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摘要：短路故障是电气化铁路最常见、对电力机车运行影响最大的一类故障类型。电气化铁路牵引供电系统的短路试验是模拟其短路故障的一类现场试验项目，其目的不仅为了验证继电保护的及时性、可靠性，同时通过短路试验结果对继电保护的整定计算提供有用数据用于整定保护的修正。本文结合电气化铁路牵引供电系统的特点分析了分析研究短路试验的试验方案，得出主要结论如下：短路点宜选取供电臂远端；对于直接供电方式接触网建议选择将接触网直接用导线接地的短路方式，对于AT供电方式的接触网须采用线路T接试验断路器的短路方式；短路试验次数以不同地点三次为宜，确有困难时不应少于两次。
关键词：电气化铁路， 短路故障，短路试验，阻抗保护，电抗
Abstract: short circuit fault is the most common of electrified railway, electric locomotive running the biggest impact on a fault type. Electrified railway traction power supply system short circuit test is the fault of the simulation field test project, its purpose is not only to verify the relay timeliness, reliability, and at the same time through the short-circuit test results to relay protection setting calculation provide useful data for setting of fixed protection. Combining with the electrified railway traction power supply system, the paper studies the analysis of the characteristics of the test scheme short-circuit test, and concludes that the main conclusions are as follows: short-circuit point appropriate selection power supply arm far end; For direct power supply catenary suggestion choice will way directly overhead contact with the ground wires short-circuit way, for AT the way the power supply catenary line shall be used by test of short circuit breaker T way; Short circuit testing time in different place three advisable, has difficulties should not be less than two times.
Keywords: electrified railway, short circuit fault, short-circuit test, impedance protection, the circuit reactance
中图分类号：F407.6文献标识码：A 文章编号：
1短路试验意义
对于运行的电气化铁路而言，接触网短路故障主要是指短路接地故障和分相器击穿后发生的相间短路故障，是牵引供电系统最常见的一类故障形式。由于电气化铁路接触网设置在露天，很容易由于外物侵线、绝缘破坏等原因引起短路故障。由于短路故障时产生的短路电流较工作电流都要大出许多，远远超过了各类开关设备、牵引变压器和接触网的正常载流能力，如不能及时切除短路故障，短路电流会烧损供电设备，甚至可能解列电网，给工农业生产带来巨大损失[1]。因此电气化铁路牵引供电系统均设置了应对于接触网短路故障的继电保护装置，以便快速可靠地切除故障、保护牵引供电设备免收大电流破坏，同时根据继电保护装置动作结果反映故障点位置以便指导检修人员及时查找并排除故障，尽快恢复供电能力保障电力机车的正常运行。
电气化铁路的短路试验是指对其牵引供电系统的接触网实施人为短路故障、模拟接触网正常运行发生短路故障状态的一类重要的现场试验项目。短路试验的目的和意义主要是为了验证牵引供电系统在发生短路情况下继电保护动作的及时性、可靠性，同时利用短路试验结果对已设置的继电保护整定值进行调整，从而进一步提高其准确性，为运行维护提供可靠依据。
