金雪豐　陳裕楠　童　翔

(中船重工第712研究所　武漢　430064)

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直流牽引供電系統(tǒng)短路試驗(yàn)分析

金雪豐陳裕楠童翔

(中船重工第712研究所武漢430064)

摘要直流牽引供電系統(tǒng)的短路試驗(yàn)是驗(yàn)證直流牽引供電系統(tǒng)各設(shè)備在系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)短路時(shí)動(dòng)作的正確性和可靠性的重要環(huán)節(jié)。以武漢軌道交通4號(hào)線二期工程現(xiàn)場(chǎng)直流牽引供電系統(tǒng)短路試驗(yàn)為例，介紹短路試驗(yàn)的前提條件、試驗(yàn)程序和試驗(yàn)方法。試驗(yàn)前，人為設(shè)定一個(gè)短路點(diǎn)，檢查斷路器等保護(hù)元器件是否正常，連接好數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以采集短路時(shí)的電流、電壓等波形，用Matlab軟件搭建短路時(shí)的電路模型，對(duì)預(yù)期短路電流進(jìn)行仿真計(jì)算；試驗(yàn)后，對(duì)短路試驗(yàn)的實(shí)際數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出開(kāi)關(guān)保護(hù)動(dòng)作正常可靠，并計(jì)算出實(shí)際的分?jǐn)嚯娏鞔笮?.15 kA，為直流牽引供電系統(tǒng)短路試驗(yàn)的進(jìn)一步研究提供參考。

關(guān)鍵詞牽引供電；短路試驗(yàn)；斷路器；綜合保護(hù)

1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

可靠、穩(wěn)定的直流牽引供電系統(tǒng)是城市軌道交通列車安全、高效運(yùn)行的重要保障，意義重大，不容忽視。因此，列車試運(yùn)行之前對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際短路試驗(yàn)顯得尤為重要。該試驗(yàn)的目的是測(cè)試牽引供電系統(tǒng)各設(shè)備在系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)短路時(shí)動(dòng)作的正確性、選擇性和可靠性，驗(yàn)證直流斷路器的快速分?jǐn)嗄芰?。通過(guò)該短路試驗(yàn)，檢查牽引供電系統(tǒng)各設(shè)備之間的配合能力是否安全可靠，檢驗(yàn)各設(shè)備的整定值、動(dòng)作時(shí)間等各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)是否正確，是否符合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行技術(shù)要求。通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，判斷綜合保護(hù)和斷路器誰(shuí)先啟動(dòng)保護(hù)，以便更精確地對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)各設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，更好地保護(hù)系統(tǒng)和設(shè)備，保證直 流 牽 引 供電系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

2試驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)要求

直流牽引供電系統(tǒng)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，直接短路脫扣整定值為8 kA，微機(jī)綜合保護(hù)裝置整定值設(shè)定為50 kA/s，交流側(cè)保護(hù)開(kāi)關(guān)與直流側(cè)保護(hù)開(kāi)關(guān)應(yīng)具有選擇性。

變電所內(nèi)參與直流牽引供電系統(tǒng)短路試驗(yàn)的設(shè)備和儀器包含了微機(jī)綜合保護(hù)裝置、SCADA(電力監(jiān)控)系統(tǒng)設(shè)備、整流變壓器、整流器、750 V直流開(kāi)關(guān)柜等。所有設(shè)備儀器和測(cè)量裝置必須是合格產(chǎn)品并有檢測(cè)合格證書(shū)，測(cè)量裝置的測(cè)量精度需滿足測(cè)試參數(shù)的要求。

進(jìn)行直流牽引供電系統(tǒng)短路試驗(yàn)的變電所和現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地需要采取完全隔離措施，嚴(yán)禁非試驗(yàn)人員和物資進(jìn)入，現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)物資及安保人員齊備，應(yīng)急預(yù)案及應(yīng)急聯(lián)動(dòng)小組現(xiàn)場(chǎng)待命。

3試驗(yàn)原理及方法

3.1試驗(yàn)原理

試驗(yàn)線路原理如圖1所示，在試驗(yàn)過(guò)程中，交流側(cè)設(shè)置了保護(hù)開(kāi)關(guān)，其保護(hù)與直流側(cè)保護(hù)具有選擇性，并且直流開(kāi)關(guān)柜需要設(shè)置緊急分閘按鈕。其等效的電路示意如圖2所示。

圖2　線路等效電路

在短路試驗(yàn)中，預(yù)期短路電流波形i對(duì)時(shí)間常數(shù)、限流系數(shù)、di/dt等短路試驗(yàn)的重要參數(shù)有著重要的指導(dǎo)作用和意義。由圖2可知，預(yù)期短路回路是一個(gè)一階RL回路，其預(yù)期短路電流應(yīng)滿足：

