楊豐萍，楊 揚(yáng)，龔 正

（華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西南昌330013）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通日趨緊張，而城市軌道交通，尤其是地鐵作為一種大運(yùn)量、高密度的交通工具迅速發(fā)展，并被越來越廣泛地應(yīng)用。為保證地鐵牽引供電系統(tǒng)安全、可靠地向列車供電，直流牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)裝置發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。我國直流牽引供電系統(tǒng)的研制與開發(fā)起步較晚，直流饋線保護(hù)裝置大都采用進(jìn)口設(shè)備，價(jià)格昂貴且維護(hù)困難，但隨著我國在這方面需求的日益增大，發(fā)展生產(chǎn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的直流牽引供電保護(hù)系統(tǒng)，對我國今后城市軌道的發(fā)展具有重要意義。

1 地鐵牽引供電系統(tǒng)

地鐵供電系統(tǒng)是整個地鐵的重要組成部分，主要分為電源系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)和動力照明系統(tǒng)三部分[1]。城市軌道交通的牽引變電所一般采用2臺整流變壓器和4臺整流器構(gòu)成整流機(jī)組，將外部電源接入10 kV交流電轉(zhuǎn)換成750 V或1 500 V的直流電，經(jīng)過直流饋線，向接觸網(wǎng)或第三軌供電，地鐵車輛就是通過接觸網(wǎng)或第三軌獲得電能。

圖1 DC1500V三軌地鐵牽引供電系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of DC1500V triple rail metro traction power supply system

地鐵牽引供電系統(tǒng)采用直流供電制式，相對于交流供電而言，直流供電具有調(diào)速范圍廣、易于控制、牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單、電壓質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)[2]。近年各個國家與地區(qū)修建的地鐵多采用DC 750 V第三軌供電和DC1500V接觸網(wǎng)供電以及正在興起的DC1500V三軌供電制式。對于新興采用DC1500V三軌供電方式的牽引供電系統(tǒng)（如圖1），由于其自身結(jié)構(gòu)的差異，導(dǎo)致其故障形式與接觸網(wǎng)式供電有所不同。因此對采用此種方式供電的系統(tǒng)進(jìn)行直流短路故障分析以及保護(hù)配置的研究是十分必要的。文獻(xiàn)[3]僅介紹了DC1500V三軌供電的基本原理，文獻(xiàn)[4]僅介紹了di/dt及電流增量保護(hù)的基本原理和整定方法，未建立具體的模型討論參數(shù)設(shè)置。本文選取某一實(shí)際運(yùn)行的DC1500V三軌地鐵線路的一個區(qū)間配置di/dt及電流增量保護(hù)（主保護(hù)）的詳細(xì)方案，并對其啟動過程和短路故障仿真分析，得出保護(hù)的整定值，通過區(qū)分啟動電流與故障電流來對整定值設(shè)置的正確性和合理性加以驗(yàn)證。

2 di/dt及電流增量保護(hù)（DDL保護(hù)）

國外在城市軌道交通發(fā)展初期主要通過電流速斷保護(hù)和過電流保護(hù)來切斷短路故障[5]，效果并不理想。隨著電力電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用微機(jī)控制的保護(hù)裝置大大提高了直流牽引供電系統(tǒng)保護(hù)裝置的可靠性和準(zhǔn)確率。以di/dt及電流增量保護(hù)為例，詳細(xì)分析其控制原理，闡述其如何區(qū)別DC1500V三軌供電系統(tǒng)中短路電流和列車啟動電流以及一些負(fù)載小電流，用于線路中的短路故障保護(hù)。

di/dt及電流增量保護(hù)由瞬時跳閘和延時跳閘兩部分組成，瞬時跳閘響應(yīng)線路近端短路故障，能夠迅速發(fā)現(xiàn)并切除故障。延時跳閘通過延時時間T可以把短路電流和啟動電流及負(fù)載小電流區(qū)分開來，用于線路中、遠(yuǎn)端保護(hù)。保護(hù)特性如下：

