軌道交通直流牽引網短路故障下饋線電流仿真研究

摘 要：文章介紹了軌道交通直流牽引供電系統，分析了24脈波整流器的優點，針對雙邊供電情況下牽引網不同位置短路故障，利用MATLAB/Simulink仿真研究了饋線電流的變化規律，得出相關結論。

關鍵詞：直流牽引供電；雙邊供電；饋線電流；仿真

1 概述

城市軌道交通牽引變電所引入兩個獨立的中壓交流電源，并將交流電能轉換為直流電能，承擔著向電動列車提供直流牽引電能的功能[1]。

為提高直流側輸出電能質量，同時降低交流側諧波注入，降低對電網的影響，牽引變電所采用24脈波整流方案進行交-直流變換，直流側母線通過饋線將電能饋入牽引網[1-3]。列車作為牽引負荷，由于位置動態變化，牽引電流大小隨線路坡度、列車運行密度改變，且隨列車啟動、加速、制動變化劇烈，所以饋線電流的幅度變化很大，饋線保護存在困難[4]，但其在保證牽引供電系統向列車安全可靠供電方面發揮著重要作用，防止列車接觸線上短路和過負荷現象的發生，即使故障發生，也應能可靠、迅速地切除故障，同時保證列車在正常運行狀態下不發生誤動作。

文章利用MATLAB中的Simulink工具箱建立牽引變電所24脈波整流模型，利用逆變器和交流異步電機模擬列車牽引負荷。在兩側牽引變電所對列車雙邊供電時，仿真列車位于供電分區近端、中端的短路故障狀態下饋線電流的變化規律。

2 直流牽引供電系統

軌道交通直流牽引供電系統如圖1所示，牽引變電所通過整流變壓器降壓后利用整流器將中壓交流電能變為直流，再經過直流饋線，向接觸網供電，列車通過接觸網獲得電能。當列車位于此供電區間內時，列車從左側變電所A饋線A、右側變電所B饋線B同時獲得電能，即雙邊供電模式。

整流器采用4組二極管三相橋式整流裝置，為無相控整流，即觸發延遲角α=0。

利用matlab中的Simulink工具箱，構建24脈波整流電路的仿真模型，如圖2所示。

3 24脈波整流器

牽引變電所的作用是將中壓網絡輸入的交流電能降壓整流為直流電能，24脈波整流方案具有有效減小輸入電流諧波含量、提高功率因數且直流側電壓脈動小、交流側電流波形正弦化的優勢，已成為主流。主要采用兩臺相同容量軸向雙分裂式牽引整流變壓器，每臺的一組閥側繞組分別接成Y接和d接法，自然形成30°的相位差。而兩臺變壓器的網側繞組分別輸入+7.5°和-7.5°相位移的三相交流電，從而形成兩臺變壓器的四套閥側繞組的線電勢相差15°相位差，分別經橋式整流后，在直流側進行并聯，形成24脈波整流系統。

空載輸出直流電壓波形如圖3所示，由圖可知電壓穩定在1600V左右，在一個工頻周期內脈動24次，電壓穩定性優異。

4 雙邊供電情況下的牽引網短路

為了獲得較大的啟動轉矩，異步電機有很大的啟動電流，進而列車在啟動過程中，饋線電流存在一個強烈的沖擊。而針對于圖1，當供電區間的列車處于雙邊供電時，列車可能位于不同的位置啟動，此時，從左側變電所A和右側變電所B饋線饋出的電流差異較大，這里對列車位于供電區間一側稱作近端，列車位于中間位置時稱作中端，當發生短路，即接觸網與走行軌間絕緣損壞。當列車位于近端、中端時，分析列車啟動電流和短路電流的變化規律對饋線保護方案的選擇有指導意義。

基于上文牽引變電所的模型，建立雙邊供電時牽引網仿真模型如圖4所示，包括直流牽引變電所Substation A和牽引變電所Substation B、穩壓電容C、逆變器和異步牽引電機。開關Breaker用來模擬牽引網短路故障，R1、R2代表了牽引網電阻，設置其大小可以模擬列車在供電區間的位置，而逆變器采用SPWM控制方法。

4.1 列車近端短路故障模擬

列車在距變電所A處啟動，0.1s時刻發生近端接觸網與走行軌短路故障。

近端變電所A和遠端變電所B饋出電流波形如圖5所示。

饋電線兩端電壓波形如圖6所示。

電機線電壓波形如圖7所示。

列車啟動時，大約耗時0.06秒，電源端電壓逐步上升到1500V，逆變器輸出電壓為良好的PWM波，牽引網電流在啟動過程中存在明顯的沖擊變化過程，變化幅度較大。其中近端變電所A饋出電流在0.008秒時出現極大值13800A，而穩態值約為1000A，遠端變電所B饋出電流在0.005秒時出現極大值5000A，而穩態值約為600A。

當0.1s發生短路故障時，近端變電所A饋出電流和遠端變電所B饋出電流均在極短的時間內上升到很大的數值，分別達到了15000A和5000A，對應的直流側電壓降落到了80V左右，這是一種嚴重的故障狀態，會損害設備。

在列車啟動時會出現電流值遠遠大于正常運行時的情況，但短路電流和啟動電流大小數值接近，在做電流保護時應考慮列車啟動的特殊情況，簡單大電流脫扣保護是區分不出來正常的起動狀態和故障的短路狀態，整定值應避開啟動時出現的過電流情況，避免繼電保護裝置誤動作。

4.2 列車中端短路故障模擬

列車在供電分區中間位置啟動，0.1s發生短路故障，變電所A（B）饋出電流波形如圖8所示。

由圖可見，列車啟動大約耗時0.08秒，電源端電壓逐步上升至1500V，逆變器輸出電壓為良好的PWM波，牽引網電流在啟動過程中存在明顯的沖擊變化過程，變化幅度較大。其中變電所A、B饋出電流均在0.003秒時出現極大值7400A，而穩態值約為500A。

當0.1s發生短路故障時，變電所A、B饋出電流均在極短的時間內上升到很大的數值，達到了7800A，對應的直流側電壓下降到80V左右。

因此，當列車處于供電分區中間位置時，無論是啟動或者短路狀態，變電所A、B饋出電流值大小數值接近，但是與列車在近端啟動時相比，幅度較小。

5 結束語

列車的啟動過程是短暫的正常工作狀態，饋線保護不應發出跳閘命令，而牽引網短路是嚴重故障狀態，需要快速可靠的跳閘。從以上分析可以得出：（1）對于左、右兩變電所饋出電流，列車在供電分區的啟動位置有較大影響。（2）短路電流和啟動電流大小接近，簡單采用過流保護無法區分正常啟動狀態與故障短路狀態。

參考文獻

[1]于松偉，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通供電系統設計原理與應用[M].西南交通大學出版社，2008.

[2]劉文正.城市軌道交通牽引電氣化概論[M].北京交通大學出版社，2012.

[3]黃德勝，張巍.地下鐵道供電[M].中國電力出版社，2010.

[4]賀家李，宋叢矩.電力系統繼電保護原理（增訂版）[M].中國電力出版社，2004.