DC 1.5 kV地铁牵引供电系统馈线保护研究

崔天翔



DC 1.5 kV地铁牵引供电系统馈线保护研究

崔天翔

分析了1.5 kV直流牵引供电系统DDL馈线保护的整定计算方法，对某一实际运行的地铁区间建立了数学模型，通过仿真分析了不同地点列车启动电流和故障电流的特点，并完成了对DDL保护的配置，为直流牵引供电系统的保护设计提供参考。

牵引供电；馈线保护；仿真；整定计算

0 引言

城市轨道交通供电系统主要由外部电源、主变电所、牵引供电系统、电力监测系统等组成。

为了保证城市轨道交通安全、可靠运行，对牵引供电系统的可靠保护尤为重要。由于直流牵引供电系统本身固有的性质，当直流馈线发生短路故障时，回路电阻和电感参数的大小对短路电流的影响较大。短路发生在馈线出口附近时，短路电流增加的速率大，短路电流的稳态值也越大；短路发生在馈线中、末端时，由于线路电感和电阻的作用，短路电流变化相对缓慢[1]。电流速断保护和过电流保护装置能够迅速发现并切除馈线近端故障，而对于馈线末端故障，这2种保护装置则不能满足灵敏性和可靠性要求[2]。

本文详细分析了直流牵引供电系统DDL馈线保护的整定计算方法，对某一实际运行的地铁区间建立数学模型，通过仿真计算，对不同地点的列车启动电流和短路电流的特性进行分析，并由此提出DDL保护的整定方案。通过对启动电流与故障电流的分析，验证整定值设置的正确性和合理性。

1 DDL保护工作原理

图1为地铁牵引供电系统原理图。

在直流供电系统中，短路故障发生在馈线不同位置时，短路电流的特性差异较大，而DDL保护则由速断保护和延时保护两部分组成，可迅速发现并切除馈线出口处的短路故障和通过延时切除馈线中、末端的短路故障。

图1 地铁牵引供电系统原理图

DDL保护可连续检测直流馈线电流=()及其电流变化率d/d，并将d/d与斜率设定值（起始门限，即电流上升率启动值）和（复位门限，即电流上升率返回值）进行比较，完成保护动作，其保护动作原理如下：

（1）当电流上升率满足d/d＞，且故障电流增量Δ达到启动电流ΔI时，速断保护装置动作，切除短路故障。

（2）当电流上升率满足＜d/d＜，为保证DDL的选择性和可靠性，对电流上升率的检测将被延时一个时间，延时结束且电流增量Δ2与电流增量返回值ΔI满足D2＞D时，则通过延时保护切除故障。

基于上述分析，可归纳得到速断保护和延时保护的动作方程式。

速断保护动作方程：

式中，d/d为电流上升率；为速断保护电流上升率的起始门限；D1为d/d＞时刻电流增量；D为速断保护的电流增量整定值。

延时保护动作方程：

式中，为延时保护电流上升率的复位门限；D为延时保护电流增量返回值；为延时保护的延时时间；D2为延时时限到达整定值时的电流增量。

DDL保护算法流程如图2所示。

图2 DDL保护算法流程图

为了使DDL保护满足继电保护的“四性”要求，即在列车正常运行状态下，保证保护装置不出现误动；在输出馈线发生故障时，保证保护装置可选择性地及时切除故障线路，DDL保护配置应遵循以下整定原则：

（1）速断保护的起始门限应避开正常启动时的最大电流上升率；延时保护的复位门限应小于越区供电时馈线末端故障电流的初始电流上升率。

（2）速断保护电流增量整定值应避开列车正常启动和经过牵引网分段时的最大冲击电流值；延时保护电流增量返回值应小于馈线末端故障电流的电流增量值。

（3）延时保护延时时间的整定，除需考虑相邻区间之间保护的配合，还需考虑列车运行中因离线等原因引起车内滤波器充电的充电周期，需取两者之间的较大值。

2 地铁供电系统的仿真与保护整定

在地铁牵引供电系统中，正确区分列车启动电流与馈线末端故障电流是保证保护装置可靠动作的关键。为此，建立了基于24脉波整流机组[3]的直流牵引供电系统数学模型。参考文献[4]中的参数，取接触轨单位电阻0.01W/km，牵引网电阻率 0.03W/km，工频测量单位电感1.9 mH/km。直流牵引网馈线长度取3.5 km，采用Matlab/Simulink软件建立模型得到DC 1.5 kV供电系统正常和故障状态下，距离出口1、2、3 km处馈线电流、电压的变化波形。

地铁整流器平均直流输出电压为[5，6]

