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摘 要： 摘 要：分析了地鐵直流供電系統(tǒng)的故障類型，基于 MATLAB/Simulink建立了直流供電系統(tǒng)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(jù)直流保護需要考慮的因素，提出了地鐵直流供電系統(tǒng)短路故障的保
摘 要：分析了地鐵直流供電系統(tǒng)的故障類型，基于 MATLAB/Simulink建立了直流供電系統(tǒng)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(jù)直流保護需要考慮的因素，提出了地鐵直流供電系統(tǒng)短路故障的保護策略和原則。
關鍵詞：地鐵;直流供電系統(tǒng);短路故障;仿真分析;保護策略
0 引言
地鐵供電系統(tǒng)的短路電流和故障分析能夠為設備選型和供電系統(tǒng)的設計提供重要參考。短路故障發(fā)生后，直流供電系統(tǒng)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(tǒng)的保護策略。短路故障發(fā)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(fā)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(tǒng)短路保護策略的前提。地鐵直流供電系統(tǒng)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(tǒng)的短路特性，必須對地鐵進行短路故障分析，以獲得參考數(shù)據(jù)。直接在地鐵供電系統(tǒng)中進行短路實驗，將對線路和設備產生損害;完全根據(jù)理論計算得到數(shù)據(jù)又無法完整體現(xiàn)系統(tǒng)的短路故障信息，計算得到的結果無法用于實際系統(tǒng)。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(tǒng)的影響，數(shù)據(jù)清楚，能夠很好地用于分析地鐵供電系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)短路故障的仿真，Simulink仿真模塊中的SimpowerSystem 模塊是電力系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)。
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(shù)見表1。
仿真模擬供電網在不同地點發(fā)生短路故障，可得直流供電系統(tǒng)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(fā) 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(fā) 生 在 變 電 所 的 遠 端時，隨著直流供電系統(tǒng)阻抗的增大，短路電流不再出現(xiàn)沖擊，且短路電流的穩(wěn)態(tài)值減小，其原因是地鐵直流供電系統(tǒng)的電氣參數(shù)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(fā)生短路，短路電流的沖擊最大，且電流穩(wěn)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(wěn)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(wěn)態(tài)值到達峰值的時間變長。
2 地鐵直流供電系統(tǒng)的短路保護策略
地鐵系統(tǒng)在運行過程中，可能出現(xiàn)各種故障，其中最為典型的是短路故障。地鐵直流供電系統(tǒng)的短路保護裝置對保證地鐵安全穩(wěn)定運行具有至關重要的作用，當?shù)罔F直流供電系統(tǒng)出現(xiàn)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(jié)介紹了地鐵直流供電系統(tǒng)的短路保護技術，提出了地鐵直流供電系統(tǒng)的短路保護策略。
2.1 地鐵直流供電系統(tǒng)的短路保護技術
地鐵直流供電系統(tǒng)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(lián)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(tǒng)的短路保護策略
(1)接觸網發(fā)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(fā)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(fā)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(yōu)先速斷。具體動作策略是：車輛短路故 障發(fā)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(xù) 保 證對非故障車輛的供 電，減 小 對 地 鐵 系 統(tǒng) 的 整 體 影 響，保證乘客的出行。
(3)短路故障發(fā)生時，車輛位于變電所近端，且故障發(fā)生在車輛進線電抗器前，這種情況下，系統(tǒng)阻抗和電流慣性都很小，電流上升速度非�？欤藭r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(fā)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(fā)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(tǒng)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(shù)據(jù)依據(jù)，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(tǒng)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(tǒng)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
[1]葉潤潮.直流供電系統(tǒng)方案優(yōu)選研究[D].成都：西南交通大學，2012.
[2]孟飛.地鐵直流牽引供電系統(tǒng)饋線保護研究[D].南昌：華東交通大學，2012.
[3]孫磊.地鐵直流牽引供電系統(tǒng)車網保護配合研究[D].北京：北京交通大學，2019.