地鐵三軌供電系統的仿真與直流饋線保護的研究

楊豐萍，楊 揚，龔 正

（華東交通大學電氣與電子工程學院，江西南昌330013）

隨著我國經濟的發展，城市交通日趨緊張，而城市軌道交通，尤其是地鐵作為一種大運量、高密度的交通工具迅速發展，并被越來越廣泛地應用。為保證地鐵牽引供電系統安全、可靠地向列車供電，直流牽引供電系統的保護裝置發揮著至關重要的作用。我國直流牽引供電系統的研制與開發起步較晚，直流饋線保護裝置大都采用進口設備，價格昂貴且維護困難，但隨著我國在這方面需求的日益增大，發展生產具有自主知識產權的直流牽引供電保護系統，對我國今后城市軌道的發展具有重要意義。

1 地鐵牽引供電系統

地鐵供電系統是整個地鐵的重要組成部分，主要分為電源系統、牽引供電系統和動力照明系統三部分[1]。城市軌道交通的牽引變電所一般采用2臺整流變壓器和4臺整流器構成整流機組，將外部電源接入10 kV交流電轉換成750 V或1 500 V的直流電，經過直流饋線，向接觸網或第三軌供電，地鐵車輛就是通過接觸網或第三軌獲得電能。

圖1 DC1500V三軌地鐵牽引供電系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of DC1500V triple rail metro traction power supply system

地鐵牽引供電系統采用直流供電制式，相對于交流供電而言，直流供電具有調速范圍廣、易于控制、牽引網結構簡單、電壓質量高等優點[2]。近年各個國家與地區修建的地鐵多采用DC 750 V第三軌供電和DC1500V接觸網供電以及正在興起的DC1500V三軌供電制式。對于新興采用DC1500V三軌供電方式的牽引供電系統（如圖1），由于其自身結構的差異，導致其故障形式與接觸網式供電有所不同。因此對采用此種方式供電的系統進行直流短路故障分析以及保護配置的研究是十分必要的。文獻[3]僅介紹了DC1500V三軌供電的基本原理，文獻[4]僅介紹了di/dt及電流增量保護的基本原理和整定方法，未建立具體的模型討論參數設置。本文選取某一實際運行的DC1500V三軌地鐵線路的一個區間配置di/dt及電流增量保護（主保護）的詳細方案，并對其啟動過程和短路故障仿真分析，得出保護的整定值，通過區分啟動電流與故障電流來對整定值設置的正確性和合理性加以驗證。

2 di/dt及電流增量保護（DDL保護）

國外在城市軌道交通發展初期主要通過電流速斷保護和過電流保護來切斷短路故障[5]，效果并不理想。隨著電力電子技術及計算機技術的發展，采用微機控制的保護裝置大大提高了直流牽引供電系統保護裝置的可靠性和準確率。以di/dt及電流增量保護為例，詳細分析其控制原理，闡述其如何區別DC1500V三軌供電系統中短路電流和列車啟動電流以及一些負載小電流，用于線路中的短路故障保護。

di/dt及電流增量保護由瞬時跳閘和延時跳閘兩部分組成，瞬時跳閘響應線路近端短路故障，能夠迅速發現并切除故障。延時跳閘通過延時時間T可以把短路電流和啟動電流及負載小電流區分開來，用于線路中、遠端保護。保護特性如下：

當初始電流上升率很大時，滿足di/dt＞E（電流上升率啟動值），一旦電流增量ΔI也達到啟動電流EΔI（電流增量啟動值），則通過瞬時跳閘切除短路故障；當初始電流上升率較小時，滿足F＜di/dt＜E（F為電流上升率返回值），為了區分短路小電流和負載電流，電流上升率將會被保護系統監視一段時間，一旦到延時時間T則將電流增量ΔI與電流增量返回值FΔI相比較，若ΔI＞EΔI，將通過延時跳閘切除故障。

1）根據以上分析，可以得到瞬時跳閘和延時跳閘保護動作方程：

瞬時跳閘動作方程

式中：di/dt為電流上升率；E為瞬時跳閘電流上升率啟動值；ΔI為從di/dt＞E時刻開始的電流增量，即初始電流增量；EΔI為瞬時跳閘電流增量啟動值。

延時跳閘動作方程

式中：F為延時跳閘電流上升率返回值；FΔI為延時跳閘電流增量返回值；T為延時跳閘整定時間；ΔI為延時時間到達整定時間T時的電流增量。

2）考慮到在列車正常運行狀態下保護不應該誤動作，以及當短路發生時故障線路應被立即切除，di/dt及電流增量保護的整定原則如下：

di/dt及電流增量保護算法流程框圖如圖2所示。

瞬時跳閘電流上升率啟動值E的數值應大于啟動電流的最大電流上升率；延時跳閘電流上升率返回值F的數值應該小于遠端短路電流的初始電流上升率。

圖2 di/dt及電流增量保護算法流程框圖Fig.2 Flow diagram of di/dt and current increment protection algorithm