供电臂短路试验是对牵引变电所验收交接的最后一项措施，也是关键性程序，通过它能综合地反映施工接线、设备质量以及变电所主要设备保护之间的配合情况，意义十分重要[2]。
2短路试验方案研究
电气化铁路牵引供电系统短路试验如何实施、如何利用短路试验结果对继电保护进行校验和校正，下面从三个方面进行分析研究。
2.1短路点的选取
短路试验是人为的制造接触网短路现象从而形成短路电流，和正常负荷电流相比较，短路电流值要大很多。为避免短路电流对变电设备及接触网的冲击伤害，应尽可能使试验短路电流小为宜。短路点越靠近电源点（牵引变电所出口处）时，短路电流越大[3]，而供电臂末端短路电流相对要小一些。因此短路点宜选在供电臂末端附近（靠近分区所处）。
另外，对于电气化铁路一个方向的供电臂而言有上、下行两条线路，短路试验是否需要区分上、下行分别设置短路点进行试验呢？下面从供电臂的接线方式来分析。
对于直接供电方式的接触网，一个方向供电臂的接线方式如下图（一）所示。
图（一 ）直接供电方式供电臂供电示意图
从图一可以看出，由于上行和下行接触网是对称的，在上行短路点或者下行短路点实施短路接地时对于牵引变电所的故障特征基本是一致的，只是有別于上行或下行馈线跳闸的问题。因此短路点选择上行或下行没有本质区别，可以根据实施困难程度任意选取。
对于AT供电方式的接触网，一个供电臂的接线方式如下图（二）所示。
图（二）AT供电方式供电臂供电示意图
从图（二）可以看出，AT供电方式的上行和下行接触网也基本是对称的，而且由于中间AT所的并联作用，使得在上行短路点或者下行短路点实施短路接地时牵引变电所的上行和下行馈线均会同时跳闸，故障特征完全一致。因此短路点选择上行或下行没有区别，可以根据实施困难程度任意选取。
综上所述，短路点宜选在供电臂末端靠近分区所处以降低短路电流对设备和接触网的冲击伤害；对于选择接触网上行或下行进行短路试验无明显差别，可根据实施难易程度灵活选取。
2.2短路方式的选择
短路方式是指短路试验时对接触网形成人为接地短路的方式，目前短路试验的接地短路方式有两种。
第一种短路方式是牵引变电所馈线暂不供电，在短路点直接用导线连接接触网将其接地，短路试验时通过控制牵引变电所馈线断路器合闸形成短路。此种短路方式实施难度很小。
第二种短路方式是牵引变电所馈线正常供电，在接触网短路点T接一台断路器，断路器一端连接接触网、一端接地，短路试验时通过控制T接的断路器合闸形成短路。采用此方式需要准备一台移动的27.5kV真空断路器，并且需要为断路器配备操作电源，断路器的分、合闸控制按钮还需要引到一定距离之外进行异地控制，因此实施起来有一定的难度。但此方式完全模拟了接触网在正常运行时发生短路的实际情况，因此不管对直接供电方式还是AT供电方式的接触网都是适用的。
那对于实施难度小的第一种短路方式是否也是有很好的适用性呢？下面针对两种供电方式的接触网进行分析。
对于采用直接供电方式的接触网，可参照《图（一）直接供电方式供电臂供电示意图》进行分析。首先需要介绍对于直接供电方式的接触网在牵引变电所馈线和分区所设置的主要保护情况。牵引变电所馈线设置阻抗保护作为主保护，兼顾故障点测距功能[4]，故障测距采用线性电抗法；分区所馈线设置阻抗保护和失压保护。若采用短路方式一直接用导线将接触网接地形成短路条件、在控制牵引变电所馈线开关合闸形成短路的方式，此过程中接触网的一切电气特性均不会发生变化，也就是说和接触网在正常供电情况下发生短路特性是一致的。因此对于采用直接供电方式的接触网选取短路方式一是可行的。
对于采用AT供电方式的接触网，可参照《图（二）AT供电方式供电臂供电示意图》进行分析。AT供电方式的接触网是全并联供电方式，在AT所和分区所处均将接触网上、下行进行了并联。牵引变电所馈线设置阻抗保护作为主保护并兼顾基于线性电抗法的故障测距功能，还设置专门的基于吸上电流比法的故障点标定功能[5]，线性电抗法应用于AT解裂后的直接供电方式；AT所、分区所馈线设置失压保护。若采用短路方式一直接用导线将接触网接地形成短路条件、在控制牵引变电所馈线开关合闸形成短路的方式，供电臂内AT所和分区所馈线均会由于其失压保护的原因无法投入，因此也就不能形成AT供电方式。此时对于牵引变电所馈线的阻抗保护是有效的，利用线性电抗法测距也可以实现；但对于需要在AT供电方式下的吸上电流比法测距则无法实现。而对于AT供电方式而言，吸上电流比法测距准确度更高，是其主要的测距方法，因此采用第一种短路方式将接触网直接接地是不可取的，必须采用第二种短路方式即采用T接断路器。
根据上面分析，对于采用直接供电方式的接触网，采用两种短路方式都是可行的，为减小实施难度建议采用第一种短路方式，将接触网用导线直接接地、通过控制牵引变电所馈线断路器合闸形成短路。对于采用AT供电方式的接触网，必须采用第二种短路方式，在接触网短路点T接一台断路器、通过控制该断路器合闸形成短路，才能达到短路试验的目的。
2.3短路试验次数选取
由于短路试验时产生的短路电流较工作电流都要大出许多，远远超过了各类开关设备、牵引变压器和接触网的正常载流能力，会对上述设备产生一定的冲击伤害，因此短路试验次数应选取满足试验目的的最小次数为宜。