其中，U為系統(tǒng)電壓，τ為時(shí)間常數(shù)，R為等效電阻。

對(duì)i求導(dǎo)，則

因此，在短路試驗(yàn)之前，求出預(yù)期短路波形對(duì)后續(xù)的計(jì)算分析很有幫助。為了盡可能考慮到整流器、變壓器等元器件內(nèi)阻和電感對(duì)預(yù)期短路電流的影響，在用Simulink進(jìn)行仿真計(jì)算的時(shí)候，加入變壓整流模塊。

根據(jù)設(shè)備資料設(shè)置好仿真模型中各元器件的參數(shù)，由于短路試驗(yàn)是空載環(huán)境，短路試驗(yàn)前測(cè)得的系統(tǒng)電壓為820 V，符合實(shí)際情況，故依據(jù)輸出電壓有效值為820 V來(lái)設(shè)置仿真模型中整流器件參數(shù)。

運(yùn)行仿真系統(tǒng)，電壓波形和預(yù)期短路電流波形如圖3、4所示。

圖3　仿真系統(tǒng)電壓波形

圖4　預(yù)期短路電流波形

由圖4可知，Ik=15 kA，時(shí)間常數(shù)τ為0.632Ik(即約9.5 kA)電流值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，由示波圖讀出9.5 kA對(duì)應(yīng)的時(shí)間為68 ms，即τ=68 ms。則預(yù)期短路電流的表達(dá)式為：

(1)

3.2試驗(yàn)過(guò)程

1) 短路系統(tǒng)供電示意圖和數(shù)據(jù)采集裝置連接示意如圖5、6所示。

圖5　短路系統(tǒng)供電示意

圖6　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2) 短路結(jié)束后，檢查并評(píng)估直流斷路器701開(kāi)關(guān)斷口觸點(diǎn)燒損程度，將燒傷面的氧化物用酒精清洗干凈，合上開(kāi)關(guān)，用直流電阻測(cè)試儀測(cè)試其接觸電阻，確定斷路器是否可以繼續(xù)使用。

3.3短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

檢查記錄數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)果，波形如圖7所示。

圖7　短路分析試驗(yàn)波形

由實(shí)測(cè)的短路波形可知，最大短路電流完全滿足并優(yōu)于設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

Imax=10.67 kA

1) 試驗(yàn)波形分析。

① 短路試驗(yàn)的di/dt(電流變化率)設(shè)置為50 kA/s,短路初始電流上升率

則DDL保護(hù)啟動(dòng)，DDL保護(hù)后經(jīng)過(guò)80 ms斷路器的線圈得電，此時(shí)的電流值由示波圖讀出，為9.58 kA，大于整定值8 kA，斷路器也已經(jīng)動(dòng)作。

② 斷路器在大電流脫扣保護(hù)經(jīng)過(guò)TZ=18 ms開(kāi)始起弧壓，如果短路電流在7 200～8 800 A(整定值8 kA，動(dòng)作誤差±10%)內(nèi)啟動(dòng)保護(hù)到斷路器端口開(kāi)始起弧壓的時(shí)間間隔t=TZ，則開(kāi)關(guān)啟動(dòng)大電流脫扣保護(hù)，否則沒(méi)有。

由圖7讀出斷路器端口開(kāi)始起弧壓時(shí)間(電壓開(kāi)始上升時(shí)間)t0=261 ms，7 200 A對(duì)應(yīng)時(shí)間t1=223 ms，8 800 A對(duì)應(yīng)時(shí)間t2=239 ms,則：

t=Min[(t0-t1),(t0-t2)]=22 ms由于22 ms>18 ms，此時(shí)開(kāi)關(guān)的大電流脫扣沒(méi)有啟動(dòng)保護(hù)。綜合①②所述，綜合保護(hù)DDL保護(hù)先于開(kāi)關(guān)保護(hù)。

2) 將實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)和波形與3.1的仿真數(shù)據(jù)和波形對(duì)比分析。

依據(jù)式(1)可知

① 由試驗(yàn)波形可知，短路電流從0上升到最大值用時(shí)100 ms，代入式(1)得i=11.55 kA，實(shí)際最大短路電流Imax=10.67 kA，i>Imax；

② 整定值設(shè)置為8 kA，但是有10%的動(dòng)作誤差。試驗(yàn)用的斷路器機(jī)械分閘完成所需時(shí)間T=48 ms，開(kāi)關(guān)的固有動(dòng)作時(shí)間t0=5 ms，當(dāng)分閘到2/3的時(shí)候開(kāi)始起弧壓，電流達(dá)到最大值。

