地铁直流牵引供电系统接触网故障点测距方法

地铁直流牵引供电系统接触网故障点测距方法

陈善斌

深圳地铁运营集团有限公司

摘要：地铁具有速度快、无污染、工作安全可靠、准时方便、乘坐舒适、占用地面空间少等明显的优势，它已逐渐成为有效解决大中城市交通紧张状况的首选。但与此同时，地铁直流牵引供电系统因受天气或人为因素的影响，存在发生故障的概率，给该系统的运行与维护带来了新的问题与挑战。接触网是直流牵引供电系统中仅有的无后备部分，其工作状态一直影响着该系统的安全、稳定运行。由于列车在运行过程中采用受电弓(集电靴)滑动取流，且接触网的一些构件及导线容易受天气因素影响进而发生损坏，导致接触网故障概率非常高;接触网沿隧道壁敷设，排查寻找故障点的难度大和费时长，将延误列车的正常运行。因此，如何快速而精确地测算出故障点的位置，成为直流牵引供电系统安全、稳定运行的关键。

关键词：地铁；直流牵引供电系统；接触网；故障点测距；

引言

20世纪90代，架空接触网在国内城市轨道交通中广泛应用。从2001年开始，广州地铁２号线开始研制隧道内刚性悬挂方式，并取得成功应用。对地下线路而言，刚性接触网无需张力补偿、结构紧凑、机械安全性高，在工程应用中性价比高，运营管理可借鉴的经验丰富。随着刚性悬挂架空接触网的普遍应用，在实际运营中也暴露出一些问题，比如受电弓与接触线之间弓网配合不佳时，接触线拉丝及烧蚀，接触线与碳滑板之间拉弧，接触线磨损严重，碳滑板磨损严重且凹凸不平，接触网发生短路等，造成了接触线和受电弓使用寿命缩短，增加了运营维护成本，其中在运行过程中接触网发生短路故障是需要重点关注的问题。

1直流牵引供电系统接触网故障点测距方法概述

由于直流牵引供电系统组成和运行方式的相似性，既有的电力系统及电气化铁路中的故障点测距方法可为地铁牵引供电系统的故障点测距提供参考。电力系统中最常用的故障点测距方法主要有两种:故障点分析法和行波法。其中:故障分析法也被称为电阻法，该方法根据供电系统的相关电气参数和测量到的故障时的电气量，通过推导得到的公式计算出故障点的位置，这是一种传统的故障点测距方法;行波法则是基于暂态行波在传播过程中遇到波阻抗不连续点发生的折射和反射原理，利用探测得到的行波波头之间的时间差来实现故障点测距。行波法中，波速是影响故障点定位精度的关键，波速的计算取决于大地电阻率的大小和接触网架构的配置。此外，行波测距需专门设备实现，投资较大。直流牵引供电系统接触网沿线的隧道内地质条件比较复杂，不同区域地质段的土壤电阻率也有所不同。且由于直流牵引供电系统的站间距太短，电压等级低，行波过程不明显，采用行波法测距存在行波波头检测难度大和定位精度差等问题，因此，行波法并不适用于直流牵引供电系统的故障点测距。

图1直流牵引供电系统双边供电方式示意图

2地铁刚性接触网的构成及其特征

刚性接触网的主要构成，即为接触悬挂、支持定位装置、绝缘部件和架空地线，其中接触悬挂则主要有汇流排、接触线、伸缩部件和中心锚结这四个组成部分；支持定位装置需在隧道顶部或者壁上安装；悬挂布置的整体形状为正弦波，一个锚段形成半个正弦波，各悬挂点通常情况下和受电弓中心间距不会超过200mm。虽然刚性接触网出现的时间并不长，但却凭借自身施工方便、安全稳定、维护简单、适应速度强、成本低以及供电间距长等优势，以其结构紧凑简单、施工方便、工程造价低、安全可靠、可维护性高、供电间距长以及适应速度较高等优点，被广泛应用于地铁建设中。与此同时，刚性接触网的优势还体现在占空间小和无轴向张力上，其与受电弓共同组成地铁架空刚性接触网弓网系统，使车辆在足够能量的驱动下实现稳定运行。

