軌道交通直流牽引系統(tǒng)繼電保護(hù)仿真軟件的研究

鄭大千，王慧芳，何奔騰

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027)

0 引言

作為城市軌道交通電力系統(tǒng)的重要組成部分，直流牽引供電系統(tǒng)的仿真技術(shù)一直備受關(guān)注，國(guó)外已有一些相對(duì)成熟的分析軟件，如德國(guó)ELBAS 公司的SINANET、德國(guó)IFB 公司的OpenPowerNet、美國(guó)Carnegie-Mellon 大學(xué)的EMM 等，國(guó)內(nèi)的一些設(shè)計(jì)院和科研所也自行開(kāi)發(fā)了一些相關(guān)的軟件。這些軟件大都是針對(duì)電力機(jī)車(chē)和牽引供電裝置的實(shí)時(shí)運(yùn)行進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，旨在輔助城軌電網(wǎng)的設(shè)計(jì)和建設(shè);但是針對(duì)牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)仿真的軟件研究還很欠缺［1-5］。

與交流系統(tǒng)相比，軌道交通直流系統(tǒng)的繼電保護(hù)定值計(jì)算與校驗(yàn)手段相對(duì)落后。由于缺乏統(tǒng)一的整定規(guī)程，往往由技術(shù)人員根據(jù)保護(hù)裝置的說(shuō)明書(shū)，結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)給出，線路正式投運(yùn)之前，會(huì)進(jìn)行列車(chē)的試運(yùn)行，在此過(guò)程中，如果未發(fā)生開(kāi)關(guān)跳閘等異?，F(xiàn)象，則校驗(yàn)成功，系統(tǒng)將正式投入運(yùn)行。顯然，這種校驗(yàn)方式是不夠充分的，僅能夠保證在部分正常運(yùn)行情況下保護(hù)不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)，無(wú)法保證在故障或異常情況下保護(hù)能夠及時(shí)、正確地動(dòng)作。即使考慮周全，試驗(yàn)系統(tǒng)上的校驗(yàn)也無(wú)法考慮到所有復(fù)雜情況，而且隨著線路復(fù)雜性的提高，工作量的加大，出現(xiàn)錯(cuò)誤的幾率也會(huì)隨之增高，這與城市交通對(duì)安全性的高要求不相匹配。

本研究針對(duì)軌道交通直流牽引系統(tǒng)的繼電保護(hù)定值缺乏有效驗(yàn)證手段的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的仿真校驗(yàn)軟件。

1 直流牽引供電系統(tǒng)保護(hù)仿真軟件的需求

軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)主要特征如下:①一條運(yùn)行線路上分布著若干個(gè)牽引變電站，牽引變電站中的整流機(jī)組將交流電流整流后提供給直流牽引網(wǎng)，為列車(chē)供電。直流牽引網(wǎng)由直流母線、饋線、回流線、接觸網(wǎng)、鋼軌和架空地線構(gòu)成，運(yùn)行中的列車(chē)通過(guò)受電弓從接觸網(wǎng)上獲得電能，再由鋼軌回流;②為了方便故障的切除，接觸網(wǎng)是分段的，每段接觸網(wǎng)由兩側(cè)的牽引變電站共同供電，保護(hù)裝置安裝在站內(nèi)的饋線開(kāi)關(guān)上，當(dāng)某段線路發(fā)生短路時(shí)，兩側(cè)的饋線開(kāi)關(guān)都要跳開(kāi)，以實(shí)現(xiàn)故障切除;③電動(dòng)機(jī)車(chē)是系統(tǒng)的唯一負(fù)荷，由于列車(chē)啟停和位置變動(dòng)等原因，負(fù)荷電流的波動(dòng)范圍較大。典型的雙邊供電直流牽引系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 雙邊供電直流牽引系統(tǒng)示意圖

供電系統(tǒng)保護(hù)仿真軟件需要具備如下功能:

(1)圖形界面。要實(shí)現(xiàn)的功能包括:①對(duì)一些需要由用戶(hù)給定的數(shù)據(jù)，軟件為其提供錄入界面;②提供圖形建模區(qū)域以及與軌道交通實(shí)際設(shè)備相對(duì)應(yīng)的圖元工具箱;③提供軟件功能觸發(fā)按鈕，用戶(hù)可以通過(guò)該接口觸發(fā)短路電流計(jì)算功能和保護(hù)定值校驗(yàn)功能;④能夠輸出軟件的運(yùn)行結(jié)果，用戶(hù)可以查詢(xún)各個(gè)開(kāi)關(guān)處的短路電流及保護(hù)定值校驗(yàn)單。

