發布時間：2022-01-06所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：分析了地鐵直流供電系統的故障類型，基于 MATLAB/Simulink建立了直流供電系統的短路故障仿真模型，得到了不同短路情況下的電流仿真波形，通過仿真結果，分析了地鐵直流線路短路故障電流的特點。根據直流保護需要考慮的因素，提出了地鐵直流供電系統短路故障的保
摘 要：分析了地鐵直流供電系統的故障類型，基于 MATLAB/Simulink建立了直流供電系統的短路故障仿真模型，得到了不同短路情況下的電流仿真波形，通過仿真結果，分析了地鐵直流線路短路故障電流的特點。根據直流保護需要考慮的因素，提出了地鐵直流供電系統短路故障的保護策略和原則。
關鍵詞：地鐵;直流供電系統;短路故障;仿真分析;保護策略
0 引言
地鐵供電系統的短路電流和故障分析能夠為設備選型和供電系統的設計提供重要參考。短路故障發生后，直流供電系統中的電流急劇增大，準確掌握短路電流的變化過程有助于確定地鐵供電系統的保護策略。短路故障發生在供電網的不同位置，短路電流也會有差異。此時需要針對短路電流的特點，完成短路保護動作，切除發生故障的線路或設備。
分析短路電流波形是確定直流供電系統短路保護策略的前提。地鐵直流供電系統保護設計必須考慮周全，才能避免設備因短路故障而損毀。為了了解地鐵直流供電系統的短路特性，必須對地鐵進行短路故障分析，以獲得參考數據。直接在地鐵供電系統中進行短路實驗，將對線路和設備產生損害;完全根據理論計算得到數據又無法完整體現系統的短路故障信息，計算得到的結果無法用于實際系統。利用計算機進行仿真實驗能夠全面反映各種因素對供電系統的影響，數據清楚，能夠很好地用于分析地鐵供電系統的短路特性，且可以避免對設備的損壞。
1 地鐵直流供電系統短路仿真
本文采用 MATLAB/Simulink中的 SimPowerSystems模塊進行地鐵直流供電系統短路故障的仿真，Simulink仿真模塊中的SimpowerSystem 模塊是電力系統的專用模塊。隨著軟件的不斷完善，應用 SimpowerSystem 模塊進行仿真已經能夠準確全面地反映實際系統的短路故障信息。本文采用基于 MATLAB/Simulink的24脈波整流機組模型，地鐵直流供電系統短路故障仿真模型如圖1所示。
本文以重慶10號線中的 T2航站樓至 T3航站樓間的地鐵線路作為研究對象，阻抗值全部采用該段地鐵線路的實際測得數據。
仿真模型中 T2和 T3為兩個相鄰變電站，Rd 為短路點接觸阻抗，值為0.0006Ω;Rg 為供電線單位電阻，值為0.029Ω/km;Lg 為供電線單位電感，值為2.71mH/km;Rz 為走行軌單位直流電阻，值為0.0101Ω/km;Lz為走行軌單位電感，值為0.171mH/km。短路點距牽引變電所不同距離時的線路參數見表1。
仿真模擬供電網在不同地點發生短路故障，可得直流供電系統的短路電流仿真波形。圖2(a)～(e)分別為短路點距 T3變電所0、0.6、1.2、2.4、3.6km 時的各個電流仿真波形，其中Iz 表示總電流，If1表示 T3變電所饋線電流，If2表示 T2變電所饋線電流。
通過分析對比不同位置短路故障點的短路電流波形可知以下情況。
(1)當短路故障 發 生 在 變 電 所 的 近 端 時， 由 于 變 電所中設備的等效電感電阻對直流供電側產生影響，電流具有較大 的 沖 擊; 而 當 短 路 故 障 發 生 在 變 電 所 的 遠 端時，隨著直流供電系統阻抗的增大，短路電流不再出現沖擊，且短路電流的穩態值減小，其原因是地鐵直流供電系統的電氣參數會隨著短路點與變電站距離的增大而改變。