由示波圖可知電流由0上升至10.67 kA的時(shí)間為100 ms，則斷路器實(shí)際分?jǐn)鄷r(shí)刻時(shí)間

將td=63 ms代入式(1)得

由短路分析試驗(yàn)示波圖讀出實(shí)際動(dòng)作電流Id=8.15 kA，id>Id。

通過(guò)計(jì)算對(duì)比發(fā)現(xiàn)，最大短路電流和動(dòng)作電流的計(jì)算值都比實(shí)際值偏大,這是由于仿真計(jì)算沒(méi)有考慮斷路器的內(nèi)阻、電感以及電弧的影響。此外，實(shí)際短路電流波形的時(shí)間常數(shù)不是一個(gè)定值，而是隨著時(shí)間逐漸增大，電流最大值時(shí)刻，時(shí)間常數(shù)最大，約為78 ms，仿真計(jì)算的時(shí)間常數(shù)是由校正以后的平均電感和平均電阻計(jì)算所得，有一定誤差，但是仿真計(jì)算仍然對(duì)今后的試驗(yàn)有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

4結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)短路試驗(yàn)是直流牽引供電系統(tǒng)不可或缺的部分，本試驗(yàn)的程序、方法、評(píng)估內(nèi)容等在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證是可行的。另外，試驗(yàn)之前的仿真計(jì)算可以事前估計(jì)最大預(yù)期短路電流、電流初始上升率等參數(shù)，為試驗(yàn)提供參考；但是此次仿真仍有不足，在今后仿真計(jì)算的時(shí)候要考慮斷路器的內(nèi)阻和電感等因素，盡可能減少誤差，為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供更可靠的數(shù)據(jù)參考。通過(guò)規(guī)范化和真實(shí)性的短路試驗(yàn)，可以對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)的設(shè)備質(zhì)量、繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性以及系統(tǒng)的整體功能進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化調(diào)整相關(guān)參數(shù)，為以后的短路試驗(yàn)提供借鑒和指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王念同，魏雪亮.24脈波牽引整流變壓器的連接組[J].變壓器，2002,39(6)：9-12.

[2] 王軍，翁創(chuàng)業(yè).直流牽引供電系統(tǒng)短路試驗(yàn)淺析[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2011，34(4)：65-68.

[3] 王亞玲，吳命利.直流牽引變電所在供電系統(tǒng)運(yùn)行仿真中的建模[J].電氣化鐵道，2005(4)：54-57.

[4] 韓志杰.城軌直流牽引供電系統(tǒng)短路試驗(yàn)[J].都市快軌交通，2013，26(2)：113-115.

[5] 周星光.城市軌道交通接觸網(wǎng)短路試驗(yàn)方案應(yīng)用[J].鐵道建筑技術(shù)，2009(8)：95-97.

[6] 蘇保衛(wèi)，張永康.上海軌道交通3號(hào)線供電系統(tǒng)短路試驗(yàn)[J].城市軌道交通研究，2005(1)：68-70.

[7] 梁國(guó)君.深圳地鐵龍崗線直流牽引供電系統(tǒng)短路試驗(yàn)方案[J].施工技術(shù)與測(cè)量技術(shù)，2012(12)：193-195.

[8] 軌道交通地面裝置直流開(kāi)關(guān)設(shè)備：GB/T 25890—2010[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[9] 龔延志.直流牽引供電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與短路計(jì)算研究[M].北京：北京交通大學(xué)，2009.

[10] 黃德勝，張巍.地下鐵道供電[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

(編輯：王艷菊)

Analysis on Short Circuit Test of DC Traction Power Supply System

Jin XuefengChen YunanTong Xiang

(The Chinese Heavy Industry Research Institute 712, Wuhan 430064)

Abstract:Short circuit test of DC traction power supply system is an important step to verify the correctness and reliability of DC traction power supply system equipment during short circuiting. Using DC traction power supply system short circuit test for Wuhan Rail Transit Line 2 extending vehicles as an example, this paper introduces precondition, process and method of short circuit test. Before test, a short-circuit point is set artificially, with circuit breakers and other protection components being normal. Then the data acquisition system is connected to acquire short-circuit current and voltage waveforms and the prospective short-circuit current is simulated by using Matlab. After test, the practical data of short circuit test is analyzed to provide some reference for further study of short circuit test of DC traction power supply system. It is concluded that the protection operation of the switch is proper and reliable. The actual breaking current size is calculated to be 8.15 kA. This study will surely provide reference for the further study of the short circuit test for DC traction power supply system.

Key words:traction power supply; short circuit test; circuit breaker; comprehensive protection

doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2016.03.023

收稿日期:2015-05-13修回日期: 2015-06-19

作者簡(jiǎn)介:金雪豐，男，高級(jí)工程師，從事開(kāi)關(guān)電器及系統(tǒng)集成研究，819041879@qq.com

中圖分類號(hào)U231.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1672-6073(2016)03-0103-03