(2)短路電流計(jì)算功能。由于系統(tǒng)負(fù)荷的波動(dòng)性較大，僅進(jìn)行穩(wěn)態(tài)短路電流計(jì)算不足以區(qū)分正常的負(fù)荷波動(dòng)和較小的短路電流，因此，軟件需要同時(shí)采用穩(wěn)態(tài)短路計(jì)算模型和暫態(tài)短路計(jì)算模型，通過(guò)對(duì)短路后饋線開(kāi)關(guān)處暫態(tài)電流波形的分析，實(shí)現(xiàn)故障和負(fù)荷波動(dòng)的區(qū)分。

(3)保護(hù)定值校驗(yàn)功能。在滿(mǎn)足選擇性、靈敏性和速動(dòng)性3 個(gè)基本要求的前提下，軟件在校驗(yàn)過(guò)程中，既要能夠?qū)蝹€(gè)保護(hù)進(jìn)行校驗(yàn)(其他保護(hù)閉鎖)，也要能夠?qū)ΡＷo(hù)之間的配合進(jìn)行校驗(yàn):①區(qū)內(nèi)故障時(shí)兩端的饋線開(kāi)關(guān)能夠快速跳開(kāi);②區(qū)外故障時(shí)饋線開(kāi)關(guān)不能跳開(kāi);③列車(chē)啟停電流的波動(dòng)不能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。制定校驗(yàn)規(guī)程時(shí)必須要遵循這3 條原則。

2 軟件的結(jié)構(gòu)及功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件的功能組成

軟件的主要功能:在分析各類(lèi)接觸網(wǎng)短路條件下，饋線開(kāi)關(guān)處短路電流的分布狀況，校驗(yàn)開(kāi)關(guān)所配置的繼電保護(hù)整定值是否合理并給出修改意見(jiàn)。軟件旨在減少饋線開(kāi)關(guān)保護(hù)的誤動(dòng)和拒動(dòng)，指導(dǎo)運(yùn)營(yíng)人員修改不合理的保護(hù)整定值。

該軟件的功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件的功能架構(gòu)圖

該軟件架構(gòu)中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入功能為用戶(hù)提供訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的界面，實(shí)現(xiàn)添加建模及仿真所必須的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如各種型號(hào)的導(dǎo)線模型，各種型號(hào)電動(dòng)機(jī)車(chē)啟停的負(fù)荷電流模型，線路實(shí)際運(yùn)行的保護(hù)整定單等。圖形建模功能為用戶(hù)提供圖元工具箱，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建軌道交通電路圖的繪制和參數(shù)錄入，拓?fù)錂z查成功后存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。仿真功能使用接口為用戶(hù)提供使用短路電流計(jì)算和保護(hù)定值校驗(yàn)?zāi)K的界面。短路電流計(jì)算和保護(hù)定值校驗(yàn)是系統(tǒng)的核心計(jì)算模塊，它們從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取計(jì)算模型，并將計(jì)算結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。用戶(hù)通過(guò)圖形界面所提供的查詢(xún)窗口查看各個(gè)開(kāi)關(guān)的短路電流情況和保護(hù)定值的校驗(yàn)結(jié)果。

2.2 圖形界面

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入。在建模和仿真的過(guò)程中，需要從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由用戶(hù)根據(jù)實(shí)際情況提前錄入。其數(shù)據(jù)錄入的類(lèi)型如下:

①材料模型錄入。錄入當(dāng)前軌道交通中常用的材料類(lèi)型，以便用戶(hù)在圖形建模過(guò)程中，按照線路的實(shí)際情況選擇材料。當(dāng)材料類(lèi)型不足時(shí)，可以在該錄入界面下添加新材料類(lèi)型并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

