陳生 李忠良

摘? 要：直流牽引供電系統(tǒng)在城市軌道交通中扮演著關(guān)鍵角色，其安全可靠的運(yùn)行對(duì)整個(gè)城市軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要。該文首先介紹地鐵牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，并建立地鐵外部交流電源、整流機(jī)組和牽引網(wǎng)絡(luò)的仿真模型。該仿真模型根據(jù)實(shí)際地鐵牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行構(gòu)建，旨在研究不同短路情況下的短路特性，包括電源出口短路、近距離短路和遠(yuǎn)距離短路。通過評(píng)估供電系統(tǒng)在短路故障下的穩(wěn)定性和可靠性，得出若干研究結(jié)果。這些結(jié)果為地鐵供電系統(tǒng)選擇合適的一次設(shè)備提供理論依據(jù)，有助于確保城市軌道交通供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵詞：城市軌道供電系統(tǒng)；牽引系統(tǒng)；短路電流；建模仿真；保護(hù)裝置

中圖分類號(hào)：U224.3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）17-0072-05

Abstract： DC traction power supply system plays a key role in urban rail transit， and its safe and reliable operation is very important to the operation of the whole urban rail transit system. Firstly， this paper introduces the structure and function of subway traction power supply system， and establishes the simulation models of subway external AC power supply， rectifier unit and traction network. The simulation model is constructed according to the structure and parameters of the actual subway traction power supply system， and aims to study the short-circuit characteristics under different short-circuit conditions， including power outlet short-circuit， short-distance short-circuit and long-distance short-circuit. By evaluating the stability and reliability of power supply system under short circuit fault， some research results are obtained in this paper. These results provide a theoretical basis for selecting appropriate primary equipment for the subway power supply system， and help to ensure the stability and reliability of the urban rail transit power supply system.

Keywords： urban rail power supply system; traction system; short-circuit current; modeling and simulation; protection device

地鐵作為現(xiàn)代城市中的關(guān)鍵大眾交通工具，其運(yùn)行依賴于穩(wěn)定可靠的供電系統(tǒng)。然而，由于電力傳輸和供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性可能受到電力負(fù)荷變化、環(huán)境因素和設(shè)備故障等因素的影響，這可能導(dǎo)致供電系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至引發(fā)嚴(yán)重事故。

為確保地鐵供電系統(tǒng)的安全性和可靠性，短路試驗(yàn)仿真在地鐵供電系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)營過程中被視作一項(xiàng)重要的評(píng)估工具。通過模擬短路情況，評(píng)估供電系統(tǒng)在異常電流條件下的響應(yīng)和承受能力，幫助設(shè)計(jì)者和運(yùn)營商更好地理解系統(tǒng)中的各種電氣故障，并評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。首先，短路試驗(yàn)仿真可以評(píng)估供電系統(tǒng)在異常電流條件下的響應(yīng)和承受能力，這對(duì)于需要承受高強(qiáng)度電流負(fù)荷的地鐵供電系統(tǒng)至關(guān)重要[1]。其次，通過模擬短路情況，可以幫助設(shè)計(jì)者和運(yùn)營商發(fā)現(xiàn)潛在的問題和薄弱環(huán)節(jié)，并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，以提高供電系統(tǒng)的可靠性和安全性。

在進(jìn)行地鐵供電系統(tǒng)的短路試驗(yàn)仿真時(shí)，選擇合適的設(shè)備和保護(hù)裝置至關(guān)重要。不同的設(shè)備在不同的短路條件下可能有不同的響應(yīng)和承受能力，因此需要根據(jù)具體情況選擇變壓器、斷路器、隔離開關(guān)等設(shè)備，并配置相應(yīng)的保護(hù)裝置，以確保供電系統(tǒng)在短路情況下能夠及時(shí)切除故障點(diǎn)，防止事故擴(kuò)大。