2）瞬時跳閘電流增量啟動值EΔI應大于啟動電流和列車通過接觸網分段時沖擊電流的最大值；延時跳閘電流增量返回值FΔI的數值應小于遠端短路電流的電流增量。

3）考慮到列車通過接觸網分段時列車內的濾波器有一個充電過程，所以延時跳閘時間T應保證大于半個列車諧振周期及誤差值。

3 DC1500V三軌系統的仿真分析與保護整定

在DC1500V三軌供電系統中，為防止保護裝置誤動作，必須正確區分機車的啟動電流和遠端短路故障電流。短路電流是對地鐵牽引供電系統進行直流饋線保護配置的前提和重要依據，本文以等效24脈波整流機組為基礎建立直響應流牽引變電所的仿真模型進行故障仿真分析。采用Matlab/Simulink軟件建立模型得到DC1500V三軌供電系統各種工況下饋線電流、電壓變化波形。仿真時牽引網電阻率取0.213 Ω·km-1，走行軌兼作回流網，電阻率一般取為0.013 Ω·km-1。饋線長度一般為2～4 km，仿真分析取為3 m。根據列車啟動時與電源距離的不同，以及短路點位置的不同，可以分為近（0～1 km）、中（1～2 km）、遠（2～3 km）端啟動和近、中、遠端短路。由于篇幅關系，本文僅給出遠端啟動和遠端短路的仿真波形。

地鐵整流器為無相控整流，即觸發延遲角α=0。在不考慮換相電抗的情況下，平均直流輸出電壓為

式中：Ud0為平均直流輸出電壓；U為輸出電壓有效值；ω為角速度。遠方短路電流：

式中：R為系統等效電阻之和；Rs為牽引變電站等效電阻；Rt為第三軌等效電阻；Rr為走行軌等效電阻；Ls為牽引變電站等效電感；Lt為第三軌等效電感；Lr為走行軌等效電感。

3.1 列車啟動仿真

列車距電源2.5 km啟動，線路電流波形、電機端電壓波形如圖3所示。列車啟動大約耗時0.1 s，電動機兩端電壓在啟動時有非常明顯的下降，0.01 s時出現極小值856.7 V，較穩態電壓小約470 V，電壓下降率高達35.3%，因此在啟動時必須考慮到繼電保護裝置中低電壓保護可能誤動作；啟動電流在0.011 s時出現極大值957.5 A，0.053 5 s時出現極小值216 A，而穩態值約為240 A，極大值遠遠大于穩態值，在做繼電保護整定仍應考慮啟動時出現的過電流情況，以避免繼電保護裝置誤動作。

3.2 系統短路仿真

DC1 500 V三軌供電系統發生短路，可認為是第三軌與走行軌間絕緣損壞。系統啟動完成后，當短路點距電源2.5 km時，系統短路電流波形、電源端電壓波形如圖4所示。列車啟動0.3 s后發生短路故障，電源端電壓立即減小，隨后穩定在1 370 V左右，電流在短路后迅速增大，穩態短路電流為2 400 A左右，為正常運行時穩態電流的十倍左右，且短路電流持續的時間相對較長。故繼電保護裝置中的電流上升率及電流增量保護可以發現短路情況，并延時切除故障線路段。

圖3 列車啟動線路電流、電壓波形圖Fig.3 Graph of the trains start circuit current and voltage waveform

3.3 保護整定

對近、中端啟動和短路做類似仿真分析可以得到列車在近、中、遠三處啟動的主要電氣數據列于表1；近、中、遠三處短路時的主要電氣數據列于表2?？梢园l現，短路發生的瞬間，電流上升率很高，并且存在一個故障暫態沖擊尖峰，該尖峰幅值遠遠超過穩態短路電流值，其特性取決于牽引變電站交直流阻抗的特性。隨著故障點與電源點距離的增大，電流上升率及幅值均有所下降。列車啟動時的最大電流增量ΔI=1 259 A，最大電流變化率 di/dt=100.72m·s-1；系統短路時的最大電流增量ΔI=9 658 A，最大短路電流變化率di/dt=2 414.5 m·s-1。最小電流增量ΔI=2 148 A，最小短路電流變化率di/dt=1 074 m·s-1。

根據仿真數據以及di/dt與電流增量保護的動作方程和整定原則，可以計算出該保護的各項參數，見表3。由此完成di/dt及電流增量保護的配置方案，為下一步微機保護硬件設計提供數據支持。

圖4 系統短路電流電壓波形圖Fig.4 Graph of system short-circuit current and voltage waveform

表1 近中遠處啟動時電氣數據表Tab.3 Start electrical data of near，medium or far distance

表2 近中遠處短路時電氣數據表Tab.2 Short-circuit electrical data of near，medium or far distance

表3 DDL參數表Tab.3 The DDLparameters

4 結束語

利用MATLAB/Simulink仿真軟件，建立DC1500V三軌地鐵供電系統的數學模型，得到直流饋線的機車啟動電流和第三軌短路電流。通過分析這兩種電流的電氣量特征，并對饋線主保護之一的DDL保護的整定原則詳細討論，得出整定值，從而解決現有保護算法難以區分這兩種電流的難題。由于本文采用的模型均是工程上的簡化模型，在工程實踐中應進一步提高計算精度。

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