一種改進(jìn)的地鐵故障測距方法及應(yīng)用

周文衛(wèi)，陳 丹 ，陳立揚(yáng)，王玉磊

0 引言

地鐵牽引網(wǎng)直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，為了盡快恢復(fù)牽引網(wǎng)供電，需要對其進(jìn)行快速維修，其中故障測距對于快速定位故障位置，加快維修進(jìn)度具有重要意義。

目前國內(nèi)文獻(xiàn)對地鐵供電系統(tǒng)直流側(cè)故障測距介紹較少，而電力系統(tǒng)常用的阻抗法和行波法在地鐵供電系統(tǒng)中也無法直接應(yīng)用。本文對目前在廣州地鐵現(xiàn)場運(yùn)用的故障測距方法進(jìn)行理論分析，并對其進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種測距精度更高、操作簡單、方便快捷的故障測距方法，為現(xiàn)場的故障測距提供參考。

1 地鐵供電系統(tǒng)簡介

地鐵牽引變電所從35 kV中壓網(wǎng)絡(luò)引入2路電源，設(shè)2套12脈波整流機(jī)組，該整流機(jī)組的整流變壓器通過分別移相±7.5°，輸出等效24脈波直流電壓。整流機(jī)組正極通過直流快速開關(guān)與DC 1 500 V母線相連，負(fù)極與負(fù)極柜中的負(fù)母線相連[1]。地鐵供電系統(tǒng)通常采用雙邊供電方式，在一個(gè)供電區(qū)間內(nèi)由2個(gè)牽引變電所從兩端為接觸網(wǎng)供電（圖1）。

圖1 地鐵供電系統(tǒng)圖

2 廣州地鐵現(xiàn)場故障測距方法理論分析

2.1 廣州地鐵現(xiàn)場故障測距方法簡介

廣州地鐵 2號線采用西門子直流供電系統(tǒng)綜合測量和保護(hù)裝置SITRAS DPU96，將其安裝在直流饋線開關(guān)柜的二次接線處[2]，能夠?qū)⒍搪窌簯B(tài)電流和電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并使用短路電流峰值進(jìn)行粗略的故障定位。

以圖1為例，對廣州地鐵故障測距方法進(jìn)行說明。假設(shè)牽引變電所1和牽引變電所2之間下行接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障，故障點(diǎn)為F，F(xiàn)與牽引變電所1和牽引變電所2的距離分別為LmF和LnF，牽引變電所1的702支路記錄下的短路電流最大值為Ikm，牽引變電所2的704支路記錄下的短路電流最大值為Ikn，則認(rèn)為LmF/ LnF= Ikn/ Ikm，由此可以實(shí)現(xiàn)故障位置的粗略定位。

2.2 理論分析

牽引供電系統(tǒng)仿真模型主要考慮對整流所和牽引網(wǎng)的處理，牽引網(wǎng)中接觸網(wǎng)和走行軌可以使用電阻串聯(lián)電感處理，而整流所可以使用直流電壓源串聯(lián)電阻和電感來處理[3]。可以建立牽引網(wǎng)上下行線路雙邊并列供電，接觸網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)的暫態(tài)模型如圖2所示。

圖2 雙端供電的接觸網(wǎng)短路暫態(tài)等效電路圖

由于電感的存在，在發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流波形的上升段呈類似于指數(shù)形式。考慮到整流所m和整流所n之間的上行接觸網(wǎng)總電阻為Rl，走行軌總電阻為Rrail，短路點(diǎn)過渡電阻為Rf，短路點(diǎn)F距離整流所m的距離與整流所m和整流所n間距的比值為x，在考慮短路電流穩(wěn)態(tài)值時(shí)可以將圖等效并通過Δ-Y電阻等值變換而化簡為圖3（中間過程略）。

