轨道交通直流牵引网短路故障下馈线电流仿真研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇轨道交通直流牵引网短路故障下馈线电流仿真研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要：文章介绍了轨道交通直流牵引供电系统，分析了24脉波整流器的优点，针对双边供电情况下牵引网不同位置短路故障，利用MATLAB/Simulink仿真研究了馈线电流的变化规律，得出相关结论。

关键词：直流牵引供电；双边供电；馈线电流；仿真

1 概述

城市轨道交通牵引变电所引入两个独立的中压交流电源，并将交流电能转换为直流电能，承担着向电动列车提供直流牵引电能的功能[1]。

为提高直流侧输出电能质量，同时降低交流侧谐波注入，降低对电网的影响，牵引变电所采用24脉波整流方案进行交-直流变换，直流侧母线通过馈线将电能馈入牵引网[1-3]。列车作为牵引负荷，由于位置动态变化，牵引电流大小随线路坡度、列车运行密度改变，且随列车启动、加速、制动变化剧烈，所以馈线电流的幅度变化很大，馈线保护存在困难[4]，但其在保证牵引供电系统向列车安全可靠供电方面发挥着重要作用，防止列车接触线上短路和过负荷现象的发生，即使故障发生，也应能可靠、迅速地切除故障，同时保证列车在正常运行状态下不发生误动作。

文章利用MATLAB中的Simulink工具箱建立牵引变电所24脉波整流模型，利用逆变器和交流异步电机模拟列车牵引负荷。在两侧牵引变电所对列车双边供电时，仿真列车位于供电分区近端、中端的短路故障状态下馈线电流的变化规律。

2 直流牵引供电系统

轨道交通直流牵引供电系统如图1所示，牵引变电所通过整流变压器降压后利用整流器将中压交流电能变为直流，再经过直流馈线，向接触网供电，列车通过接触网获得电能。当列车位于此供电区间内时，列车从左侧变电所A馈线A、右侧变电所B馈线B同时获得电能，即双边供电模式。

整流器采用4组二极管三相桥式整流装置，为无相控整流，即触发延迟角α=0。

利用matlab中的Simulink工具箱，构建24脉波整流电路的仿真模型，如图2所示。

3 24脉波整流器

牵引变电所的作用是将中压网络输入的交流电能降压整流为直流电能，24脉波整流方案具有有效减小输入电流谐波含量、提高功率因数且直流侧电压脉动小、交流侧电流波形正弦化的优势，已成为主流。主要采用两台相同容量轴向双分裂式牵引整流变压器，每台的一组阀侧绕组分别接成Y接和d接法，自然形成30°的相位差。而两台变压器的网侧绕组分别输入+7.5°和-7.5°相位移的三相交流电，从而形成两台变压器的四套阀侧绕组的线电势相差15°相位差，分别经桥式整流后，在直流侧进行并联，形成24脉波整流系统。

空载输出直流电压波形如图3所示，由图可知电压稳定在1600V左右，在一个工频周期内脉动24次，电压稳定性优异。

4 双边供电情况下的牵引网短路

为了获得较大的启动转矩，异步电机有很大的启动电流，进而列车在启动过程中，馈线电流存在一个强烈的冲击。而针对于图1，当供电区间的列车处于双边供电时，列车可能位于不同的位置启动，此时，从左侧变电所A和右侧变电所B馈线馈出的电流差异较大，这里对列车位于供电区间一侧称作近端，列车位于中间位置时称作中端，当发生短路，即接触网与走行轨间绝缘损坏。当列车位于近端、中端时，分析列车启动电流和短路电流的变化规律对馈线保护方案的选择有指导意义。

基于上文牵引变电所的模型，建立双边供电时牵引网仿真模型如图4所示，包括直流牵引变电所Substation A和牵引变电所Substation B、稳压电容C、逆变器和异步牵引电机。开关Breaker用来模拟牵引网短路故障，R1、R2代表了牵引网电阻，设置其大小可以模拟列车在供电区间的位置，而逆变器采用SPWM控制方法。

4.1 列车近端短路故障模拟

列车在距变电所A处启动，0.1s时刻发生近端接触网与走行轨短路故障。

近端变电所A和远端变电所B馈出电流波形如图5所示。

馈电线两端电压波形如图6所示。

电机线电压波形如图7所示。

列车启动时，大约耗时0.06秒，电源端电压逐步上升到1500V，逆变器输出电压为良好的PWM波，牵引网电流在启动过程中存在明显的冲击变化过程，变化幅度较大。其中近端变电所A馈出电流在0.008秒时出现极大值13800A，而稳态值约为1000A，远端变电所B馈出电流在0.005秒时出现极大值5000A，而稳态值约为600A。

当0.1s发生短路故障时，近端变电所A馈出电流和远端变电所B馈出电流均在极短的时间内上升到很大的数值，分别达到了15000A和5000A，对应的直流侧电压降落到了80V左右，这是一种严重的故障状态，会损害设备。

在列车启动时会出现电流值远远大于正常运行时的情况，但短路电流和启动电流大小数值接近，在做电流保护时应考虑列车启动的特殊情况，简单大电流脱扣保护是区分不出来正常的起动状态和故障的短路状态，整定值应避开启动时出现的过电流情况，避免继电保护装置误动作。

4.2 列车中端短路故障模拟

列车在供电分区中间位置启动，0.1s发生短路故障，变电所A（B）馈出电流波形如图8所示。

由图可见，列车启动大约耗时0.08秒，电源端电压逐步上升至1500V，逆变器输出电压为良好的PWM波，牵引网电流在启动过程中存在明显的冲击变化过程，变化幅度较大。其中变电所A、B馈出电流均在0.003秒时出现极大值7400A，而稳态值约为500A。

当0.1s发生短路故障时，变电所A、B馈出电流均在极短的时间内上升到很大的数值，达到了7800A，对应的直流侧电压下降到80V左右。

因此，当列车处于供电分区中间位置时，无论是启动或者短路状态，变电所A、B馈出电流值大小数值接近，但是与列车在近端启动时相比，幅度较小。

5 结束语

列车的启动过程是短暂的正常工作状态，馈线保护不应发出跳闸命令，而牵引网短路是严重故障状态，需要快速可靠的跳闸。从以上分析可以得出：（1）对于左、右两变电所馈出电流，列车在供电分区的启动位置有较大影响。（2）短路电流和启动电流大小接近，简单采用过流保护无法区分正常启动状态与故障短路状态。

参考文献

[1]于松伟，杨兴山，韩连祥，等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].西南交通大学出版社，2008.

[2]刘文正.城市轨道交通牵引电气化概论[M].北京交通大学出版社，2012.

[3]黄德胜，张巍.地下铁道供电[M].中国电力出版社，2010.

[4]贺家李，宋丛矩.电力系统继电保护原理（增订版）[M].中国电力出版社，2004.