图2刚性悬挂网布置图

3双端故障点测距的实现方案

3.1冷升弓原理

在接触网带电情况下升弓排查故障动车组时，如动车组高压设备故障接地，受电弓在升弓过程中，与有负载的接触网导线接触前瞬间会出现拉弧现象，极易诱发高温熔网，导致接触网断线。冷升弓是指在电气化铁路运营中，遇有接触网跳闸自动重合失败时，供电臂内动车组按规定全部降弓，人工试送电成功后，采用接触网停电、动车组升弓、再送电的方式。采用冷升弓方式，受电弓与无负载的接触网导线接触后再送电，接触网直接跳闸，避免拉弧的发生，可有效防止接触网断线事故发生，提高应急处置效率。

3.2降低接触网残压

1)在分段绝缘器设备选型时，应提高出入段线与正线间分段绝缘器的绝缘电阻值，采用阻值更高的分段绝缘器。通过改进设备工艺，提高分段绝缘器的耐污性和自洁净性，从而减少外部环境对分段绝缘器设备绝缘性能的影响。2)分段绝缘器处的上网电缆应设计单独上网路径，可采用单独架设三角腕臂、架设电缆爬架，或利用土建结构敷设上网电缆，避免上网电缆通过分段绝缘器的绝缘棒，从而有效提高分段绝缘器电阻。3）目前，出段线和入段线接触网通常在同一组门型架内悬挂安装，两线间采用绝缘子来实现电气隔离，往往会造成电阻分压而形成残压。因此，在设计阶段尽可能将出入段线分开悬挂，减少分区之间绝缘子数量，可以有效地增大分区间的绝缘电阻值，从而降低接触网通过电阻分压形成的残压。4）出段线和入段线的上网电缆避免在同一组门型支架上敷设，可采用过轨埋管方式敷设对侧上网电缆。5)配置可视化接地管理系统，以便消除手动挂接地线打火时检修人员的恐惧心理。

3.3改良悬挂结构刚度和系统弹性

根据国际相关学者的研究结果可知，如果能在使刚性接触网悬挂结构的刚度降低的同时强化系统弹性，如使用弹性螺杆代替悬挂螺杆，使用弹性绝缘子与弹性定位线夹，则对地铁刚性接触网弓网关系的优化而言能发挥极好的效果。经实践证明，这些先进器件能有效提高接触网系统悬挂的弹性，一方面，使刚性悬挂受电弓得匹配性得以提升；另一方面，也能使授流得到改善。现如今，弹性绝缘子与弹性定位线在实际施工中应用的最多，其原理简单来讲，就是基于结构对高弹性特征，使悬挂接触网的刚度尽量减小，进一步减弱受电弓对接触网可能造成的冲击，最大程度上增强弓网授流的平稳性，最终实现尽量避免接触网电气异常磨损与优化弓网动态受流性能的目的。我国广东省佛山市以及杭州等地铁线路，均在刚性接触网施工中使用了弹性绝缘子与弹性定位线，以通过降低刚度、强化弹性优化接触网弓网关系，进而降低运维的难度和压力。除此之外，弹性悬挂绝缘子与弹性定位线夹还可以组合使用，即技术人员需在弹性绝缘悬挂组件上安装汇流排，同时，依靠刚性接触线与汇流排本身的重量，使悬挂组件的弹性元件形状变化，实现力量上的相互平衡。

结束语

在直流牵引供电系统中，供电线路故障后迅速且精确地测算故障点的位置，对及时进行线路修复和保证安全可靠供电至关重要。双端故障点测距方法，根据故障发生时故障点两端的两个牵引变电所直流馈线保护装置采集的电气量，利用经过推算得到的故障点测距公式计算出故障点的位置。所提出的双端故障点测距方法消除了过渡电阻和对侧系统对计算结果的影响，可实现故障点的精确定位，为地铁直流牵引供电系统提供了一种行之有效的故障点测距方法。

参考文献

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