②電動(dòng)機(jī)車(chē)負(fù)荷電流曲線錄入。電動(dòng)機(jī)車(chē)是直流牽引供電系統(tǒng)的唯一負(fù)荷，機(jī)車(chē)的頻繁啟停會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷電流的較大波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)，因此，機(jī)車(chē)負(fù)荷電流曲線將作為校驗(yàn)保護(hù)定值的一項(xiàng)依據(jù)。這里的機(jī)車(chē)負(fù)荷電流曲線是指，車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，饋線開(kāi)關(guān)處所檢測(cè)到的電流與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系。負(fù)荷電流曲線會(huì)根據(jù)車(chē)型和線路的具體情況發(fā)生變化，一般應(yīng)該由用戶(hù)將現(xiàn)場(chǎng)錄波儀器所采集到的負(fù)荷電流數(shù)據(jù)錄入軟件中，若現(xiàn)場(chǎng)無(wú)錄波儀器，則根據(jù)車(chē)型選擇軟件提供的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷曲線作為后續(xù)定值校驗(yàn)的依據(jù)。

③保護(hù)整定單錄入。保護(hù)定值校驗(yàn)需要由用戶(hù)提供待校驗(yàn)的保護(hù)定值整定單，軟件的圖形界面提供了錄入接口。

(2)圖形建模。圖形建模是應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互所必備的基礎(chǔ)功能。該軟件的一大核心特色就是圖模一體化，用戶(hù)通過(guò)對(duì)軟件提供的圖形元件進(jìn)行參數(shù)修改和連接，搭建模擬實(shí)際線路的系統(tǒng)，有別于Simulink 等大型電力仿真軟件，該軟件的圖形建模功能有如下兩個(gè)特色:

①提供了軌道交通建模所需的圖元工具箱，圖形元件分別對(duì)應(yīng)于軌道交通中常見(jiàn)的電氣構(gòu)件;元件參數(shù)根據(jù)城軌交通的自身特點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)整，同時(shí)添加了一些軌道交通所獨(dú)有的復(fù)合元件(如鋼軌，接觸網(wǎng)等)。用戶(hù)建模時(shí)，不需要再對(duì)各個(gè)元件進(jìn)行阻抗上的折算，只需根據(jù)實(shí)際情況，輸入線路距離、選擇材料類(lèi)型和電壓等級(jí)。

②當(dāng)系統(tǒng)較大時(shí)，軟件允許將之拆分成幾個(gè)子系統(tǒng)，分列在不同的圖層中。軟件提供的“拷貝”功能，支持同名元件同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)子系統(tǒng)中，這樣設(shè)定的好處是，節(jié)省建模時(shí)間的同時(shí)，還可以通過(guò)這一元件實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)之間的互聯(lián)，增加建模圖形的可讀性。

(3)仿真功能使用接口。軟件的仿真功能使用接口為用戶(hù)提供了使用短路電流計(jì)算和保護(hù)定值校驗(yàn)功能的入口界面。進(jìn)行短路電流計(jì)算時(shí)，軟件提供故障類(lèi)型和故障位置的設(shè)置界面，故障信息輸入完成后，軟件調(diào)用短路電流計(jì)算模塊，并將運(yùn)算結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

進(jìn)行保護(hù)定值校驗(yàn)時(shí)，軟件提供保護(hù)校驗(yàn)設(shè)置界面，用戶(hù)可以對(duì)單一保護(hù)進(jìn)行校驗(yàn)，也可以進(jìn)行所有保護(hù)的全自動(dòng)校驗(yàn)，還可以對(duì)某些不關(guān)心的保護(hù)進(jìn)行閉鎖，設(shè)置完成后，軟件調(diào)用保護(hù)定值校驗(yàn)?zāi)K，并將運(yùn)算結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

(4)運(yùn)行結(jié)果查詢(xún)。仿真完成后，用戶(hù)可以在軟件提供的查詢(xún)窗口中查看短路電流計(jì)算結(jié)果和保護(hù)定值校驗(yàn)結(jié)果。

2.3 短路電流計(jì)算

直流牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)短路的仿真過(guò)程中，該軟件同時(shí)采用了穩(wěn)態(tài)短路計(jì)算模型和暫態(tài)短路計(jì)算模型，前者可以得到故障后各個(gè)饋線開(kāi)關(guān)處的穩(wěn)態(tài)電流值，后者可以得到短路發(fā)生瞬時(shí)各個(gè)饋線開(kāi)關(guān)處的電流變化情況。