當(dāng)初始電流上升率很大時，滿足di/dt＞E（電流上升率啟動值），一旦電流增量ΔI也達(dá)到啟動電流EΔI（電流增量啟動值），則通過瞬時跳閘切除短路故障；當(dāng)初始電流上升率較小時，滿足F＜di/dt＜E（F為電流上升率返回值），為了區(qū)分短路小電流和負(fù)載電流，電流上升率將會被保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)視一段時間，一旦到延時時間T則將電流增量ΔI與電流增量返回值FΔI相比較，若ΔI＞EΔI，將通過延時跳閘切除故障。

1）根據(jù)以上分析，可以得到瞬時跳閘和延時跳閘保護(hù)動作方程：

瞬時跳閘動作方程

式中：di/dt為電流上升率；E為瞬時跳閘電流上升率啟動值；ΔI為從di/dt＞E時刻開始的電流增量，即初始電流增量；EΔI為瞬時跳閘電流增量啟動值。

延時跳閘動作方程

式中：F為延時跳閘電流上升率返回值；FΔI為延時跳閘電流增量返回值；T為延時跳閘整定時間；ΔI為延時時間到達(dá)整定時間T時的電流增量。

2）考慮到在列車正常運(yùn)行狀態(tài)下保護(hù)不應(yīng)該誤動作，以及當(dāng)短路發(fā)生時故障線路應(yīng)被立即切除，di/dt及電流增量保護(hù)的整定原則如下：

di/dt及電流增量保護(hù)算法流程框圖如圖2所示。

瞬時跳閘電流上升率啟動值E的數(shù)值應(yīng)大于啟動電流的最大電流上升率；延時跳閘電流上升率返回值F的數(shù)值應(yīng)該小于遠(yuǎn)端短路電流的初始電流上升率。

圖2 di/dt及電流增量保護(hù)算法流程框圖Fig.2 Flow diagram of di/dt and current increment protection algorithm

2）瞬時跳閘電流增量啟動值EΔI應(yīng)大于啟動電流和列車通過接觸網(wǎng)分段時沖擊電流的最大值；延時跳閘電流增量返回值FΔI的數(shù)值應(yīng)小于遠(yuǎn)端短路電流的電流增量。

3）考慮到列車通過接觸網(wǎng)分段時列車內(nèi)的濾波器有一個充電過程，所以延時跳閘時間T應(yīng)保證大于半個列車諧振周期及誤差值。

3 DC1500V三軌系統(tǒng)的仿真分析與保護(hù)整定

在DC1500V三軌供電系統(tǒng)中，為防止保護(hù)裝置誤動作，必須正確區(qū)分機(jī)車的啟動電流和遠(yuǎn)端短路故障電流。短路電流是對地鐵牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行直流饋線保護(hù)配置的前提和重要依據(jù)，本文以等效24脈波整流機(jī)組為基礎(chǔ)建立直響應(yīng)流牽引變電所的仿真模型進(jìn)行故障仿真分析。采用Matlab/Simulink軟件建立模型得到DC1500V三軌供電系統(tǒng)各種工況下饋線電流、電壓變化波形。仿真時牽引網(wǎng)電阻率取0.213 Ω·km-1，走行軌兼作回流網(wǎng)，電阻率一般取為0.013 Ω·km-1。饋線長度一般為2～4 km，仿真分析取為3 m。根據(jù)列車啟動時與電源距離的不同，以及短路點(diǎn)位置的不同，可以分為近（0～1 km）、中（1～2 km）、遠(yuǎn)（2～3 km）端啟動和近、中、遠(yuǎn)端短路。由于篇幅關(guān)系，本文僅給出遠(yuǎn)端啟動和遠(yuǎn)端短路的仿真波形。

地鐵整流器為無相控整流，即觸發(fā)延遲角α=0。在不考慮換相電抗的情況下，平均直流輸出電壓為

式中：Ud0為平均直流輸出電壓；U為輸出電壓有效值；ω為角速度。遠(yuǎn)方短路電流：

式中：R為系統(tǒng)等效電阻之和；Rs為牽引變電站等效電阻；Rt為第三軌等效電阻；Rr為走行軌等效電阻；Ls為牽引變電站等效電感；Lt為第三軌等效電感；Lr為走行軌等效電感。