式中，d0为平均直流输出电压；为输出电压有效值；为角速度。

利用直流系统的短路分析方法进行RL回路的暂态响应分析，短路电流为

() = (/)(1-e-/) （4）

式中，=/为时间常数，、分别为系统等效电感和等效电阻。

2.1 列车启动仿真

列车距馈线出口1、2、3 km处的馈线电流、电压变化波形如图3所示，主要电气参数见表1。

a 距出口1 km

b 距出口2 km

c 距出口3 km

表1 列车启动时的电气参数表

从仿真计算结果可以看出，在启动过程中，列车两端的电压下降明显，启动完成后，电压达到稳态值，且列车启动点距离馈线出口越远，电压的下降率越高；启动瞬间电流急剧上升，其变化率大小与线路阻抗有关，且远远大于稳定值。所以，在微机保护参数配置中应严格遵守DDL保护的整定原则，以保证保护装置可靠动作。

2.2 系统短路仿真

直流牵引供电系统中，通常设备、人为和自然等3个方面的因素可能会导致牵引网发生接地或与走行轨短接故障[7]。在列车正常运行时，故障发生点在距离馈线出口不同位置时，短路电流波形和电源端电压波形如图4所示，主要电气参数见表2。

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短路故障发生后，短路电流迅速增大，特别是在距离馈线出口较近的地方，短路电流稳态值达到列车正常运行时的几十倍；即使在馈线末端，短路电流稳态值也会达到正常稳定电流的10倍左右，且会持续一段时间，所以通过监测短路电流的变化率和增量，并依此对DDL保护进行配置，可以有效切除故障线路。

a 距出口1 km

b 距出口2 km

c 距出口3 km

表2 系统短路时电气参数表

2.3 保护整定

从上述仿真结果可以看出，短路故障发生时，在很短时间内，故障电流的幅值和上升变化率都急剧增加，并且存在一个电流冲击波峰，其变化波形与直流牵引供电系统的直流特性有关。通过对不同位置故障电流波形的比较可知，短路点距离馈线出口越近，电流上升变化率及电流增量越大，在馈线末端发生故障时，电流上升变化率及电流增量相对较小。

分析表1和表2可以看出，不论列车正常启动，还是出现短路故障，最大电流增量和电流变化率均出现在馈线出口处。通过仿真计算，正常工况时最大电流上升率为128.3 A/ms；故障工况下的最大电流上升率为2 318 A/ms，最小电流变化率为 1 049 A/ms。

根据仿真数据以及DDL保护的整定原则，可以计算出该保护的各项参数值，见表3。由此完成DDL保护的配置方案，为下一步微机保护硬件设计提供数据支持。

表3 DDL保护参数表

3 结语

DDL保护现已在北京、上海、南京等多个城市轨道交通中广泛采用。本文首先分析了直流牵引供电系统DDL馈线保护的整定计算方法，然后在Matlab/Simulink中对某一实际运行的地铁区间建立仿真模型，通过仿真计算，对不同地点列车启动电流和短路电流的特性进行分析，并依此得到DDL保护的整定方案，为今后地铁工程设计提供参考。

[1] 高云霞. 直流牵引供电系统继电保护整定计算方法[J]. 电气化铁道，2011，（4）：40-42.

[2] 徐劲松, 高劲, 江平, 等. 浅析地铁直流牵引变电所的保护原理[J]. 电气化铁道，2003，6（2）：13-15.

[3] Chivite-Zabalza, F. Javier,Forsyth, Andrew J.,Trainer, David R.A simple, passive 24-pulse AC-DC converter with inherent load balancing. IEEE Transactions on Power Electronics . 2006.

[4] 孙玮. 城市轨道交通直流牵引系统故障分析及若干问题的研究[D]. 北京：华北电力大学，2005.

[5] 肖涛谷. 地铁直流供电系统模型及直流短路分析[D]. 华南理工大学，2012.

[5] 喻乐. 城市轨道交通供电系统建模与直流馈线保护的研究[D]. 北京：交通大学，2012.

[7] Kongwei, Qinlijun, Yangqixun, et al. DC side short circuit transient simulation of DC traction power supply system. International conference on power system technology, 2004.

On the basis of analyzing the calculation method for settings of DDL feeder protection for 1.5 kV DC traction power supply system, a mathematic model is established for a practical operating subway section, and configuration of DDL protection has been finished after simulation and analysis of characteristics of train starting current and fault current at different locations, these provide references for protection and design of DC traction power supply system.

Traction power supply system; feeder protection; simulation; calculation of settings

U231.8

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1007-936X(2017)02-0055-04

崔天翔.中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，助理工程师，电话：15229883764。

2016-05-21