穩(wěn)態(tài)短路計(jì)算模型。直流牽引供電系統(tǒng)由整流機(jī)組和牽引網(wǎng)兩部分組成，牽引網(wǎng)中的各類(lèi)電氣元件(如鋼軌、直流饋線等)在穩(wěn)態(tài)仿真時(shí)都可用阻抗參數(shù)來(lái)等效，關(guān)鍵在于如何確定整流機(jī)組的電壓電流外特性。

文獻(xiàn)［6］從經(jīng)典的6 脈波整流機(jī)組3 折線模型出發(fā)，推導(dǎo)得出了12 脈波整流機(jī)組的5 折線模型，而現(xiàn)今上海、南京等大多數(shù)城市地鐵所普遍采用的等效24脈波整流機(jī)組是由兩個(gè)12 脈波整流機(jī)組并聯(lián)而成，這種條件下，5 折線模型同樣適用。

針對(duì)主流的等效24 脈波整流機(jī)組，該軟件采用上述的5 折線外特性模型，每段折線分別對(duì)應(yīng)一個(gè)工作區(qū)間。計(jì)算開(kāi)始時(shí)，假定所有機(jī)組都工作于第一區(qū)間，如果有任意一臺(tái)機(jī)組的輸出負(fù)荷不在其工作區(qū)間內(nèi)，則對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的流程如圖3所示。

實(shí)際上，當(dāng)某段線路發(fā)生短路時(shí)，只需對(duì)短路點(diǎn)兩側(cè)各兩個(gè)站(共4 站)進(jìn)行機(jī)組工作區(qū)間的調(diào)整，其他整流機(jī)組距離遠(yuǎn)，提供的短路電流小，可以忽略不計(jì)。因此，即使線路復(fù)雜，軟件也能有較快的運(yùn)行速度。計(jì)算結(jié)束后，穩(wěn)態(tài)短路電流計(jì)算的結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

暫態(tài)短路計(jì)算模型。暫態(tài)電流計(jì)算涉及的因素較為復(fù)雜。一方面，隨著負(fù)載電流的變化，整流機(jī)組的工作區(qū)間會(huì)發(fā)生改變，等效內(nèi)阻也必然隨之改變;另一方面，短路位置的不同，外部等效阻抗也會(huì)發(fā)生變化。暫態(tài)短路電流很難用一種模型準(zhǔn)確計(jì)算。

圖3 機(jī)組工作區(qū)間確定流程

在計(jì)算接觸網(wǎng)短路暫態(tài)電流的研究中，國(guó)內(nèi)外普遍將其分為近端短路和遠(yuǎn)端短路。文獻(xiàn)［7］中給出了接觸網(wǎng)近端短路的計(jì)算模型，它忽略了外部線路的阻抗，通過(guò)分析整流橋臂的導(dǎo)通情況，最終得到出口短路的暫態(tài)電流公式;文獻(xiàn)［8］中給出了接觸網(wǎng)遠(yuǎn)端短路的計(jì)算模型，因?yàn)檎髌鲀?nèi)阻可以忽略，而短路位置及短路類(lèi)型確定后，在不考慮集膚效應(yīng)的前提下，外電路的阻抗也能夠確定，所以，理想條件下短路電流呈簡(jiǎn)單的指數(shù)曲線上升。

實(shí)際條件下，必然存在“兩個(gè)阻抗數(shù)量級(jí)相當(dāng)，互相都不能忽略”的情況，因此，僅僅依靠這兩種模型是不足以準(zhǔn)確得到接觸網(wǎng)任意位置短路的暫態(tài)電流波形的。針對(duì)這種情況，本研究進(jìn)行了深入的研究，得到了一種折中的模型［9］，該模型的核心思想是，將兩種經(jīng)典模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行加權(quán)處理，再相加作為最終的計(jì)算結(jié)果，權(quán)重系數(shù)與短路位置(在公式中體現(xiàn)為外阻抗的電阻值和電抗值)存在著一定的函數(shù)關(guān)系，距離出口越近近端短路模型越占主導(dǎo)作用，距離出口越遠(yuǎn)遠(yuǎn)端短路模型越占主導(dǎo)作用。仿真實(shí)驗(yàn)證明，在短路之后的幾個(gè)周波內(nèi)，該模型的計(jì)算值是準(zhǔn)確的，可以滿(mǎn)足后續(xù)的校驗(yàn)需求。

