直流牽引網(wǎng)穩(wěn)態(tài)短路電流計(jì)算

黃維軍，周 密，王 瀅

0 引言

通過對(duì)城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)短路過程的分析計(jì)算，正確選擇和校驗(yàn)電器設(shè)備，完善直流供電系統(tǒng)保護(hù)裝置的設(shè)置和整定值計(jì)算的原則方法，提高供電系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

1 牽引供電系統(tǒng)模型

城市軌道交通牽引供電網(wǎng)系統(tǒng)，全線有若干個(gè)牽引變電所，分別通過上下行接觸網(wǎng)供電給列車，然后經(jīng)過軌道回流。將各牽引變電所等效成帶內(nèi)阻的電壓源，列車等效成電流源從牽引網(wǎng)上取流，各接觸網(wǎng)和軌道以電阻替代，得到牽引供電計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 牽引供電計(jì)算模型示意圖

2 整流機(jī)組外特性模型

整流機(jī)組的外特性是指直流輸出端電壓隨其負(fù)荷電流或短路電流變化的關(guān)系曲線，它和整流變壓器的阻抗有關(guān)，而且和整流器特性及其整流接線方式、有無平衡電抗器以及整流時(shí)的換相重疊角等多種因子有關(guān)。三相6脈波整流器采用3折線模型，12脈波整流器呈5段線性化。24脈波整流器可以等效成2個(gè)12脈波整流器并聯(lián)工作，則它的外特性曲線與2個(gè)12脈波整流器并聯(lián)輸出曲線大致吻合。12脈波整流機(jī)組外特性與耦合系數(shù)K有關(guān)，各區(qū)段電壓電流表達(dá)式為

得Vd1→d2的臨界點(diǎn)為

Vd2→d3的臨界點(diǎn)為

Vd3→d4的臨界點(diǎn)為

Vd4→d5-1的臨界點(diǎn)為

Vd5-1→d5-2的臨界點(diǎn)為

式中，Xc為換相電抗；Id為整流機(jī)組負(fù)荷電流；Vd0為直流側(cè)空載電壓；在時(shí)，12脈波整流電路電壓調(diào)整特性，用Vd1～Vd5-1區(qū)段表示，Vd5-2狀態(tài)不出現(xiàn)。當(dāng)耦合系數(shù)時(shí)，整流機(jī)組電壓調(diào)整特性用Vd1～Vd4表示，Vd5-1狀態(tài)不再出現(xiàn)。

整流機(jī)組各工作區(qū)段輸出特性曲線，即整流機(jī)組外特性如圖2所示。

圖2 12脈波整流機(jī)組外特性曲線圖

3 短路電流計(jì)算

利用整流機(jī)組外特性計(jì)算穩(wěn)態(tài)短路電流，將整流機(jī)組等效成帶有內(nèi)阻的直流電壓源。各工作區(qū)段直線表達(dá)式的斜率即為電壓源內(nèi)阻，截矩即為等效理想電壓源數(shù)值。各工作區(qū)段等效如圖3所示。

圖3 12脈波整流機(jī)組穩(wěn)態(tài)等效電路圖

采用雙邊供電的牽引供電系統(tǒng)中，若某處發(fā)生短路故障，所有的牽引變電所都將向短路點(diǎn)輸入短路電流，每個(gè)牽引變電所整流機(jī)組工作區(qū)段不同，因此計(jì)算某點(diǎn)穩(wěn)態(tài)短路電流時(shí)，必須采用迭代方法，考慮線路上所有整流機(jī)組均工作在第一工作區(qū)段，根據(jù)整流機(jī)組的等效電路，計(jì)算各整流機(jī)組的穩(wěn)態(tài)短路電流是否在設(shè)定的工作區(qū)段，不在則調(diào)整到下一工作區(qū)段，直到在假設(shè)區(qū)段內(nèi)收斂。

4 計(jì)算算例

24脈波整流機(jī)組額定容量2 500 kV·A，網(wǎng)側(cè)額定電壓35 kV，閥側(cè)額定電壓1 180 V，整流變壓器換相電抗百分比14.9%，負(fù)載損耗13.2 kW，變壓器耦合系數(shù)0.076。新官區(qū)間變電站35 kV側(cè)進(jìn)線電抗4.71 Ω，官橋變電站35 kV側(cè)進(jìn)線電抗5.34 Ω，三軌直流電阻0.008 3 Ω/km，鋼軌直流電阻0.013 68 Ω/km，考慮200 V的弧光電壓。

由以上參數(shù)得出新官區(qū)間、官橋各工作區(qū)段臨界點(diǎn)及負(fù)荷范圍如表1、表2所示。

表1 新官區(qū)間整流機(jī)組各工作區(qū)段臨界點(diǎn)及負(fù)荷范圍表

表2 官橋整流機(jī)組各工作區(qū)段臨界點(diǎn)及負(fù)荷范圍表

假設(shè)在新官區(qū)間至官橋三軌對(duì)鋼軌短路，短路點(diǎn)離新官區(qū)間d= 100 m，短路故障時(shí)，均假設(shè)2個(gè)整流機(jī)組工作在第一區(qū)段；假設(shè)新官區(qū)間整流機(jī)組工作在第一區(qū)段，即整流機(jī)組等效電壓源Vsl=1 663.8 V，等效電壓源內(nèi)阻Reql= 0.022 4 Ω，R為饋線電阻、回流電阻、接觸網(wǎng)電阻和軌道電阻之和，U0為弧光電壓200 V。

由表1知短路電流未在第一區(qū)段0～4 982.5 A范圍內(nèi)，即整流機(jī)組未工作在第一區(qū)段。繼續(xù)假設(shè)整流機(jī)組工作在第二區(qū)段，重復(fù)以上步驟，直到短路電流在所假設(shè)的工作區(qū)段內(nèi)，即表示故障發(fā)生時(shí)，整流機(jī)組工作在該區(qū)段，此時(shí)所計(jì)算的即為穩(wěn)態(tài)短路電流。一直計(jì)算到第五工作區(qū)段，等效電壓源Vsl= 3 013.7 V，等效電壓源內(nèi)阻Reql=0.076 1 Ω，

由以上計(jì)算知短路故障發(fā)生時(shí)，官橋整流機(jī)組工作在第三區(qū)段，短路電流：

雙邊供電，相鄰的牽引變電所在接觸網(wǎng)不同處短路時(shí)，短路點(diǎn)位置與短路電流關(guān)系如圖4。

圖4 新官區(qū)間—官橋三軌對(duì)鋼軌短路電流曲線圖

5 結(jié)束語

軌道交通直流牽引網(wǎng)短路故障分析計(jì)算可以為供電系統(tǒng)繼電保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)置提供可靠依據(jù)。本文首先建立牽引供電系統(tǒng)模型，利用整流機(jī)組外特性呈分段線性化，計(jì)算牽引供電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)短路電流。

[1]烏正康，楊其華.地鐵牽引供電網(wǎng)短路穩(wěn)態(tài)仿真分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，1992，15（1）.

[2]BROWN, I.C, ALLAN, J and MELLllT, U.Six-pulse three-phase rectifier bridge models for calculating closeup and remote short circuit transients on DC supplied railways IEE Proc.U, Electr Power Appl,1991,138,(6),pp,303-310.

[3]Paolo P.Transient and steady-state short-circuit currents in rectifiers for DC traction supply[J].IEEE Trans on Vehicular Technology,1998,47(4):1390.

[4]李良威.城市軌道交通直流側(cè)短路故障研究[D].西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.