短路試驗(yàn)仿真能對(duì)地鐵供電系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性進(jìn)行深度評(píng)估。比如，其可以幫助我們了解供電設(shè)備在短路條件下的運(yùn)作狀態(tài)，核實(shí)線路電壓、電流等參數(shù)是否在安全范圍內(nèi)，從而判斷設(shè)備是否能正常運(yùn)行。同時(shí)，其也能測試保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間和準(zhǔn)確性，確保在短路發(fā)生時(shí)，能及時(shí)、準(zhǔn)確地切除故障點(diǎn)，保障系統(tǒng)和設(shè)備的安全?？偟膩碚f，地鐵供電系統(tǒng)的短路試驗(yàn)仿真對(duì)確保供電系統(tǒng)的安全性和可靠性至關(guān)重要。通過短路試驗(yàn)仿真，能更深入地理解系統(tǒng)中的電氣故障，并評(píng)估系統(tǒng)在異常電流條件下的響應(yīng)和承受能力。另外，合理選擇設(shè)備和配置保護(hù)裝置，能提高供電系統(tǒng)的可靠性和安全性，確保地鐵系統(tǒng)的正常運(yùn)行。具體的評(píng)估內(nèi)容見表1。

本文旨在探討地鐵供電系統(tǒng)中短路試驗(yàn)仿真的重要性、可行性及其對(duì)供電系統(tǒng)的影響。為達(dá)到這一目標(biāo)，首先介紹地鐵供電系統(tǒng)的基本組成和工作原理，包括傳輸線路、變電站及牽引變流器等關(guān)鍵設(shè)備。然后，詳細(xì)描述短路試驗(yàn)仿真的相關(guān)概念和方法，其中包括短路電流計(jì)算及選擇合適的模擬工具。最后，重點(diǎn)討論短路試驗(yàn)仿真對(duì)供電系統(tǒng)性能的影響，尤其是在電力傳輸和設(shè)備保護(hù)方面所涉及的問題[2]，具體的地鐵供電系統(tǒng)由下面幾部分組成。

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)：地鐵牽引供電系統(tǒng)負(fù)責(zé)為地鐵車輛提供動(dòng)力以及線路上的電力設(shè)備供電。其可以通過集中供電、分散供電或混合供電3種方式獲取外部電源。牽引變電所的主要任務(wù)是將35 kV或10 kV的交流電轉(zhuǎn)換為1 500 V或750 V的直流電，以滿足地鐵列車的牽引需求。同時(shí)，其還通過饋線將電能輸送至接觸網(wǎng)，如圖1所示。降壓變電站則將35 kV或10 kV的中壓電壓降低至380 V/220 V，為車站、線段、照明負(fù)荷等電力設(shè)施提供電力。

地鐵的牽引網(wǎng)絡(luò)由接觸線和運(yùn)行軌道構(gòu)成，其中牽引變電所通過饋線為接觸線供電。電流從牽引變電所經(jīng)過列車，再通過運(yùn)行軌道回到牽引變電所。牽引線分為架空接觸線和第三軌2種形式。架空線路位于軌道上方，電壓標(biāo)準(zhǔn)通常為直流1 500 V；而第三軌沿著軌道一側(cè)布置，電壓標(biāo)準(zhǔn)為直流750 V[3]。

本文將以廈門地鐵一號(hào)線的具體數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行短路仿真計(jì)算。廈門地鐵一號(hào)線全長30.3 km，包含15個(gè)牽引變電所站點(diǎn)。為了使短路電流的模擬更加精確，仿真電路中設(shè)有9個(gè)牽引變電所，各牽引變電所之間的距離為2.5 km。這9座牽引變電所從左至右依次編號(hào)為1至9。供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的具體情況如圖2所示。

1? 仿真模型及參數(shù)選擇

1.1? 外部供電

城市變電站采用110 kV/35 kV雙繞組變壓器。關(guān)于110 kV變壓器的主要技術(shù)參數(shù)，詳細(xì)的主變壓器參數(shù)見表2。外部電源的建模使用了Simulink/MATLAB，具體的建模圖形如圖3所示。

1.2? 牽引變電所

在早期，地鐵牽引供電系統(tǒng)主要采用六脈沖整流單元，其通過整流變壓器與三相非控制整流橋進(jìn)行連接。隨著技術(shù)的發(fā)展，12脈沖整流單元逐漸取代了前者，這種新系統(tǒng)通過三相三繞組變壓器分別連接到2個(gè)三相無控整流橋上。值得注意的是，變壓器閥側(cè)繞組的連接方式有所差異，同相電角相差30°，2個(gè)整流橋并聯(lián)輸出。目前，我國大多數(shù)牽引變電站采用的是24脈沖整流機(jī)組，其由2組并聯(lián)的12脈沖整流單元組成。在并網(wǎng)側(cè)，增加了移相裝置三相三繞組變壓器柵格，使得2組三相三繞組變壓器柵格的同相電角相差15°。關(guān)于牽引變電所的具體參數(shù)，請參見表3。為了對(duì)24脈波整流源進(jìn)行建模，采用了Simulink/MATLAB工具，具體的建模圖形如圖4所示[5]。