2.4 保護(hù)定值校驗(yàn)

軌道交通直流牽引系統(tǒng)的保護(hù)裝置配置在饋線開(kāi)關(guān)上，以西門(mén)子公司生產(chǎn)的Sitras Pro 裝置為例，配置的保護(hù)包括:電流速斷保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、電流上升率保護(hù)、電流增量保護(hù)、欠壓保護(hù)和阻抗保護(hù)等。該軟件的校驗(yàn)功能包含兩部分:對(duì)單一保護(hù)原理的校驗(yàn)以及支持保護(hù)閉鎖的全自動(dòng)校驗(yàn)。

單一保護(hù)原理的校驗(yàn)。該軟件對(duì)單一保護(hù)原理進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，需要閉鎖其他保護(hù)原理。軌道交通直流牽引系統(tǒng)的主保護(hù)包括電流速斷保護(hù)，以及電流斜率保護(hù)［10］，后者又包括電流增量保護(hù)和電流上升率保護(hù)兩個(gè)模塊。與交流電網(wǎng)的三段式保護(hù)不同的是，這兩類(lèi)保護(hù)是互為后備的。當(dāng)短路發(fā)生在接觸網(wǎng)近端時(shí)，短路電流迅速上升，會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)電流速斷保護(hù)的整定值，但此時(shí)還未達(dá)到電流斜率保護(hù)的最小延時(shí)，因此，電流速斷保護(hù)會(huì)優(yōu)先動(dòng)作，電流斜率保護(hù)作為后備保護(hù)延時(shí)動(dòng)作;當(dāng)短路發(fā)生在接觸網(wǎng)遠(yuǎn)端時(shí)，短路電流上升相對(duì)緩慢，一般情況下，電流速斷保護(hù)的整定值較高，短路電流會(huì)經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間才能到達(dá)動(dòng)作值，這種情況下，電流斜率保護(hù)會(huì)優(yōu)先動(dòng)作，而電流速斷保護(hù)將作為后備保護(hù)延時(shí)動(dòng)作。兩者的配合保證了故障發(fā)生后保護(hù)的速動(dòng)性，因此需要對(duì)這兩類(lèi)保護(hù)的定值進(jìn)行更加嚴(yán)格的校驗(yàn)。

電流速斷保護(hù)校驗(yàn)。設(shè)短路發(fā)生后，饋線開(kāi)關(guān)處的穩(wěn)態(tài)電流值為I，保護(hù)的整定值為Imax(A)。

故障位置設(shè)置在本段線路的中點(diǎn)，短路類(lèi)型為接觸網(wǎng)對(duì)架空地線短路，若開(kāi)關(guān)處電流I ＞kImax，(k≈1.2)，則定值Imax滿(mǎn)足靈敏性;反之，靈敏性不足，需要適當(dāng)降低整定值。故障設(shè)置在線路中點(diǎn)的原因是，系統(tǒng)工作于雙邊供電模式，兩端的電流速斷保護(hù)共同保護(hù)線路的全長(zhǎng)。

短路故障設(shè)置在下級(jí)線路的出口，短路類(lèi)型為接觸網(wǎng)對(duì)鋼軌短路，若開(kāi)關(guān)處電流I ＜kImax，(k≈0.8);則定值Imax滿(mǎn)足選擇性，反之，不滿(mǎn)足選擇性，應(yīng)該適當(dāng)提高整定值。

電流增量保護(hù)校驗(yàn)。設(shè)電流增量保護(hù)的啟動(dòng)整定值為E(A/ms)，跳閘值Itrip(A)，該保護(hù)的校驗(yàn)需要結(jié)合電動(dòng)機(jī)車(chē)的負(fù)荷電流。

設(shè)一輛機(jī)車(chē)啟動(dòng)過(guò)程中的最大電流變化率為A，若E ＞kA，(k≈1.2)，則定值E 滿(mǎn)足選擇性;反之，機(jī)車(chē)負(fù)荷電流會(huì)導(dǎo)致保護(hù)的誤啟動(dòng)，需要適當(dāng)提高整定值。

