DC 1.5 kV地鐵牽引供電系統(tǒng)饋線保護研究

崔天翔

?

DC 1.5 kV地鐵牽引供電系統(tǒng)饋線保護研究

崔天翔

分析了1.5 kV直流牽引供電系統(tǒng)DDL饋線保護的整定計算方法，對某一實際運行的地鐵區(qū)間建立了數(shù)學模型，通過仿真分析了不同地點列車啟動電流和故障電流的特點，并完成了對DDL保護的配置，為直流牽引供電系統(tǒng)的保護設計提供參考。

牽引供電；饋線保護；仿真；整定計算

0 引言

城市軌道交通供電系統(tǒng)主要由外部電源、主變電所、牽引供電系統(tǒng)、電力監(jiān)測系統(tǒng)等組成。

為了保證城市軌道交通安全、可靠運行，對牽引供電系統(tǒng)的可靠保護尤為重要。由于直流牽引供電系統(tǒng)本身固有的性質，當直流饋線發(fā)生短路故障時，回路電阻和電感參數(shù)的大小對短路電流的影響較大。短路發(fā)生在饋線出口附近時，短路電流增加的速率大，短路電流的穩(wěn)態(tài)值也越大；短路發(fā)生在饋線中、末端時，由于線路電感和電阻的作用，短路電流變化相對緩慢[1]。電流速斷保護和過電流保護裝置能夠迅速發(fā)現(xiàn)并切除饋線近端故障，而對于饋線末端故障，這2種保護裝置則不能滿足靈敏性和可靠性要求[2]。

本文詳細分析了直流牽引供電系統(tǒng)DDL饋線保護的整定計算方法，對某一實際運行的地鐵區(qū)間建立數(shù)學模型，通過仿真計算，對不同地點的列車啟動電流和短路電流的特性進行分析，并由此提出DDL保護的整定方案。通過對啟動電流與故障電流的分析，驗證整定值設置的正確性和合理性。

1 DDL保護工作原理

圖1為地鐵牽引供電系統(tǒng)原理圖。

在直流供電系統(tǒng)中，短路故障發(fā)生在饋線不同位置時，短路電流的特性差異較大，而DDL保護則由速斷保護和延時保護兩部分組成，可迅速發(fā)現(xiàn)并切除饋線出口處的短路故障和通過延時切除饋線中、末端的短路故障。

圖1 地鐵牽引供電系統(tǒng)原理圖

DDL保護可連續(xù)檢測直流饋線電流=()及其電流變化率d/d，并將d/d與斜率設定值（起始門限，即電流上升率啟動值）和（復位門限，即電流上升率返回值）進行比較，完成保護動作，其保護動作原理如下：

（1）當電流上升率滿足d/d＞，且故障電流增量Δ達到啟動電流ΔI時，速斷保護裝置動作，切除短路故障。

（2）當電流上升率滿足＜d/d＜，為保證DDL的選擇性和可靠性，對電流上升率的檢測將被延時一個時間，延時結束且電流增量Δ2與電流增量返回值ΔI滿足D2＞D時，則通過延時保護切除故障。

基于上述分析，可歸納得到速斷保護和延時保護的動作方程式。

速斷保護動作方程：

式中，d/d為電流上升率；為速斷保護電流上升率的起始門限；D1為d/d＞時刻電流增量；D為速斷保護的電流增量整定值。

延時保護動作方程：

式中，為延時保護電流上升率的復位門限；D為延時保護電流增量返回值；為延時保護的延時時間；D2為延時時限到達整定值時的電流增量。

DDL保護算法流程如圖2所示。

圖2 DDL保護算法流程圖

為了使DDL保護滿足繼電保護的“四性”要求，即在列車正常運行狀態(tài)下，保證保護裝置不出現(xiàn)誤動；在輸出饋線發(fā)生故障時，保證保護裝置可選擇性地及時切除故障線路，DDL保護配置應遵循以下整定原則：

（1）速斷保護的起始門限應避開正常啟動時的最大電流上升率；延時保護的復位門限應小于越區(qū)供電時饋線末端故障電流的初始電流上升率。

（2）速斷保護電流增量整定值應避開列車正常啟動和經過牽引網(wǎng)分段時的最大沖擊電流值；延時保護電流增量返回值應小于饋線末端故障電流的電流增量值。

（3）延時保護延時時間的整定，除需考慮相鄰區(qū)間之間保護的配合，還需考慮列車運行中因離線等原因引起車內濾波器充電的充電周期，需取兩者之間的較大值。

2 地鐵供電系統(tǒng)的仿真與保護整定

在地鐵牽引供電系統(tǒng)中，正確區(qū)分列車啟動電流與饋線末端故障電流是保證保護裝置可靠動作的關鍵。為此，建立了基于24脈波整流機組[3]的直流牽引供電系統(tǒng)數(shù)學模型。參考文獻[4]中的參數(shù)，取接觸軌單位電阻0.01W/km，牽引網(wǎng)電阻率 0.03W/km，工頻測量單位電感1.9 mH/km。直流牽引網(wǎng)饋線長度取3.5 km，采用Matlab/Simulink軟件建立模型得到DC 1.5 kV供電系統(tǒng)正常和故障狀態(tài)下，距離出口1、2、3 km處饋線電流、電壓的變化波形。

地鐵整流器平均直流輸出電壓為[5，6]

