黃維軍，周 密，王 瀅

0 引言

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

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，得到牽引供電計算模型如圖1所示。

圖1 牽引供電計算模型示意圖

2 整流機組外特性模型

整流機組的外特性是指直流輸出端電壓隨其負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12脈波整流器并聯(lián)工作，則它的外特性曲線與2個12脈波整流器并聯(lián)輸出曲線大致吻合。12脈波整流機組外特性與耦合系數(shù)K有關(guān)，各區(qū)段電壓電流表達式為

得Vd1→d2的臨界點為

Vd2→d3的臨界點為

Vd3→d4的臨界點為

Vd4→d5-1的臨界點為

Vd5-1→d5-2的臨界點為

式中，Xc為換相電抗；Id為整流機組負荷電流；Vd0為直流側(cè)空載電壓；在時，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)。當耦合系數(shù)時，整流機組電壓調(diào)整特性用Vd1～Vd4表示，Vd5-1狀態(tài)不再出現(xiàn)。

整流機組各工作區(qū)段輸出特性曲線，即整流機組外特性如圖2所示。

圖2 12脈波整流機組外特性曲線圖

3 短路電流計算

利用整流機組外特性計算穩(wěn)態(tài)短路電流，將整流機組等效成帶有內(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輸入短路電流，每個牽引變電所整流機組工作區(qū)段不同，因此計算某點穩(wěn)態(tài)短路電流時，必須采用迭代方法，考慮線路上所有整流機組均工作在第一工作區(qū)段，根據(jù)整流機組的等效電路，計算各整流機組的穩(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 計算算例

24脈波整流機組額定容量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)進線電抗4.71 Ω，官橋變電站35 kV側(cè)進線電抗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)段臨界點及負荷范圍如表1、表2所示。

表1 新官區(qū)間整流機組各工作區(qū)段臨界點及負荷范圍表

表2 官橋整流機組各工作區(qū)段臨界點及負荷范圍表

假設(shè)在新官區(qū)間至官橋三軌對鋼軌短路，短路點離新官區(qū)間d= 100 m，短路故障時，均假設(shè)2個整流機組工作在第一區(qū)段；假設(shè)新官區(qū)間整流機組工作在第一區(qū)段，即整流機組等效電壓源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)，即整流機組未工作在第一區(qū)段。繼續(xù)假設(shè)整流機組工作在第二區(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，整流機組工作在該區(qū)段，此時所計算的即為穩(wěn)態(tài)短路電流。一直計算到第五工作區(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，

由以上計算知短路故障發(fā)生時，官橋整流機組工作在第三區(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，短路點位置與短路電流關(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)短路故障分析計算可以為供電系統(tǒng)繼電保護系統(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，利用整流機組外特性呈分段線性化，計算牽引供電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)短路電流。

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