設(shè)機(jī)車(chē)啟動(dòng)過(guò)程中的最大電流沖擊電流為Istart，若Itrip＞kIstart，(k≈1.2)，則定值Itrip滿(mǎn)足選擇性;反之，機(jī)車(chē)負(fù)荷電流會(huì)導(dǎo)致保護(hù)的誤啟動(dòng)，需要適當(dāng)提高整定值。

電流上升率保護(hù)校驗(yàn)。設(shè)電流上升率保護(hù)的動(dòng)作值為F(A/ms)，保護(hù)延時(shí)整定值為tdur(ms)，該保護(hù)主要用于區(qū)分遠(yuǎn)端短路電流和機(jī)車(chē)啟動(dòng)電流，原則上，延時(shí)越大越有利于躲開(kāi)機(jī)車(chē)啟動(dòng)電流的沖擊時(shí)間。

短路位置設(shè)置在本段線路的末端，短路類(lèi)型為接觸網(wǎng)對(duì)架空地線短路，通過(guò)暫態(tài)短路仿真得到饋線開(kāi)關(guān)處的電流波形，獲得t=0～tdur時(shí)間內(nèi)饋線開(kāi)關(guān)處的電流值，計(jì)算得出該短時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量，若超出線路的熱承受范圍，則需適當(dāng)減少延時(shí)整定值;

短路位置設(shè)置在本段線路的末端，短路類(lèi)型為接觸網(wǎng)對(duì)架空地線短路，通過(guò)暫態(tài)短路仿真得到饋線開(kāi)關(guān)處的電流波形，獲得t=tdur時(shí)刻的電流上升率B，若B ＞kF，(k≈1.2)，則定值F 滿(mǎn)靈敏性;反之，靈敏性不足，需要適當(dāng)降低整定值。

后備保護(hù)校驗(yàn)。與交流電網(wǎng)相似，后備保護(hù)的保護(hù)范圍一般超出本段線路，需通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的延時(shí)來(lái)完成與主保護(hù)之間的配合。針對(duì)這一特點(diǎn)，該軟件對(duì)后備保護(hù)僅進(jìn)行靈敏性校驗(yàn)，故障位置一律設(shè)置在該段線路的末端，故障類(lèi)型為接觸網(wǎng)對(duì)架空地線的短路。

全自動(dòng)校驗(yàn)。全自動(dòng)校驗(yàn)?zāi)Ｊ较拢脩?hù)勾選出參與校驗(yàn)的保護(hù)，閉鎖掉不參與校驗(yàn)的保護(hù)。該軟件在運(yùn)行的過(guò)程中，會(huì)根據(jù)參與校驗(yàn)的保護(hù)類(lèi)型，按照上述的校驗(yàn)原則，自動(dòng)設(shè)置短路位置及短路類(lèi)型，全部計(jì)算完成后，系統(tǒng)會(huì)將未通過(guò)校驗(yàn)的保護(hù)定值及調(diào)整建議保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶(hù)可以在查詢(xún)界面查看結(jié)果。

3 算例分析

以上海地鐵為例，本研究取臨平路至浦東南路共4 個(gè)站點(diǎn)3 段線路作為仿真對(duì)象，對(duì)上體館站下行線路饋線開(kāi)關(guān)的主保護(hù)定值進(jìn)行校驗(yàn)，站點(diǎn)分布情況如圖4所示。

圖4 站點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

仿真參數(shù)如下所示(其中序號(hào)1，2，3，4 分別對(duì)應(yīng)從左到右的4 個(gè)站):

(1)整流變壓器參數(shù)如表1所示。

表1 各站整流變壓器參數(shù)

(2)整流器容量:3.600 MW;

(3)站間距:1～2:3 468 m;2～3:2 373 m;3～4:2 461 m;

(4)鋼軌單位電阻:0.030 Ω/km;鋼軌單位電感:1.498 mH/km;

(5)接觸網(wǎng)單位電阻:接觸線0.058 3 Ω/km;承力索0.074 4 Ω/km;輔助饋電線0.058 3 Ω/km;即總單位電阻為0.058 3//0.074 4//0.058 3=0.020 9 Ω/km;電感忽略不計(jì);

(6)架空地線單位電阻0.145 8 Ω/km;單位電感1.194 6 mH/km;

