直流牽引供電系統(tǒng)短路試驗分析

金雪豐　陳裕楠　童　翔

(中船重工第712研究所　武漢　430064)

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直流牽引供電系統(tǒng)短路試驗分析

金雪豐陳裕楠童翔

(中船重工第712研究所武漢430064)

摘要直流牽引供電系統(tǒng)的短路試驗是驗證直流牽引供電系統(tǒng)各設(shè)備在系統(tǒng)現(xiàn)場短路時動作的正確性和可靠性的重要環(huán)節(jié)。以武漢軌道交通4號線二期工程現(xiàn)場直流牽引供電系統(tǒng)短路試驗為例，介紹短路試驗的前提條件、試驗程序和試驗方法。試驗前，人為設(shè)定一個短路點(diǎn)，檢查斷路器等保護(hù)元器件是否正常，連接好數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以采集短路時的電流、電壓等波形，用Matlab軟件搭建短路時的電路模型，對預(yù)期短路電流進(jìn)行仿真計算；試驗后，對短路試驗的實際數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出開關(guān)保護(hù)動作正常可靠，并計算出實際的分?jǐn)嚯娏鞔笮?.15 kA，為直流牽引供電系統(tǒng)短路試驗的進(jìn)一步研究提供參考。

關(guān)鍵詞牽引供電；短路試驗；斷路器；綜合保護(hù)

1試驗?zāi)康?/p>

可靠、穩(wěn)定的直流牽引供電系統(tǒng)是城市軌道交通列車安全、高效運(yùn)行的重要保障，意義重大，不容忽視。因此，列車試運(yùn)行之前對直流牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行實際短路試驗顯得尤為重要。該試驗的目的是測試牽引供電系統(tǒng)各設(shè)備在系統(tǒng)現(xiàn)場短路時動作的正確性、選擇性和可靠性，驗證直流斷路器的快速分?jǐn)嗄芰?。通過該短路試驗，檢查牽引供電系統(tǒng)各設(shè)備之間的配合能力是否安全可靠，檢驗各設(shè)備的整定值、動作時間等各項技術(shù)參數(shù)是否正確，是否符合現(xiàn)場運(yùn)行技術(shù)要求。通過分析試驗數(shù)據(jù)，判斷綜合保護(hù)和斷路器誰先啟動保護(hù)，以便更精確地對直流牽引供電系統(tǒng)各設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，更好地保護(hù)系統(tǒng)和設(shè)備，保證直 流 牽 引 供電系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

2試驗系統(tǒng)技術(shù)要求

直流牽引供電系統(tǒng)經(jīng)過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗，直接短路脫扣整定值為8 kA，微機(jī)綜合保護(hù)裝置整定值設(shè)定為50 kA/s，交流側(cè)保護(hù)開關(guān)與直流側(cè)保護(hù)開關(guān)應(yīng)具有選擇性。

變電所內(nèi)參與直流牽引供電系統(tǒng)短路試驗的設(shè)備和儀器包含了微機(jī)綜合保護(hù)裝置、SCADA(電力監(jiān)控)系統(tǒng)設(shè)備、整流變壓器、整流器、750 V直流開關(guān)柜等。所有設(shè)備儀器和測量裝置必須是合格產(chǎn)品并有檢測合格證書，測量裝置的測量精度需滿足測試參數(shù)的要求。

進(jìn)行直流牽引供電系統(tǒng)短路試驗的變電所和現(xiàn)場場地需要采取完全隔離措施，嚴(yán)禁非試驗人員和物資進(jìn)入，現(xiàn)場防護(hù)物資及安保人員齊備，應(yīng)急預(yù)案及應(yīng)急聯(lián)動小組現(xiàn)場待命。

3試驗原理及方法

3.1試驗原理

試驗線路原理如圖1所示，在試驗過程中，交流側(cè)設(shè)置了保護(hù)開關(guān)，其保護(hù)與直流側(cè)保護(hù)具有選擇性，并且直流開關(guān)柜需要設(shè)置緊急分閘按鈕。其等效的電路示意如圖2所示。

圖2　線路等效電路

在短路試驗中，預(yù)期短路電流波形i對時間常數(shù)、限流系數(shù)、di/dt等短路試驗的重要參數(shù)有著重要的指導(dǎo)作用和意義。由圖2可知，預(yù)期短路回路是一個一階RL回路，其預(yù)期短路電流應(yīng)滿足：

其中，U為系統(tǒng)電壓，τ為時間常數(shù)，R為等效電阻。

對i求導(dǎo)，則

因此，在短路試驗之前，求出預(yù)期短路波形對后續(xù)的計算分析很有幫助。為了盡可能考慮到整流器、變壓器等元器件內(nèi)阻和電感對預(yù)期短路電流的影響，在用Simulink進(jìn)行仿真計算的時候，加入變壓整流模塊。

根據(jù)設(shè)備資料設(shè)置好仿真模型中各元器件的參數(shù)，由于短路試驗是空載環(huán)境，短路試驗前測得的系統(tǒng)電壓為820 V，符合實際情況，故依據(jù)輸出電壓有效值為820 V來設(shè)置仿真模型中整流器件參數(shù)。

運(yùn)行仿真系統(tǒng)，電壓波形和預(yù)期短路電流波形如圖3、4所示。

圖3　仿真系統(tǒng)電壓波形

圖4　預(yù)期短路電流波形

由圖4可知，Ik=15 kA，時間常數(shù)τ為0.632Ik(即約9.5 kA)電流值所對應(yīng)的時間，由示波圖讀出9.5 kA對應(yīng)的時間為68 ms，即τ=68 ms。則預(yù)期短路電流的表達(dá)式為：

(1)

