制回路的控制过程中，通过手动开关或制作临时控制箱（含时间继电器和控制单元）进行控制回路的试验操作。

此方法存在的主要问题包括：①控制回路中的手动或者自制控制箱是未经过校核的设备，稳定性较差；②在模拟试验时，同步性差，时间参数的调整不方便，操作复杂；③短路试验属于破坏性试验，在后备保护中存在不确定因素，安全风险高；④传统试验方法，短路试验次数多，时间长，试验成本高。

3 改进试验调试方法的可行性研究

3.1 采用微机继电保护测试仪试验调试的可行性和优势

通过试验原理分析，采用传统的试验方案时，直流开关向短路的牵引网送电后，假设不能灵敏地断开，会造成牵引网的破坏；同时这种破坏性的短路试验，其中一路控制直流开关柜，另一路控制因保护不动作的后备保护，人为操作的影响因素较大，不能保证两个操作的同步性，因此其危险程度极高。通过现有试验装置的性能比较，可以选取具有双控制回路的延时微机继电保护测试仪器，来解决传统试验方法的劣势。同时，通过微机继电保护测试仪器，可以在试验位进行多次模拟输出试验，确保设备的稳定，不带负荷操作，降低设备损坏的概率，而且克服了操作人员的恐惧心里，保证了操作人员的安全。

3.2 采用微机继电保护测试仪试验方法的试验原理

短路试验接线原理如图1所示。

图1 短路试验接线原理图

4 试验调试方案实施的重点

4.1 短路试验准备

4.1.1 变电所内设备状态

以宁波地铁2号线二期供电系统为例，其中有3个35 kV/1 500 V（DC）牵引混合变电所，2个35 kV/0.4 kV降压变电所为2号线二期供电。

试验开始前，五里牌、聪园路站牵引混合变电所整流机组在停用状态，所有直流断路器在停用状态，所有上网隔离开关和越区隔离开关处于分闸状态，所有钢轨限位装置处于正常工作状态，各牵引所排流柜的各支路负荷开关均在断开状态。试验直流开关柜保护测控装置参数调整为：自动重合闸取消，线路检测取消。

4.1.2 短路点的设置

接触网短接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。

牵引所上网隔离开关外侧容易发生短路故障的地点，其短路电流理论值为最大，可以检验大电流脱扣保护是否正确动作。当牵引所越区供电时，最长相邻的两个供电区间的远端容易发生短路故障，该点短路电流理论值为最小，可以检验过电流速断保护或者DDL保护是否正确动作。本次短路试验选择在聪园路站至五里牌站区段进行，依据宁波市轨道交通2号线二期工程供电系统图，不具备越区供电短路试验的条件。

从短路试验的角度，要考虑直流牵引系统的如下因素：①变电所整流机组容量；②直流1 500 V供电臂的长度；③直流保护的配合，大电流脱扣DA，上升率保护ROR、独立过电流保护IOP。

综合考虑上述因素以及试验的便利性，选择接触网短接点（远端）：聪园路站至五里牌站区间靠近聪园路站附近，距离隔离开关上网点50 m范围外。

4.2 接触网设备短路准备

4.2.1 牵引网与架空地线短接

接地线采用TRJ-120 mm2软铜线连接线2根，每根不短于4 m。

4.2.2 牵引网与钢轨短接

由于短路试验为破坏性试验，为防止在试验时对接触网系统造成直接伤害，配合试验时在接地点上安装一组临时接地连接装置。

4.3 短路条件确认

4.3.1 技术资料准备

技术资料应具备以下条件：①应具有经审批的短路试验文件；②设计应提供相关设备的定值通知单；③供货商提供的有关直流断路器短路形式试验报告；④接触网工程应当按设计要求全部完成；⑤试验区段各分段绝缘器性能经过测试，并有测试记录；⑥牵引所已经正常运行144 h，接触网已具备受电条件。

4.3.2 安全条件确认

安全条件应具备以下几个方面：①在试验前应与运营事业部联系，严格执行运营公司的停送电施工的规定；②短路点按要求做好防护，无关人员禁止进入此区域；③在试验前，检查钢轨限位装置处于正常工作状态；④检查保护定值是否符合设计，沿线回流装置应该全部完成；⑤将线路检测功能退出，同时退出重合闸；⑥确认牵引回流回路中的设计短路电流不会对屏蔽门设备造成影响，确认站台绝缘地板已经施工完成并达到设计绝缘要求。

4.4 短路电流计算

根据宁波地铁2号线二期工程的特点及短路电流选取的原则，短路电流的计算采用电路图法。首先需要计算牵引变电所内阻，主要包括4个设备的阻抗：交流中压电缆、牵引变压器、整流器、直流电缆。此部分的计算根据厂家资料由设计院提供变电所的回路等效直流电阻；其次需要测量直流开关柜下桩头与负极隔离刀闸下口的短路回路电阻。由此根据一座牵引变电所单边供电（不考虑相邻牵引变电所影响）公式为：

式（1）中：U为牵引变电所母线电压，V；r1为牵引变电所内阻，Ω；R1为短路回路电阻，Ω。

设计单位提供的五里牌变电所的短路试验等效电阻为47.96 mΩ；用试验仪器测得测量直流开关柜下桩头与负极隔离刀闸下口的短路回路电阻为135.4 mΩ；牵引网直流1 500 V供电，实际中整流变压器通过整流得到的牵引网电压为1 680 V。由计算公式可得：