3.1 列車啟動仿真

列車距電源2.5 km啟動，線路電流波形、電機(jī)端電壓波形如圖3所示。列車啟動大約耗時0.1 s，電動機(jī)兩端電壓在啟動時有非常明顯的下降，0.01 s時出現(xiàn)極小值856.7 V，較穩(wěn)態(tài)電壓小約470 V，電壓下降率高達(dá)35.3%，因此在啟動時必須考慮到繼電保護(hù)裝置中低電壓保護(hù)可能誤動作；啟動電流在0.011 s時出現(xiàn)極大值957.5 A，0.053 5 s時出現(xiàn)極小值216 A，而穩(wěn)態(tài)值約為240 A，極大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)值，在做繼電保護(hù)整定仍應(yīng)考慮啟動時出現(xiàn)的過電流情況，以避免繼電保護(hù)裝置誤動作。

3.2 系統(tǒng)短路仿真

DC1 500 V三軌供電系統(tǒng)發(fā)生短路，可認(rèn)為是第三軌與走行軌間絕緣損壞。系統(tǒng)啟動完成后，當(dāng)短路點(diǎn)距電源2.5 km時，系統(tǒng)短路電流波形、電源端電壓波形如圖4所示。列車啟動0.3 s后發(fā)生短路故障，電源端電壓立即減小，隨后穩(wěn)定在1 370 V左右，電流在短路后迅速增大，穩(wěn)態(tài)短路電流為2 400 A左右，為正常運(yùn)行時穩(wěn)態(tài)電流的十倍左右，且短路電流持續(xù)的時間相對較長。故繼電保護(hù)裝置中的電流上升率及電流增量保護(hù)可以發(fā)現(xiàn)短路情況，并延時切除故障線路段。

圖3 列車啟動線路電流、電壓波形圖Fig.3 Graph of the trains start circuit current and voltage waveform

3.3 保護(hù)整定

對近、中端啟動和短路做類似仿真分析可以得到列車在近、中、遠(yuǎn)三處啟動的主要電氣數(shù)據(jù)列于表1；近、中、遠(yuǎn)三處短路時的主要電氣數(shù)據(jù)列于表2?？梢园l(fā)現(xiàn)，短路發(fā)生的瞬間，電流上升率很高，并且存在一個故障暫態(tài)沖擊尖峰，該尖峰幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過穩(wěn)態(tài)短路電流值，其特性取決于牽引變電站交直流阻抗的特性。隨著故障點(diǎn)與電源點(diǎn)距離的增大，電流上升率及幅值均有所下降。列車啟動時的最大電流增量ΔI=1 259 A，最大電流變化率 di/dt=100.72m·s-1；系統(tǒng)短路時的最大電流增量ΔI=9 658 A，最大短路電流變化率di/dt=2 414.5 m·s-1。最小電流增量ΔI=2 148 A，最小短路電流變化率di/dt=1 074 m·s-1。

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)以及di/dt與電流增量保護(hù)的動作方程和整定原則，可以計(jì)算出該保護(hù)的各項(xiàng)參數(shù)，見表3。由此完成di/dt及電流增量保護(hù)的配置方案，為下一步微機(jī)保護(hù)硬件設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

圖4 系統(tǒng)短路電流電壓波形圖Fig.4 Graph of system short-circuit current and voltage waveform

表1 近中遠(yuǎn)處啟動時電氣數(shù)據(jù)表Tab.3 Start electrical data of near，medium or far distance

表2 近中遠(yuǎn)處短路時電氣數(shù)據(jù)表Tab.2 Short-circuit electrical data of near，medium or far distance

表3 DDL參數(shù)表Tab.3 The DDLparameters

4 結(jié)束語

利用MATLAB/Simulink仿真軟件，建立DC1500V三軌地鐵供電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，得到直流饋線的機(jī)車啟動電流和第三軌短路電流。通過分析這兩種電流的電氣量特征，并對饋線主保護(hù)之一的DDL保護(hù)的整定原則詳細(xì)討論，得出整定值，從而解決現(xiàn)有保護(hù)算法難以區(qū)分這兩種電流的難題。由于本文采用的模型均是工程上的簡化模型，在工程實(shí)踐中應(yīng)進(jìn)一步提高計(jì)算精度。

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