3.2試驗過程

1) 短路系統(tǒng)供電示意圖和數(shù)據(jù)采集裝置連接示意如圖5、6所示。

圖5　短路系統(tǒng)供電示意

圖6　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2) 短路結(jié)束后，檢查并評估直流斷路器701開關(guān)斷口觸點(diǎn)燒損程度，將燒傷面的氧化物用酒精清洗干凈，合上開關(guān)，用直流電阻測試儀測試其接觸電阻，確定斷路器是否可以繼續(xù)使用。

3.3短路試驗數(shù)據(jù)分析

檢查記錄數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)果，波形如圖7所示。

圖7　短路分析試驗波形

由實測的短路波形可知，最大短路電流完全滿足并優(yōu)于設(shè)計和規(guī)范要求。

Imax=10.67 kA

1) 試驗波形分析。

① 短路試驗的di/dt(電流變化率)設(shè)置為50 kA/s,短路初始電流上升率

則DDL保護(hù)啟動，DDL保護(hù)后經(jīng)過80 ms斷路器的線圈得電，此時的電流值由示波圖讀出，為9.58 kA，大于整定值8 kA，斷路器也已經(jīng)動作。

② 斷路器在大電流脫扣保護(hù)經(jīng)過TZ=18 ms開始起弧壓，如果短路電流在7 200～8 800 A(整定值8 kA，動作誤差±10%)內(nèi)啟動保護(hù)到斷路器端口開始起弧壓的時間間隔t=TZ，則開關(guān)啟動大電流脫扣保護(hù)，否則沒有。

由圖7讀出斷路器端口開始起弧壓時間(電壓開始上升時間)t0=261 ms，7 200 A對應(yīng)時間t1=223 ms，8 800 A對應(yīng)時間t2=239 ms,則：

t=Min[(t0-t1),(t0-t2)]=22 ms由于22 ms>18 ms，此時開關(guān)的大電流脫扣沒有啟動保護(hù)。綜合①②所述，綜合保護(hù)DDL保護(hù)先于開關(guān)保護(hù)。

2) 將實測的數(shù)據(jù)和波形與3.1的仿真數(shù)據(jù)和波形對比分析。

依據(jù)式(1)可知

① 由試驗波形可知，短路電流從0上升到最大值用時100 ms，代入式(1)得i=11.55 kA，實際最大短路電流Imax=10.67 kA，i>Imax；

② 整定值設(shè)置為8 kA，但是有10%的動作誤差。試驗用的斷路器機(jī)械分閘完成所需時間T=48 ms，開關(guān)的固有動作時間t0=5 ms，當(dāng)分閘到2/3的時候開始起弧壓，電流達(dá)到最大值。

由示波圖可知電流由0上升至10.67 kA的時間為100 ms，則斷路器實際分?jǐn)鄷r刻時間

將td=63 ms代入式(1)得

由短路分析試驗示波圖讀出實際動作電流Id=8.15 kA，id>Id。

通過計算對比發(fā)現(xiàn)，最大短路電流和動作電流的計算值都比實際值偏大,這是由于仿真計算沒有考慮斷路器的內(nèi)阻、電感以及電弧的影響。此外，實際短路電流波形的時間常數(shù)不是一個定值，而是隨著時間逐漸增大，電流最大值時刻，時間常數(shù)最大，約為78 ms，仿真計算的時間常數(shù)是由校正以后的平均電感和平均電阻計算所得，有一定誤差，但是仿真計算仍然對今后的試驗有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

4結(jié)語

現(xiàn)場短路試驗是直流牽引供電系統(tǒng)不可或缺的部分，本試驗的程序、方法、評估內(nèi)容等在現(xiàn)場實際驗證是可行的。另外，試驗之前的仿真計算可以事前估計最大預(yù)期短路電流、電流初始上升率等參數(shù)，為試驗提供參考；但是此次仿真仍有不足，在今后仿真計算的時候要考慮斷路器的內(nèi)阻和電感等因素，盡可能減少誤差，為現(xiàn)場試驗提供更可靠的數(shù)據(jù)參考。通過規(guī)范化和真實性的短路試驗，可以對直流牽引供電系統(tǒng)的設(shè)備質(zhì)量、繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性以及系統(tǒng)的整體功能進(jìn)行驗證，并根據(jù)實驗結(jié)果優(yōu)化調(diào)整相關(guān)參數(shù)，為以后的短路試驗提供借鑒和指導(dǎo)。

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(編輯：王艷菊)

Analysis on Short Circuit Test of DC Traction Power Supply System

Jin XuefengChen YunanTong Xiang

(The Chinese Heavy Industry Research Institute 712, Wuhan 430064)

Abstract:Short circuit test of DC traction power supply system is an important step to verify the correctness and reliability of DC traction power supply system equipment during short circuiting. Using DC traction power supply system short circuit test for Wuhan Rail Transit Line 2 extending vehicles as an example, this paper introduces precondition, process and method of short circuit test. Before test, a short-circuit point is set artificially, with circuit breakers and other protection components being normal. Then the data acquisition system is connected to acquire short-circuit current and voltage waveforms and the prospective short-circuit current is simulated by using Matlab. After test, the practical data of short circuit test is analyzed to provide some reference for further study of short circuit test of DC traction power supply system. It is concluded that the protection operation of the switch is proper and reliable. The actual breaking current size is calculated to be 8.15 kA. This study will surely provide reference for the further study of the short circuit test for DC traction power supply system.

Key words:traction power supply; short circuit test; circuit breaker; comprehensive protection

doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2016.03.023

收稿日期:2015-05-13修回日期: 2015-06-19

作者簡介:金雪豐，男，高級工程師，從事開關(guān)電器及系統(tǒng)集成研究，819041879@qq.com

中圖分類號U231.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號1672-6073(2016)03-0103-03