结果表明，本试验方案中的远端实测短路计算电流数据与短路计算书上的设计值相近，符合设计要求，满足试验条件。

4.5 模拟试验流程

4.5.1 短路电流模拟试验

模拟短路试验的目的是减少实际操作过程中对既有设备的影响，保证操作人员的安全，同时确定试验参数的设置。具体步骤如下：①微机继电保护测试仪与直流开关柜短路回路馈线断路器分/合闸控制回路连接，设置继电保护测试仪按动操作按钮后，间隔多长时间，直流开关柜短路回路馈线断路器分/合闸控制回路动作，确保人员离开时间，同时确认线路的可靠性连接；②微机继电保护测试仪与35 kVGIS整流变压器馈线断路器分闸的控制回路连接，设置继电保护测试仪按动操作按钮后，间隔多长时间，35 kVGIS整流变压器馈线断路器分闸的控制回路动作，确保人员离开时间，同时确认线路的可靠性连接；③在前两步确认工作状态良好的状态下，查看35 kVGIS整流变压器馈线断路器分闸的控制回路的保护延时时间，确认保护时间；④模拟直流开关柜的控制合闸回路和35 kVGIS整流变压器馈线断路器分闸的控制回路的时间间隔，不断调整优化，确保直流开关柜的控制合闸回路先动作，再结合35 kVGIS整流变压器馈线断路器分闸的控制回路的保护延时时间，确定直流开关柜的控制合闸回路动作后，尽快让后备保护的35 kVGIS整流变压器馈线断路器分闸的控制回路动作，保证短路电流的最短冲击时间，降低短路电流的破坏能力；⑤重复模拟试验确认的参数，保证短路电流确定参数的准确性。

通过模拟试验，宁波地铁2号线二期确定的时间参数如下：微机继电保护测试仪启动后在20 s后直流开关柜短路回路馈线断路器分/合闸控制回路；直流开关柜短路回路馈线断路器分/合闸控制回路在动作30 ms后，后备保护的35 kVGIS整流变压器馈线断路器分闸的控制回路动作。

4.5.2 短路试验操作步骤及方法

由五里牌站混合所向五里牌站至聪园路站区段的接触网供电，供电臂站间里程为3 233 m（以站中心点计算）。试验开关为五里牌站混合所213直流断路器，短路点在聪园路站下行线刚性接触网处。供电远端短路试验如图2所示。

以接触网和钢轨短接对应越区供电短路方式进行操作分析：①从图2中可以看出，短接点选择在聪园路站附近的2131隔离开关馈线侧。分五里牌站213、2131、2113开关,分聪园路站213、2131、2113开关。②确保聪园路站至五里牌站区间下行线应处于停电状态。③在聪园路站2131隔离开关外侧为易发生短路位置，须将钢轨与接触网短接。④将五里牌与聪园路站中间的降压变电所的合闸。⑤合上五里牌隔离开关2111，合上断路器211，211断路器采取微机继电保护测试仪进行合闸。⑥按照模拟试验程序，按下微机继电保护测试仪合闸按钮，1 500 V直流开关柜断路器合闸，短路回路接通，并将35 kVGIS整流变压器馈线断路器分闸的控制回路的时间继电器受电，此时正常情况下应启动1 500 V保护跳闸。若因保护装置故障等原因不能保护跳闸，35 kVGIS整流变压器馈线断路器分闸的控制回路的时间继电器受电直接启动跳闸回路，将35 kVGIS整流变压器馈线柜断路器断开。⑦对钢轨电位限位装置动作情况进行观察和记录，并实时汇报情况。⑧检查直流试验灭弧栅、开关触头、短路点导线、钢轨等烧损情况。

图2 供电远端短路试验图

5 试验数据分析

5.1 短路试验数据分析

由波形图和保护装置的记录数据，可以得出如表1所示的短路试验数据。

表1 短路试验数据

为进一步分析，从保护装置上读取出时间间隔为1 ms的电流值，在EXCEL表格中生成图形。通过有关数据分析表明，在试验断路器合闸瞬间，短路电流产生并在极短时间内增大超过9 000 A，大电流脱扣保护和电流速断保护在跳闸未完成时先后启动，延时约10 ms时间断路器跳闸，跳闸时记录的电流值为9 055 A，直流保护测控装置报大电流脱扣动作须判断无其他保护动作且断路器为分位，由于电流速断保护的迅速激活启动，直流保护测控装置显示大电流脱扣保护动作。

5.2 试验结果分析

从试验结果来看，直流馈线开关整定值的准确性和可靠性初步通过校验；直流馈线开关设备分断短路电流的速度、保护出口与断路器动作的配合初步通过校验。此次短路试验验证了牵引供电系统的可靠性，保护装置整定值的准确性和承受短路的能力，短路试验验方案科学合理，试验过程未对任何设备造成损坏，试验取得了预期的效果。

6 结束语

本次短路电流试验在分析传统电流试验弊端的前提下，选取具有双控制回路的延时的微机继电保护测试仪器，解决了传统方式试验劣势，通过微机继电保护测试仪器，可以在试验位进行多次模拟输出试验，确保设备的稳定，不带负荷操作降低设备损坏的概率，同时克服了操作人员的恐惧心理，保证了操作人员的安全。本试验调试方法结合宁波地铁2号线二期工程实际，从试验准备、短路点设置、短路电流计算的简要概述、数据采集后的分析汇总进行描述，同时针对传统的调试方法进行了更深层次的探索，对地铁的直流短路试验有一定的参考价值。