牵引供电系统直流侧短路故障分析

2014-01-06张永祥

中国科技信息 2014年23期

关键词：变电所接触网机车

张永祥刘岩

1.中铁电气化局集团有限公司；2.中铁电气化局集团有限公司

直流牵引供电系统在城市轨道交通中有着广泛的应用。当直流牵引网发生短路故障时，短路电流会快速增大，这对系统的正常运行产生影响。因而研究牵引供电系统直流侧短路故障，对于地铁的正常运营具有重要意义。

概述

近年来，我国经济飞速发展，城市化进程逐步加快。城市轨道交通在节约空间、客运质量、节约能源、空气质量、景观质量等方面有显著的优势，逐步成为许多城市交通发展的首选。

目前，我国城市轨道交通系统普遍采用DC750V 或DC1500V 供电，直流牵引供电系统是城市轨道交通系统重要组成部分。牵引供电系统直流侧易出现短路故障，短路电流过高，对城市轨道交通系统的安全运营造成严重的影响。所以就城市轨道交通系统的安全运行而言，研究牵引供电系统直流侧短路故障具有十分显著的现实意义。

直流牵引供电系统

在直流牵引供电系统中，高压交流电通过牵引变电所变成机车运行所需的低压直流电。低压直流电在接触网上传输，机车通过受流器与接触网接触而获得电能。牵引供电系统主要由牵引变电所和接触网构成。牵引供电系统结构示意图如图1 所示。

牵引变电所通过接触网向机车供电，电流驱动机车运行后经走行轨返回变电站负极。在实际运行中，牵引供电系统直流侧易出现短路故障，会对系统运行造成影响。

直流侧短路故障分析

城市轨道交通系统中，牵引供电系统直流侧短路故障主要有正极对负极短路与正极对地短路两种类型。正极对负极短路指的是接触网对走行钢轨短路，正极对地短路指的是接触网对地短路。

正极对地短路故障

直流牵引供电系统中，直流供电设备除了采用对地绝缘安装方式外，在设备金属外壳与地之间还需设置直流框架泄漏保护。当供电设备的电流泄漏到设备柜体上时，牵引变电所正极与设备柜体外壳发生短路，形成牵引网正极对地短路故障。另外，使用接触轨（第三轨）馈电方式系统运行中后期，绝缘支座发生绝缘老化等情况，会造成接触轨与地发生短路故障。此外，对于高架段接触网，由于这段线路接触网是露天的，在雷雨天气，雷击可能会造成接触网绝缘部件闪络放电，造成接触网与架空地线短路，即正极对地短路。正极对地短路故障示意图如图2 所示。

正极对走行轨短路故障

图1

图2 正极对地短路故障示意图

图3 接触网对走行轨短路示意图

图4 走行轨对地模型

正极对走行轨短路，即馈电接触网对走行轨短路，主要是由机车故障等外部原因引起的。接触网对走行轨发生短路故障时，短路电流随短路故障点离牵引变电所的距离不同，表现出的特性有很大不同。当离牵引变电所较近处发生短路故障时，线路中产生的冲击电流会很大，且短路电流上升变化率很大；随着短路故障点离牵引变电所越来越远，短路电流曲线近似于指数函数曲线，且电流上升变化率较小，电流幅值也较小，这个过程的电流情况一般与多机车同时取流时相似，这就造成实际运行中远端发生短路故障时难以区分短路电流与机车启动电流的情况，造成短路故障修复的延时。接触网对走行轨短路示意图如图3所示。

直流侧短路故障电流仿真

牵引供电系统直流侧发生短路故障时，接触网上出现的短路电流由该供电区间上的所有牵引变电所提供，其中，短路故障点所在区间的2 个牵引变电所馈给电流最大，其次是离短路故障点所在区间两侧较近的2 个牵引变电所。

牵引供电系统直流侧供电模型

搭建模型的过程中，由于短路故障发生是瞬时的，导致电流变化率很大。由于暂态参数的存在，系统中必然会出现一个暂态的过程。根据文献和文献选取模型中的基本参数。

走行轨对地模型如图4 所示。

直流侧短路故障电流仿真

在Matlab/Simulink 仿真环境下，搭建牵引供电系统直流侧短路故障仿真模型。仿真模型中主要参数设置如下：走行轨单位内阻为30mΩ/km，走行轨单位内电感为1.75mH/km；接触网单位电阻为28mΩ/km，接触网单位内电感为2.6mH/km；走行轨对地过渡电阻取3Ω·km，小电阻Rf 取0.001 Ω。

图5 距A 所500m 处短路故障时，A、B 所馈线电流

图6 距A 所1km 处短路故障时，A、B 所馈线电流

图7 距A 所1.5km 处短路故障时，A、B 所馈线电流

当0.1s 时距离变电所A 500m、1000m、1.5km 处发生短路故障时，牵引所A、B 侧的短路电流波形如图5～7所示。

通过搭建模型与仿真，得到直流侧短路故障电流波形。根据短路电流波形可知，当供电区间发生短路故障时，线路上会产生很大的暂态电流，短路电流上升变化率很大，短路电流稳态值也很大；随着短路故障发生点离相邻变电所越来越远，短路电流上升变化率随之减小，短路电流稳态值也逐渐减小。此外，当短路故障点离两侧牵引所的距离相近时，两侧牵引所的电流波形也相近。