1.3? 牽引網(wǎng)

牽引網(wǎng)由接觸網(wǎng)和鋼軌組成。在短路故障發(fā)生時(shí)，電流會(huì)從接觸網(wǎng)流向牽引系統(tǒng)的短路點(diǎn)，接著通過鋼軌返回。借助均勻傳輸線理論，把牽引網(wǎng)絡(luò)模型簡化為一個(gè)集中阻抗，其阻抗值與距離成正比。具體牽引網(wǎng)參數(shù)參見表4。圖5和圖6分別展示了直流母線、饋線以及牽引網(wǎng)的建模過程，其中牽引網(wǎng)被等效為一個(gè)阻抗模型。

2? 短路故障分析

針對(duì)外部電源、電力電纜及牽引變電所的仿真模型與參數(shù)，設(shè)計(jì)了在電源出口短路、短距離短路和長距離短路條件下的牽引供電系統(tǒng)仿真模型。如圖7所示，該圖展示了牽引供電系統(tǒng)短路故障定位的示意圖，距離電源不同位置的短路電流如圖8所示，具體短路參數(shù)見表5。

根據(jù)仿真結(jié)果，可以觀察到短路電流在不同極端短路工況下的幾個(gè)特點(diǎn)。

首先，當(dāng)變電所近端出現(xiàn)短路故障時(shí)，直流供電側(cè)會(huì)受到變電所設(shè)備等效電感電阻的影響，從而產(chǎn)生較大的沖擊短路電流，使直流供電系統(tǒng)的電流變化速率加快。

其次，當(dāng)變電所遠(yuǎn)端發(fā)生短路故障時(shí)，直流供電系統(tǒng)的阻抗逐漸增大，導(dǎo)致短路電流產(chǎn)生的沖擊逐漸減小，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值也在降低。這種現(xiàn)象的原因在于，隨著短路點(diǎn)與變電站距離的增加，地鐵直流供電系統(tǒng)的電氣參數(shù)發(fā)生了變化。

此外，短路點(diǎn)距離變電所越近，短路電流的數(shù)值越大，上升速度也越快。當(dāng)短路發(fā)生在變電所供電輸出點(diǎn)時(shí)，短路電流的沖擊最大，穩(wěn)定后的數(shù)值也是最大的。

最后，短路點(diǎn)距離變電所越遠(yuǎn)，短路電流的增長速度和穩(wěn)定值都會(huì)減小。這是因?yàn)檩旊娋€路對(duì)短路電流有類似電感的作用，會(huì)阻礙電流的快速變化，使得電流增大變得緩慢，同時(shí)短路電流穩(wěn)態(tài)值達(dá)到峰值的時(shí)間也變長了。

3? 結(jié)論

本文首先分析了地鐵牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，并依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)建立了仿真模型。這些模型涵蓋了外部交流電源、牽引變電所、直流母線及牽引網(wǎng)等組成部分，通過它們可以模擬地鐵供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

為了更真實(shí)地模擬地鐵供電系統(tǒng)在不同短路情況下的運(yùn)行，本文分別針對(duì)電源輸出端短路、近距離短路和遠(yuǎn)距離短路建立了相應(yīng)的仿真模型。這些模型同樣包括外部交流電源、牽引變電所、直流母線和牽引網(wǎng)等部分。通過分析這些模型，可以研究電流、電壓等參數(shù)在不同短路情況下的變化規(guī)律。

此外，為了使仿真結(jié)果更加接近實(shí)際情況，本文建立了多個(gè)牽引變電所的仿真模型。通過分析這些仿真結(jié)果，可以為地鐵車站的短路保護(hù)選擇合適的斷路器類型提供依據(jù)。進(jìn)一步地，根據(jù)仿真結(jié)果，可以評(píng)估不同類型斷路器的性能，從而選擇最適合的保護(hù)設(shè)備，以確保地鐵供電系統(tǒng)在短路故障發(fā)生時(shí)得到有效保護(hù)。

總的來說，本文利用Simulink/MATLAB對(duì)地鐵供電系統(tǒng)在各種短路情況下的建模仿真分析，為設(shè)備選型提供了有力支持，幫助我們更好地理解地鐵供電系統(tǒng)的特性和對(duì)各種短路情況的響應(yīng)，從而為選擇合適的設(shè)備提供了科學(xué)依據(jù)。

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