短路试验不仅是为了验证牵引供电系统在发生短路情况下继电保护动作的可靠性，另外还要利用短路试验结果对继电保护整定值进行校正，使其能更准确标示短路故障点的距离。对于电气化铁路接触网的短路故障主要是靠牵引变电所馈线设置的阻抗保护作为主保护。阻抗保护反映故障点的距离采用线性电抗法原理，即线路电抗值是随着线路长度线性变化的，因此只要测量短路故障时的电抗值XZ就可以准备确定出故障点的位置[3]。
线路电抗XX计算方式如下式（1）。
XX= X0×L；[3,6]（1）
式中X0——线路单位电抗；
L——线路长度。
实际应用中，由于牵引供电系统供电线部分和接触网部分线路单位电抗有差异，需要分别计算，线路电抗XX的计算演变后如下式（2）。
XX= X01×L1＋X02×L2；（2）
式中X01——供电线单位电抗；
X02——接触网单位电抗；
L1——供电线长度；
L2——接触网长度。
对于式（2）分析后可见，由于供电线长度L1和接触网长度L2是已知确定条件，影响线路阻抗值XD的因素就只有供电线和接触网的单位电抗X01、X02了。目前对于供电线和接触网的单位阻抗均是根据其材质、截面等因素由材料厂家提供参考值用于计算，存在一定的误差。因此需要利用短路试验结果校正供电线和接触网单位电抗X01、X02以利于阻抗保护更准确测距。
对于一次短路试验结果能反映短路点的电抗XD，其值由下式（3）组成。
XD= X01×L1＋X02×LD；（3）
式中LD——接触网短路点长度。
由于式（3）L1和 LD为已知参数，但含有两个未知数X01和X02，因此无法反算出供电线和接触网单位电抗X01、X02。
下面按照下图（三）所示方案在不同短路点进行两次短路试验，可得到两组短路试验结果的短路点电抗值XD1和XD2。
图（三）两次短路试验方案示意图
两次短路试验短路点电抗值XD1和XD2组成分别如下式（4）和式（5）
XD1= X01×L1＋X02×LD1；（4）
XD2= X01×L1＋X02×LD2；（5）
式中LD1——第一次短路试验接触网短路点长度；
LD2——第二次短路试验接触网短路点长度。
由式（4）和式（5）组成方程组，可以首先计算得到接触网单位电抗X02如下式（6）。
X02＝（XD1－XD2）/（LD1－LD2）。（6）
根据式（6）计算结果带入式（4）和式（5），可以计算得到两组供电线单位电抗值，我们可以取其平均值作为最终的供电线单位电抗X01。
根据上述计算出的供电线和接触网单位电抗X01、X02是通过短路试验测试出的参数，跟工程实际更为吻合。然后可利用此数据修正整定计算中采用的接触网单位电抗值，从而使其故障测距更为准确。
同时，基于线性电抗法测距装置也需要输入对应不同单位电抗值时的对应距离，才能有效、准确反映短路故障时的距离[6]。利于上述两次试验后计算结果，可以明确区分供电线和接触网两种线路形态单位电抗和对应距离，满足测距装置输入要求。
在结合上述两次试验数据结果对继电保护整定计算相关参数的修正的情况下，建议在另一短路点完成第三次短路试验，不仅可以验证故障测距准确性是否提高，还可利用第三次试验结果与前面两次试验的任一次结果组合计算得出另一组供电线和接触网单位电抗，与前面两次试验得到的供电线和接触网单位电抗比较检验单位电抗的正确性。
由上述分析可见，短路试验的次数为不同短路点进行三次短路试验为宜，确有特殊条件限制时最少为两次，方可为牵引供电系统继电保护的整定计算提供参考校正依据。
3.结论
短路方案中短路点宜选在短路电流相对较小的供电臂末端靠近分区所处；对于选择接触网上行或下行进行短路试验无明显差别，可根据实施难易程度灵活选取。
对于采用直接供电方式的接触网，采用将接触网用导线直接接地或T接断路器接地两种短路方式都是可行的，为减小实施难度建议采用将接触网用导线直接接地方式。对于采用AT供电方式的接触网，必须采用接触网T接断路器的短路方式才能使试验过程满足AT供电特性、达到短路试验的目的。
短路試验次数按照在不同短路点进行三次试验为宜，如有特殊条件限制最少为两次，否则其结果的参考意义有限。
参考文献：
[1]《接触网短路故障可靠切除的探讨》陈南《电气化铁道》1995年第01期；
[2]《牵引变电所馈线供电臂短路试验在交接收中的作用》查天文《西铁科技》2003年第1期。
[3]《牵引变电所》何其光陈蓉平中国铁道出版社；
[4]《电力牵引供变电技术》贺威俊高仕斌张淑琴王勋《西南交通大学出版社》；
[5]《电气化铁道施工手册——牵引变电所》铁道部电气化工程局第一工程处中国铁道出版社；
[3]《牵引变电所》何其光陈蓉平中国铁道出版社；
[3]《牵引变电所》何其光陈蓉平中国铁道出版社；
[6]《DK3520A电铁馈线保护测控装置技术说明书》P34天津凯发电气股份有限公司；
[6]《DK3520A电铁馈线保护测控装置技术说明书》P36天津凯发电气股份有限公司。
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