軌道交通直流牽引網(wǎng)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(tǒng)，分析了24脈波整流器的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)雙邊供電情況下牽引網(wǎng)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(guī)律，得出相關(guān)結(jié)論。

關(guān)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(gè)獨(dú)立的中壓交流電源，并將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，承擔(dān)著向電動(dòng)列車提供直流牽引電能的功能[1]。

為提高直流側(cè)輸出電能質(zhì)量，同時(shí)降低交流側(cè)諧波注入，降低對(duì)電網(wǎng)的影響，牽引變電所采用24脈波整流方案進(jìn)行交-直流變換，直流側(cè)母線通過饋線將電能饋入牽引網(wǎng)[1-3]。列車作為牽引負(fù)荷，由于位置動(dòng)態(tài)變化，牽引電流大小隨線路坡度、列車運(yùn)行密度改變，且隨列車啟動(dòng)、加速、制動(dòng)變化劇烈，所以饋線電流的幅度變化很大，饋線保護(hù)存在困難[4]，但其在保證牽引供電系統(tǒng)向列車安全可靠供電方面發(fā)揮著重要作用，防止列車接觸線上短路和過負(fù)荷現(xiàn)象的發(fā)生，即使故障發(fā)生，也應(yīng)能可靠、迅速地切除故障，同時(shí)保證列車在正常運(yùn)行狀態(tài)下不發(fā)生誤動(dòng)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(jī)模擬列車牽引負(fù)荷。在兩側(cè)牽引變電所對(duì)列車雙邊供電時(shí)，仿真列車位于供電分區(qū)近端、中端的短路故障狀態(tài)下饋線電流的變化規(guī)律。

2 直流牽引供電系統(tǒng)

軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)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?yōu)橹绷鳎俳?jīng)過直流饋線，向接觸網(wǎng)供電，列車通過接觸網(wǎng)獲得電能。當(dāng)列車位于此供電區(qū)間內(nèi)時(shí)，列車從左側(cè)變電所A饋線A、右側(cè)變電所B饋線B同時(shí)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(fā)延遲角α=0。

利用matlab中的Simulink工具箱，構(gòu)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(wǎng)絡(luò)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(shù)且直流側(cè)電壓脈動(dòng)小、交流側(cè)電流波形正弦化的優(yōu)勢(shì)，已成為主流。主要采用兩臺(tái)相同容量軸向雙分裂式牽引整流變壓器，每臺(tái)的一組閥側(cè)繞組分別接成Y接和d接法，自然形成30°的相位差。而兩臺(tái)變壓器的網(wǎng)側(cè)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(tái)變壓器的四套閥側(cè)繞組的線電勢(shì)相差15°相位差，分別經(jīng)橋式整流后，在直流側(cè)進(jìn)行并聯(lián)，形成24脈波整流系統(tǒng)。

空載輸出直流電壓波形如圖3所示，由圖可知電壓穩(wěn)定在1600V左右，在一個(gè)工頻周期內(nèi)脈動(dòng)24次，電壓穩(wěn)定性優(yōu)異。

4 雙邊供電情況下的牽引網(wǎng)短路

為了獲得較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，異步電機(jī)有很大的啟動(dòng)電流，進(jìn)而列車在啟動(dòng)過程中，饋線電流存在一個(gè)強(qiáng)烈的沖擊。而針對(duì)于圖1，當(dāng)供電區(qū)間的列車處于雙邊供電時(shí)，列車可能位于不同的位置啟動(dòng)，此時(shí)，從左側(cè)變電所A和右側(cè)變電所B饋線饋出的電流差異較大，這里對(duì)列車位于供電區(qū)間一側(cè)稱作近端，列車位于中間位置時(shí)稱作中端，當(dāng)發(fā)生短路，即接觸網(wǎng)與走行軌間絕緣損壞。當(dāng)列車位于近端、中端時(shí)，分析列車啟動(dòng)電流和短路電流的變化規(guī)律對(duì)饋線保護(hù)方案的選擇有指導(dǎo)意義。

基于上文牽引變電所的模型，建立雙邊供電時(shí)牽引網(wǎng)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(wěn)壓電容C、逆變器和異步牽引電機(jī)。開關(guān)Breaker用來模擬牽引網(wǎng)短路故障，R1、R2代表了牽引網(wǎng)電阻，設(shè)置其大小可以模擬列車在供電區(qū)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(dòng)，0.1s時(shí)刻發(fā)生近端接觸網(wǎng)與走行軌短路故障。

近端變電所A和遠(yuǎn)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(jī)線電壓波形如圖7所示。

列車啟動(dòng)時(shí)，大約耗時(shí)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(wǎng)電流在啟動(dòng)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(shí)出現(xiàn)極大值13800A，而穩(wěn)態(tài)值約為1000A，遠(yuǎn)端變電所B饋出電流在0.005秒時(shí)出現(xiàn)極大值5000A，而穩(wěn)態(tài)值約為600A。

當(dāng)0.1s發(fā)生短路故障時(shí)，近端變電所A饋出電流和遠(yuǎn)端變電所B饋出電流均在極短的時(shí)間內(nèi)上升到很大的數(shù)值，分別達(dá)到了15000A和5000A，對(duì)應(yīng)的直流側(cè)電壓降落到了80V左右，這是一種嚴(yán)重的故障狀態(tài)，會(huì)損害設(shè)備。

在列車啟動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行時(shí)的情況，但短路電流和啟動(dòng)電流大小數(shù)值接近，在做電流保護(hù)時(shí)應(yīng)考慮列車啟動(dòng)的特殊情況，簡(jiǎn)單大電流脫扣保護(hù)是區(qū)分不出來正常的起動(dòng)狀態(tài)和故障的短路狀態(tài)，整定值應(yīng)避開啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的過電流情況，避免繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作。

4.2 列車中端短路故障模擬

列車在供電分區(qū)中間位置啟動(dòng)，0.1s發(fā)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(dòng)大約耗時(shí)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(wǎng)電流在啟動(dòng)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(shí)出現(xiàn)極大值7400A，而穩(wěn)態(tài)值約為500A。

當(dāng)0.1s發(fā)生短路故障時(shí)，變電所A、B饋出電流均在極短的時(shí)間內(nèi)上升到很大的數(shù)值，達(dá)到了7800A，對(duì)應(yīng)的直流側(cè)電壓下降到80V左右。

因此，當(dāng)列車處于供電分區(qū)中間位置時(shí)，無論是啟動(dòng)或者短路狀態(tài)，變電所A、B饋出電流值大小數(shù)值接近，但是與列車在近端啟動(dòng)時(shí)相比，幅度較小。

5 結(jié)束語

列車的啟動(dòng)過程是短暫的正常工作狀態(tài)，饋線保護(hù)不應(yīng)發(fā)出跳閘命令，而牽引網(wǎng)短路是嚴(yán)重故障狀態(tài)，需要快速可靠的跳閘。從以上分析可以得出：（1）對(duì)于左、右兩變電所饋出電流，列車在供電分區(qū)的啟動(dòng)位置有較大影響。（2）短路電流和啟動(dòng)電流大小接近，簡(jiǎn)單采用過流保護(hù)無法區(qū)分正常啟動(dòng)狀態(tài)與故障短路狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1]于松偉，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M].西南交通大學(xué)出版社，2008.

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