圖3 雙端供電的接觸網(wǎng)短路穩(wěn)態(tài)等效電路簡化圖

由圖2可得到公式（1）：

對圖 3列寫網(wǎng)孔電流方程并求解可以得到公式（2）：

在考慮Vm0= Vn0，且Reqm= Reqn的條件下進(jìn)一步可以得出兩者電流比值為

即短路點(diǎn)雙端穩(wěn)態(tài)短路電流比值為短路點(diǎn)距離兩端牽引變電所距離的反比。

2.3 仿真驗(yàn)證

在接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，電流來自與接觸網(wǎng)連成一體的同一供電區(qū)間所有牽引變電所，為了更真實(shí)仿真短路電流，考慮短路點(diǎn)兩側(cè)的4個(gè)牽引變電所提供短路電流情況[4]。仿真模型中，牽引變電所由整流所模型模擬，牽引網(wǎng)由接觸網(wǎng)、走行軌模型模擬。仿真參數(shù)設(shè)置如下：架空接觸網(wǎng)電阻0.028 Ω/km，電感 3.424 mH/km；走行軌電阻0.023 Ω/km，電感1.78 mH/km；短路點(diǎn)過渡電阻Rf= 0.001 Ω；每相鄰2個(gè)整流所的間距為4 km[3]，短路故障開始的時(shí)刻為0.1 s處。建立仿真模型如圖4。

圖4 接觸網(wǎng)短路仿真模型圖

當(dāng)短路點(diǎn)F距離整流所2為500 m時(shí)，從整流所2、整流所3測量的短路電流電壓波形如圖5。可以看出，當(dāng)有比較大的短路電流時(shí)，整流所側(cè)電壓幅值會有明顯的降低。

圖5 短路電壓電流波形圖

考慮短路點(diǎn)F距離整流所2分別為100，500，1 500 m。由于地鐵供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的存在，短路電流通常尚未發(fā)展到穩(wěn)態(tài)值，就由于斷路器動作跳閘而逐漸降低，在仿真中并未模擬斷路器跳閘的情況。統(tǒng)計(jì)廣州地鐵近80組實(shí)測的短路電壓電流波形，短路電流從短路開始到跳閘完成95%以上在120 ms以內(nèi)，其中電流上升段時(shí)間約為短路電流持續(xù)時(shí)間的一半，據(jù)此可以考慮電流選0.15 s時(shí)的數(shù)據(jù)將其作為故障測距使用的短路電流最大值。以圖6短路故障在距離整流所2為500 m處為例，在0.15s時(shí)刻，整流所2和整流所3的短路電流分別為16 860A，2 850 A。限于篇幅，僅將短路點(diǎn)F距離整流所2為500 m時(shí)的電壓電流波形給出，其余條件下，故障測距需要使用的電流僅給出數(shù)值，如表1所示。利用前述廣州地鐵現(xiàn)場的測距方法，測距結(jié)果如表2所列。

表1 故障測距使用的電流數(shù)據(jù)表

表2 廣州地鐵現(xiàn)場故障測距方法測距驗(yàn)證表

從測距結(jié)果可以看出，當(dāng)故障點(diǎn)越靠近兩變電所中間（遠(yuǎn)端短路），則測距精度越高；故障點(diǎn)距離某一側(cè)變電所很近時(shí)（近端短路），測距精度明顯降低，測距誤差甚至達(dá)到一個(gè)供電區(qū)間長度的5%以上。而廣州地鐵現(xiàn)場運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)表明，測距誤差為線路長度10%左右，這比仿真測距誤差大。

3 改進(jìn)的故障測距方法

考慮到在近端短路時(shí)，前述故障測距方法精度不高，從前述推導(dǎo)可以看出，這是由于忽略了一系列條件的結(jié)果。考慮到整流所的外特性，其直流輸出端電壓隨著負(fù)荷電流的變化，呈非線性特性，通常使用多段折線描述24脈波整流機(jī)組的外特性[5]。本文使用的整流機(jī)組外特性曲線如圖6所示。