(7)整流機(jī)組與母線連接線單位電阻0.047 Ω/km;母線與接觸網(wǎng)(饋線)單位電阻0.047 Ω/km;整流變與整流器單位電阻0.043 74 Ω/km;電感忽略不計(jì)。

軟件的仿真建模界面部分示意如圖5所示。

圖5 軟件仿真建模界面示意圖

仿真中，設(shè)置的主保護(hù)的整定值如表2所示。該整定值為線路實(shí)際運(yùn)行中所采用的整定值。

表2 饋線開(kāi)關(guān)主保護(hù)整定值

本研究按照線路的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行圖形建模，輸入整定單，分別對(duì)浦東大道站的電流速斷保護(hù)、電流增量保護(hù)及電流上升率保護(hù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)完成后，在圖形界面中可以查詢(xún)校驗(yàn)結(jié)果，輸出到excel 表格中的校驗(yàn)單如圖6所示。

圖6 軟件生成的定值校驗(yàn)單

圖6 中，第一行校驗(yàn)的是電流速斷保護(hù)的靈敏性，短路位置設(shè)置為線路中點(diǎn)，接觸網(wǎng)對(duì)架空地線短路，短路電流要小于接觸網(wǎng)對(duì)鋼軌短路的情況，此時(shí)如果能夠可靠動(dòng)作，則說(shuō)明區(qū)內(nèi)故障均能夠動(dòng)作，保護(hù)的靈敏性達(dá)到要求;第二行校驗(yàn)的是電流速斷保護(hù)的選擇性，短路位置設(shè)置在下段線路的出口，接觸網(wǎng)對(duì)鋼軌短路的短路電流要大于對(duì)架空地線短路的情況，此時(shí)如果保護(hù)仍未動(dòng)作，則說(shuō)明保護(hù)不會(huì)越區(qū)跳閘，滿(mǎn)足選擇性的要求。其他行的情況類(lèi)似。軟件的校驗(yàn)結(jié)果表明，上述各主保護(hù)的整定值滿(mǎn)足靈敏性和選擇性的要求，保護(hù)不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)和拒動(dòng)的情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究介紹了軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)仿真校驗(yàn)軟件的功能需求和實(shí)現(xiàn)方法，并用算例形式呈現(xiàn)了實(shí)際應(yīng)用效果。軟件使用結(jié)果表明，開(kāi)發(fā)仿真軟件對(duì)保護(hù)定值進(jìn)行校驗(yàn)，既能夠考慮到所有可能發(fā)生的情況，又能夠指導(dǎo)工作人員對(duì)整定值進(jìn)行調(diào)整，有利于城軌交通安全、高效運(yùn)行。

［1］邢華棟.城市軌道交通供電仿真系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)［D］.北京:華北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，2013.

［2］萬(wàn)慶祝，陳建業(yè)，王贊基.電氣化鐵道系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的研究進(jìn)展［J］.機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2006，1(3):1-5.

［3］周福林，李群湛.城市軌道交通供電系統(tǒng)仿真軟件開(kāi)發(fā)研究［J］.城市軌道交通研究，2007，10(5):25-27.

［4］韋 莉，張逸成，達(dá)世鵬，等.城市軌道交通牽引系統(tǒng)仿真技術(shù)研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，39(8):1161-1166.

［5］王曉東，張洪斌.城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2002，14(12):35-39.

［6］Paolo Pozzobon.Transient and steady-state short-circuit currents in rectifiers for DC traction supply［J］.Vehicular Technology，IEEE Transactions on，1998，47(4):1390-1404.

［7］BROWN J C.Six-pulse three-phase rectifier bridge models for calculating closeup and remote shortshort circuit transients on DC supplied railways［J］.Electric Power Applications，IEE Proceedings B，1991，138(6):303-310.

［8］BROWN J C，ALLAN J，MELLITT B.Calculation of remote short circuit fault currents for DC railways［J］.Electric Power Applications，IEE Proceedings B，1992，139(4):289-294.

［9］許 成.軌道交通直流牽引系統(tǒng)短路故障研究［D］.杭州:浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，2014.

［10］王廣峰，孫玉坤.地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中的DDL 保護(hù)［J］電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2007，19(1):59-62.