牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)短路故障分析

張永祥 劉 巖

1.中鐵電氣化局集團有限公司；2.中鐵電氣化局集團有限公司

直流牽引供電系統(tǒng)在城市軌道交通中有著廣泛的應用。當直流牽引網(wǎng)發(fā)生短路故障時，短路電流會快速增大，這對系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生影響。因而研究牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)短路故障，對于地鐵的正常運營具有重要意義。

概述

近年來，我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，城市化進程逐步加快。城市軌道交通在節(jié)約空間、客運質(zhì)量、節(jié)約能源、空氣質(zhì)量、景觀質(zhì)量等方面有顯著的優(yōu)勢，逐步成為許多城市交通發(fā)展的首選。

目前，我國城市軌道交通系統(tǒng)普遍采用DC750V 或DC1500V 供電，直流牽引供電系統(tǒng)是城市軌道交通系統(tǒng)重要組成部分。牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)易出現(xiàn)短路故障，短路電流過高，對城市軌道交通系統(tǒng)的安全運營造成嚴重的影響。所以就城市軌道交通系統(tǒng)的安全運行而言，研究牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)短路故障具有十分顯著的現(xiàn)實意義。

直流牽引供電系統(tǒng)

在直流牽引供電系統(tǒng)中，高壓交流電通過牽引變電所變成機車運行所需的低壓直流電。低壓直流電在接觸網(wǎng)上傳輸，機車通過受流器與接觸網(wǎng)接觸而獲得電能。牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所和接觸網(wǎng)構(gòu)成。牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

牽引變電所通過接觸網(wǎng)向機車供電，電流驅(qū)動機車運行后經(jīng)走行軌返回變電站負極。在實際運行中，牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)易出現(xiàn)短路故障，會對系統(tǒng)運行造成影響。

直流側(cè)短路故障分析

城市軌道交通系統(tǒng)中，牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)短路故障主要有正極對負極短路與正極對地短路兩種類型。正極對負極短路指的是接觸網(wǎng)對走行鋼軌短路，正極對地短路指的是接觸網(wǎng)對地短路。

正極對地短路故障

直流牽引供電系統(tǒng)中，直流供電設(shè)備除了采用對地絕緣安裝方式外，在設(shè)備金屬外殼與地之間還需設(shè)置直流框架泄漏保護。當供電設(shè)備的電流泄漏到設(shè)備柜體上時，牽引變電所正極與設(shè)備柜體外殼發(fā)生短路，形成牽引網(wǎng)正極對地短路故障。另外，使用接觸軌（第三軌）饋電方式系統(tǒng)運行中后期，絕緣支座發(fā)生絕緣老化等情況，會造成接觸軌與地發(fā)生短路故障。此外，對于高架段接觸網(wǎng)，由于這段線路接觸網(wǎng)是露天的，在雷雨天氣，雷擊可能會造成接觸網(wǎng)絕緣部件閃絡(luò)放電，造成接觸網(wǎng)與架空地線短路，即正極對地短路。正極對地短路故障示意圖如圖2 所示。

正極對走行軌短路故障

圖1

圖2 正極對地短路故障示意圖

圖3 接觸網(wǎng)對走行軌短路示意圖

圖4 走行軌對地模型

正極對走行軌短路，即饋電接觸網(wǎng)對走行軌短路，主要是由機車故障等外部原因引起的。接觸網(wǎng)對走行軌發(fā)生短路故障時，短路電流隨短路故障點離牽引變電所的距離不同，表現(xiàn)出的特性有很大不同。當離牽引變電所較近處發(fā)生短路故障時，線路中產(chǎn)生的沖擊電流會很大，且短路電流上升變化率很大；隨著短路故障點離牽引變電所越來越遠，短路電流曲線近似于指數(shù)函數(shù)曲線，且電流上升變化率較小，電流幅值也較小，這個過程的電流情況一般與多機車同時取流時相似，這就造成實際運行中遠端發(fā)生短路故障時難以區(qū)分短路電流與機車啟動電流的情況，造成短路故障修復的延時。接觸網(wǎng)對走行軌短路示意圖如圖3所示。

直流側(cè)短路故障電流仿真

牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)發(fā)生短路故障時，接觸網(wǎng)上出現(xiàn)的短路電流由該供電區(qū)間上的所有牽引變電所提供，其中，短路故障點所在區(qū)間的2 個牽引變電所饋給電流最大，其次是離短路故障點所在區(qū)間兩側(cè)較近的2 個牽引變電所。

牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)供電模型

搭建模型的過程中，由于短路故障發(fā)生是瞬時的，導致電流變化率很大。由于暫態(tài)參數(shù)的存在，系統(tǒng)中必然會出現(xiàn)一個暫態(tài)的過程。根據(jù)文獻和文獻選取模型中的基本參數(shù)。

走行軌對地模型如圖4 所示。

直流側(cè)短路故障電流仿真

在Matlab/Simulink 仿真環(huán)境下，搭建牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)短路故障仿真模型。仿真模型中主要參數(shù)設(shè)置如下：走行軌單位內(nèi)阻為30mΩ/km，走行軌單位內(nèi)電感為1.75mH/km；接觸網(wǎng)單位電阻為28mΩ/km，接觸網(wǎng)單位內(nèi)電感為2.6mH/km；走行軌對地過渡電阻取3Ω·km，小電阻Rf 取0.001 Ω。

圖5 距A 所500m 處短路故障時，A、B 所饋線電流

圖6 距A 所1km 處短路故障時，A、B 所饋線電流

圖7 距A 所1.5km 處短路故障時，A、B 所饋線電流

當0.1s 時距離變電所A 500m、1000m、1.5km 處發(fā)生短路故障時，牽引所A、B 側(cè)的短路電流波形如圖5～7所示。

通過搭建模型與仿真，得到直流側(cè)短路故障電流波形。根據(jù)短路電流波形可知，當供電區(qū)間發(fā)生短路故障時，線路上會產(chǎn)生很大的暫態(tài)電流，短路電流上升變化率很大，短路電流穩(wěn)態(tài)值也很大；隨著短路故障發(fā)生點離相鄰變電所越來越遠，短路電流上升變化率隨之減小，短路電流穩(wěn)態(tài)值也逐漸減小。此外，當短路故障點離兩側(cè)牽引所的距離相近時，兩側(cè)牽引所的電流波形也相近。

總結(jié)

本文首先對城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)短路故障類型進行分析，在該基礎(chǔ)上，利用Matlab/Simulink 軟件建立了直流側(cè)短路故障電流的仿真模型，進而分析了短路故障電流與故障發(fā)生點所在位置的關(guān)系。