圖6 整流機(jī)組外特性曲線圖

可以看出，輸出負(fù)荷電流差別很大時(shí)，對應(yīng)于外特性曲線上，直流輸出電壓差別很大。以圖6短路點(diǎn)在500 m處，0.15 s時(shí)的數(shù)據(jù)為例，此時(shí)整流所2的負(fù)荷電流為16 860 A，平均直流輸出電壓為1100.2 V；而對應(yīng)的整流所3的負(fù)荷電流為2 850 A，平均直流輸出電壓為1 512.5 V。而公式（3）的推導(dǎo)中，直接考慮Vm0= Vn0。這也解釋了，當(dāng)發(fā)生遠(yuǎn)端短路時(shí)，由于2座變電所負(fù)荷電流相近，Vm0= Vn0大致成立，因而測距精度較高；而發(fā)生近端短路時(shí)，由于短路點(diǎn)兩側(cè)變電所負(fù)荷電流相差太大，則并不成立，測距精度比較低。

考慮對測距方程進(jìn)行改進(jìn)如下：

電流仍使用表1的數(shù)據(jù)，電壓數(shù)據(jù)的選取和電流類似，但是由于電壓是24脈波直流電壓，因而在取0.15 s電壓值時(shí)，可以取0.15 s所在脈波的電壓采樣數(shù)據(jù)平均值作為 0.15 s時(shí)的直流電壓輸出值。電壓數(shù)據(jù)如表3所示。利用式（4）的測距方程測距結(jié)果如表4。

表3 故障測距電壓數(shù)據(jù)表

表4 改進(jìn)后故障測距方法測距驗(yàn)證

從表4可以看出，對于遠(yuǎn)端短路故障，改進(jìn)后的方法測距精度略有改善；對于近端短路故障，改進(jìn)后的方法測距精度明顯提高。總體的測距誤差基本控制在±60 m的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文介紹了廣州地鐵現(xiàn)場使用的一種粗略的故障測距方法，對其進(jìn)行理論分析和仿真驗(yàn)證。并在其基礎(chǔ)上對測距方法進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的方法對于近端短路情況改善非常明顯，對遠(yuǎn)端短路略有改善。廣州地鐵現(xiàn)場故障測距方法和本文的改進(jìn)方法在仿真時(shí)，存在的前提條件是，短路點(diǎn)雙端變電所的電壓電流數(shù)據(jù)是時(shí)間同步的。SITRAS DPU96裝置在現(xiàn)場只能記錄電壓電流數(shù)據(jù)，而無法對雙端數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間同步。當(dāng)發(fā)生近端短路時(shí)，靠近故障點(diǎn)的直流快速開關(guān)因大電流脫扣動作可以迅速跳閘，并將跳閘信號通過聯(lián)跳導(dǎo)線傳送至對端變電所，使對端變電所的直流快速開關(guān)立即跳閘[6]，其中延時(shí)時(shí)間可達(dá)數(shù)毫秒，因而雙端記錄的短路電流最大值并不在同一時(shí)刻，由此將造成測距精度比仿真時(shí)略有降低。

[1] 張健，肖書印，張友鵬.地鐵供電系統(tǒng)短路試驗(yàn)的仿真分析[J].都市快軌交通，2008，（8）.

[2] 劉華輝.SITRAS DPU96在廣州地鐵2號線的應(yīng)用[J].機(jī)車電傳動，2005，（3）.

[3] 李良威.城市軌道交通直流側(cè)短路故障研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2007.

[4] 劉煒.城市軌道交通列車運(yùn)行過程優(yōu)化及牽引供電系統(tǒng)動態(tài)仿真[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

[5] 劉煒，李群湛，李良威.基于多折線外特性模型的直流牽引供電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)短路計(jì)算[J].機(jī)車電傳動，2008，（1）.

[6] 李墨雪.直流牽引供電系統(tǒng)建模及基于電流變化特征量的保護(hù)算法研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.