崔天翔

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DC 1.5 kV地鐵牽引供電系統(tǒng)饋線保護(hù)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(hù)的整定計(jì)算方法，對(duì)某一實(shí)際運(yùn)行的地鐵區(qū)間建立了數(shù)學(xué)模型，通過仿真分析了不同地點(diǎn)列車啟動(dòng)電流和故障電流的特點(diǎn)，并完成了對(duì)DDL保護(hù)的配置，為直流牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

牽引供電；饋線保護(hù)；仿真；整定計(jì)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(cè)系統(tǒng)等組成。

為了保證城市軌道交通安全、可靠運(yùn)行，對(duì)牽引供電系統(tǒng)的可靠保護(hù)尤為重要。由于直流牽引供電系統(tǒng)本身固有的性質(zhì)，當(dāng)直流饋線發(fā)生短路故障時(shí)，回路電阻和電感參數(shù)的大小對(duì)短路電流的影響較大。短路發(fā)生在饋線出口附近時(shí)，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(shí)，由于線路電感和電阻的作用，短路電流變化相對(duì)緩慢[1]。電流速斷保護(hù)和過電流保護(hù)裝置能夠迅速發(fā)現(xiàn)并切除饋線近端故障，而對(duì)于饋線末端故障，這2種保護(hù)裝置則不能滿足靈敏性和可靠性要求[2]。

本文詳細(xì)分析了直流牽引供電系統(tǒng)DDL饋線保護(hù)的整定計(jì)算方法，對(duì)某一實(shí)際運(yùn)行的地鐵區(qū)間建立數(shù)學(xué)模型，通過仿真計(jì)算，對(duì)不同地點(diǎn)的列車啟動(dòng)電流和短路電流的特性進(jìn)行分析，并由此提出DDL保護(hù)的整定方案。通過對(duì)啟動(dòng)電流與故障電流的分析，驗(yàn)證整定值設(shè)置的正確性和合理性。

1 DDL保護(hù)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(shí)，短路電流的特性差異較大，而DDL保護(hù)則由速斷保護(hù)和延時(shí)保護(hù)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(shí)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(hù)可連續(xù)檢測(cè)直流饋線電流=()及其電流變化率d/d，并將d/d與斜率設(shè)定值（起始門限，即電流上升率啟動(dòng)值）和（復(fù)位門限，即電流上升率返回值）進(jìn)行比較，完成保護(hù)動(dòng)作，其保護(hù)動(dòng)作原理如下：

（1）當(dāng)電流上升率滿足d/d＞，且故障電流增量Δ達(dá)到啟動(dòng)電流ΔI時(shí)，速斷保護(hù)裝置動(dòng)作，切除短路故障。

（2）當(dāng)電流上升率滿足＜d/d＜，為保證DDL的選擇性和可靠性，對(duì)電流上升率的檢測(cè)將被延時(shí)一個(gè)時(shí)間，延時(shí)結(jié)束且電流增量Δ2與電流增量返回值ΔI滿足D2＞D時(shí)，則通過延時(shí)保護(hù)切除故障。

基于上述分析，可歸納得到速斷保護(hù)和延時(shí)保護(hù)的動(dòng)作方程式。

速斷保護(hù)動(dòng)作方程：

式中，d/d為電流上升率；為速斷保護(hù)電流上升率的起始門限；D1為d/d＞時(shí)刻電流增量；D為速斷保護(hù)的電流增量整定值。

延時(shí)保護(hù)動(dòng)作方程：

式中，為延時(shí)保護(hù)電流上升率的復(fù)位門限；D為延時(shí)保護(hù)電流增量返回值；為延時(shí)保護(hù)的延時(shí)時(shí)間；D2為延時(shí)時(shí)限到達(dá)整定值時(shí)的電流增量。

DDL保護(hù)算法流程如圖2所示。

圖2 DDL保護(hù)算法流程圖

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

（1）速斷保護(hù)的起始門限應(yīng)避開正常啟動(dòng)時(shí)的最大電流上升率；延時(shí)保護(hù)的復(fù)位門限應(yīng)小于越區(qū)供電時(shí)饋線末端故障電流的初始電流上升率。

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

（3）延時(shí)保護(hù)延時(shí)時(shí)間的整定，除需考慮相鄰區(qū)間之間保護(hù)的配合，還需考慮列車運(yùn)行中因離線等原因引起車內(nèi)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(hù)整定

在地鐵牽引供電系統(tǒng)中，正確區(qū)分列車啟動(dòng)電流與饋線末端故障電流是保證保護(hù)裝置可靠動(dòng)作的關(guān)鍵。為此，建立了基于24脈波整流機(jī)組[3]的直流牽引供電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。參考文獻(xiàn)[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(cè)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(jìn)行RL回路的暫態(tài)響應(yīng)分析，短路電流為

() = (/)(1-e-/) （4）

式中，=/為時(shí)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(dòng)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(dòng)時(shí)的電氣參數(shù)表

從仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，在啟動(dòng)過程中，列車兩端的電壓下降明顯，啟動(dòng)完成后，電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，且列車啟動(dòng)點(diǎn)距離饋線出口越遠(yuǎn)，電壓的下降率越高；啟動(dòng)瞬間電流急劇上升，其變化率大小與線路阻抗有關(guān)，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)定值。所以，在微機(jī)保護(hù)參數(shù)配置中應(yīng)嚴(yán)格遵守DDL保護(hù)的整定原則，以保證保護(hù)裝置可靠動(dòng)作。

2.2 系統(tǒng)短路仿真

直流牽引供電系統(tǒng)中，通常設(shè)備、人為和自然等3個(gè)方面的因素可能會(huì)導(dǎo)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(yùn)行時(shí)，故障發(fā)生點(diǎn)在距離饋線出口不同位置時(shí)，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。

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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(dá)到列車正常運(yùn)行時(shí)的幾十倍；即使在饋線末端，短路電流穩(wěn)態(tài)值也會(huì)達(dá)到正常穩(wěn)定電流的10倍左右，且會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，所以通過監(jiān)測(cè)短路電流的變化率和增量，并依此對(duì)DDL保護(hù)進(jìn)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(shí)電氣參數(shù)表

2.3 保護(hù)整定

從上述仿真結(jié)果可以看出，短路故障發(fā)生時(shí)，在很短時(shí)間內(nèi)，故障電流的幅值和上升變化率都急劇增加，并且存在一個(gè)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(guān)。通過對(duì)不同位置故障電流波形的比較可知，短路點(diǎn)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(shí)，電流上升變化率及電流增量相對(duì)較小。

分析表1和表2可以看出，不論列車正常啟動(dòng)，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(jì)算，正常工況時(shí)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(hù)的整定原則，可以計(jì)算出該保護(hù)的各項(xiàng)參數(shù)值，見表3。由此完成DDL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。

表3 DDL保護(hù)參數(shù)表

3 結(jié)語

DDL保護(hù)現(xiàn)已在北京、上海、南京等多個(gè)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(hù)的整定計(jì)算方法，然后在Matlab/Simulink中對(duì)某一實(shí)際運(yùn)行的地鐵區(qū)間建立仿真模型，通過仿真計(jì)算，對(duì)不同地點(diǎn)列車啟動(dòng)電流和短路電流的特性進(jìn)行分析，并依此得到DDL保護(hù)的整定方案，為今后地鐵工程設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 高云霞. 直流牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)整定計(jì)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(hù)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(xué)，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(xué)，2012.

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

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

崔天翔.中鐵西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，助理工程師，電話：15229883764。

2016-05-21