(2)短路點距離變電站越近，短路電流值越大，并且電流的上升速度越快，在變電所的供電輸出點發生短路，短路電流的沖擊最大，且電流穩定后的值也最大。短路點距離變電所越遠，短路電流增長速度和最終穩定值都隨之減小，其原因是輸電線路對于短路電流有類似于電感的作用，阻礙電流的快速變化，使電流的增大變得緩慢，短路電流穩態值到達峰值的時間變長。
2 地鐵直流供電系統的短路保護策略
地鐵系統在運行過程中，可能出現各種故障，其中最為典型的是短路故障。地鐵直流供電系統的短路保護裝置對保證地鐵安全穩定運行具有至關重要的作用，當地鐵直流供電系統出現短路故障時，短路保護裝置可以準確快速清除短路故障，從而保證供電設備、軌道車輛及乘客生命的安全。本節介紹了地鐵直流供電系統的短路保護技術，提出了地鐵直流供電系統的短路保護策略。
2.1 地鐵直流供電系統的短路保護技術
地鐵直流供電系統的短路保護技術按照保護對象可分為饋線保護技術和車輛保護技術。
饋線保護技術中又分為主保護和后備保護方法，主保護通常配置有大電流脫扣保護、電流變化率及增量保護即DDL保護 (包括 di/dt+ΔI 保護、di/dt+ΔT 保護)等，后備保護通常配置有定時限過流保護、低電壓保護、熱保護和雙邊聯跳保護等。
車輛保護則包括高速斷路器保護和主熔斷器保護。高速斷路器安裝在進線電抗器前側，用來接通與分斷車輛和接觸網的高壓連接，它是車輛電源的總開關和地鐵車輛的總保護。主熔斷器是一種過載或短路電流導致自身熔斷的保護電器。
2.2 地鐵直流供電系統的短路保護策略
(1)接觸網發生短路故障時，直流饋線保護應快速動作，來保護牽引網、地鐵車輛和乘客的生命安全。一般情況下，接觸網在近端短路故障下，大電流脫扣保 護 應 動作;而接觸網發生遠端短路時，DDL保護應動作。正常情況下，大電流脫扣保護和 DDL 保護保證饋線的短路故障全部被清除。
(2)地鐵車輛發生短路故障時，車輛保護動作應與饋線保護動作相互配合，且車輛保護相對于饋線保護是獨立的，可以優先速斷。具體動作策略是：車輛短路故 障發生時，地 鐵 車 輛 應 首 先 進 行 自 救，即 無 論 身 處 何 地，車輛上的保護裝置 (高 速 斷 路 器、主 熔 斷 器) 此 時 必 須動作，而變電所的直 流 斷 路 器 不 應 動 作，需 要 繼 續 保 證對非故障車輛的供 電，減 小 對 地 鐵 系 統 的 整 體 影 響，保證乘客的出行。
(3)短路故障發生時，車輛位于變電所近端，且故障發生在車輛進線電抗器前，這種情況下，系統阻抗和電流慣性都很小，電流上升速度非常快，此時高速斷路器可能無法快速動作切斷短路電流。為了應對這種情況，車輛供電回路中必須接入主熔斷器，保證短路發生時，主熔斷器的熔斷絲因迅速生熱而熔斷，及時切斷短路電流，保護車輛安全。
(4)車輛短路故障時，為了保證車輛保護較饋線保護更快動作，從而減小停電影響，必須選擇合理的地鐵車輛高速斷路器、主熔斷器。為了更可靠地保護車輛，饋線保護應延伸至車上，以防短路發生時車輛保護裝置不動作而損壞車輛，保護的配合示意如圖3所示。
3 結語
為了了解地鐵的短路電流特性，本文對地鐵直流供電系統進行了短路仿真，這些短路電流仿真波形可作為短路保護策略中的數據依據，比如測定電流變化率及增量保護即 DDL保護的 di/dt等的整定值時，可參考以上電流波形。地鐵直流供電系統的短路保護需要饋線保護與車輛保護相匹配，相互配合，相互補充，這樣才能保證整個地鐵系統的安全，同時把短路故障的影響降到最低。——論文作者：陳學文
參考文獻
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