式中，d0為平均直流輸出電壓；為輸出電壓有效值；為角速度。

利用直流系統(tǒng)的短路分析方法進行RL回路的暫態(tài)響應分析，短路電流為

() = (/)(1-e-/) （4）

式中，=/為時間常數(shù)，、分別為系統(tǒng)等效電感和等效電阻。

2.1 列車啟動仿真

列車距饋線出口1、2、3 km處的饋線電流、電壓變化波形如圖3所示，主要電氣參數(shù)見表1。

a 距出口1 km

b 距出口2 km

c 距出口3 km

表1 列車啟動時的電氣參數(shù)表

從仿真計算結果可以看出，在啟動過程中，列車兩端的電壓下降明顯，啟動完成后，電壓達到穩(wěn)態(tài)值，且列車啟動點距離饋線出口越遠，電壓的下降率越高；啟動瞬間電流急劇上升，其變化率大小與線路阻抗有關，且遠遠大于穩(wěn)定值。所以，在微機保護參數(shù)配置中應嚴格遵守DDL保護的整定原則，以保證保護裝置可靠動作。

2.2 系統(tǒng)短路仿真

直流牽引供電系統(tǒng)中，通常設備、人為和自然等3個方面的因素可能會導致牽引網(wǎng)發(fā)生接地或與走行軌短接故障[7]。在列車正常運行時，故障發(fā)生點在距離饋線出口不同位置時，短路電流波形和電源端電壓波形如圖4所示，主要電氣參數(shù)見表2。

在閩東紅色文化、畬族文化中，所展現(xiàn)的革命烈士、英雄人物和愛國人士可歌可泣的光輝事跡、愛國主義情懷、集體主義精神以及高尚的道德情操，都是高校思想政治教育的寶貴資源。高校思想政治教育工作者可充分挖掘其育人功能，并融入大學生的愛國主義教育中，使之明白新中國是無數(shù)革命先烈拋頭顱灑熱血，用生命換來的，如今的幸福生活來之不易，在潛移默化中提升思想政治素質，增強愛黨愛國情懷，認識到自己肩負的歷史使命和社會責任。

短路故障發(fā)生后，短路電流迅速增大，特別是在距離饋線出口較近的地方，短路電流穩(wěn)態(tài)值達到列車正常運行時的幾十倍；即使在饋線末端，短路電流穩(wěn)態(tài)值也會達到正常穩(wěn)定電流的10倍左右，且會持續(xù)一段時間，所以通過監(jiān)測短路電流的變化率和增量，并依此對DDL保護進行配置，可以有效切除故障線路。

a 距出口1 km

b 距出口2 km

c 距出口3 km

表2 系統(tǒng)短路時電氣參數(shù)表

2.3 保護整定

從上述仿真結果可以看出，短路故障發(fā)生時，在很短時間內，故障電流的幅值和上升變化率都急劇增加，并且存在一個電流沖擊波峰，其變化波形與直流牽引供電系統(tǒng)的直流特性有關。通過對不同位置故障電流波形的比較可知，短路點距離饋線出口越近，電流上升變化率及電流增量越大，在饋線末端發(fā)生故障時，電流上升變化率及電流增量相對較小。

分析表1和表2可以看出，不論列車正常啟動，還是出現(xiàn)短路故障，最大電流增量和電流變化率均出現(xiàn)在饋線出口處。通過仿真計算，正常工況時最大電流上升率為128.3 A/ms；故障工況下的最大電流上升率為2 318 A/ms，最小電流變化率為 1 049 A/ms。

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)以及DDL保護的整定原則，可以計算出該保護的各項參數(shù)值，見表3。由此完成DDL保護的配置方案，為下一步微機保護硬件設計提供數(shù)據(jù)支持。

表3 DDL保護參數(shù)表

3 結語

DDL保護現(xiàn)已在北京、上海、南京等多個城市軌道交通中廣泛采用。本文首先分析了直流牽引供電系統(tǒng)DDL饋線保護的整定計算方法，然后在Matlab/Simulink中對某一實際運行的地鐵區(qū)間建立仿真模型，通過仿真計算，對不同地點列車啟動電流和短路電流的特性進行分析，并依此得到DDL保護的整定方案，為今后地鐵工程設計提供參考。

[1] 高云霞. 直流牽引供電系統(tǒng)繼電保護整定計算方法[J]. 電氣化鐵道，2011，（4）：40-42.

[2] 徐勁松, 高勁, 江平, 等. 淺析地鐵直流牽引變電所的保護原理[J]. 電氣化鐵道，2003，6（2）：13-15.

[3] Chivite-Zabalza, F. Javier,Forsyth, Andrew J.,Trainer, David R.A simple, passive 24-pulse AC-DC converter with inherent load balancing. IEEE Transactions on Power Electronics . 2006.

[4] 孫瑋. 城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)故障分析及若干問題的研究[D]. 北京：華北電力大學，2005.

[5] 肖濤谷. 地鐵直流供電系統(tǒng)模型及直流短路分析[D]. 華南理工大學，2012.

[5] 喻樂. 城市軌道交通供電系統(tǒng)建模與直流饋線保護的研究[D]. 北京：交通大學，2012.

[7] Kongwei, Qinlijun, Yangqixun, et al. DC side short circuit transient simulation of DC traction power supply system. International conference on power system technology, 2004.

On the basis of analyzing the calculation method for settings of DDL feeder protection for 1.5 kV DC traction power supply system, a mathematic model is established for a practical operating subway section, and configuration of DDL protection has been finished after simulation and analysis of characteristics of train starting current and fault current at different locations, these provide references for protection and design of DC traction power supply system.

Traction power supply system; feeder protection; simulation; calculation of settings

U231.8

B

1007-936X(2017)02-0055-04

崔天翔.中鐵西安勘察設計研究院有限責任公司，助理工程師，電話：15229883764。

2016-05-21