地铁直流供电系统保护算法研究与仿真

地铁直流供电系统保护算法研究与仿真姚春桂，夏涛，陈频畅(南京理工大学2006级电气工程及其自动化，南京210094)摘要：简要介绍了地铁一次系统与直流牵引供电系统，重点探讨了直流侧短路电流计算方法及直流牵引系统的馈线保护，给出地铁直流牵引系统的各种保护的主要特性和整定原则，并通过MATLAB仿真地铁直流供电系统车辆启动、正常运行及不同短路点短路故障的各种状态。关键词：地铁直流牵引供电保护算法仿真随着我国城市化进程的加快，城市人口将迅速增加，这必然会对城市交通造成很大压力，由于地面可用土地的不断减少，再通过增加道路和车辆解决交通拥挤问题已很难实现，因此发展地下铁及城市轻轨交通将是解决城市交通拥挤问题的最有效方法，此外，城市轨道交通还具有运输流量大、不污染城市空气环境等诸多优点。1地铁一次系统与直流牵引供电系统地铁的供电系统是整个地铁的重要组成部分，主要分为电源系统、牵引供电系统和动力照明供电系统三部分。其中电源系统主要指电网到中心变电所部分；牵引供电系统由牵引变电所和接触网组成；动力照明供电系统则负责供给车站、区间等各类照明以及风机、水泵、电梯、空调等动力设备和通信等自动化设备的用电。1.1地铁直流供电牵引系统地铁一次系统与牵引供电系统如图1所示，直流牵引变电所通过变压器和整流装置将35kV交流电变为1500V直流电，再经过直流馈线，向接触网供电，地铁车辆就是通过接触网获得电能的。图1地铁一次系统与牵引供电系统原理图1一发电厂；2一升压变压器；3一电力网；4一中心变电站；5一直流牵引变电所；6—馈电线；7一接触网；8一走行轨道；9一回流线1.2直流牵引供电系统保护研究的目的及意义地铁直流牵引供电系统的安全可靠运行是地铁列车安全运行的前提和保证。电气保护是否完善、保护定值是否合理，是关系到地铁运行安全、人命关天的大事，而直流牵引供电系统中馈线的保护在保证牵引供电系统向列车安全可靠供电方面发挥着重要的作用，其主要功能是防止列车接触线上的短路和过负荷现象的发生，并在故障时能可靠迅速地切除故障，同时还要保证列车在正常运行状态下不会发生误动作。1.3直流牵引供电系统保护研究的现状我国由于在城市轨道交通方面起步比较晚，在地铁直流牵引供电系统保护方面的研究还处于初期起步阶段，国内在城市轨道交通方面的设备采购都来自于进口，价格昂贵且维护困难，但随着我国在这方面需求的日益增大，发展生产具有自主知识产权的直流牵引供电保护系统，对我国今后的城市轨道的发展具有重要的意义。国外在城市轨道交通发展初期直流牵引供电系统主要通过电流速断和过电流保护来切断短路故障，效果并不理想。随着电力电子技术及计算机技术的发展，采用微机控制的保护装置大大的提高了直流牵引供电系统保护装置的可靠性和准确率。如今，直流牵引供电系统的保护措施主要有：大电流脱扣保护、电流上升率及电流增量保护、过电流保护、低电压保护、双边联调保护、自动重合闸保护等。2地铁直流牵引系统保护特性及整定原则2.1地铁直流供电系统主要故障类型地铁直流供电系统主要会发生以下两种故障：（1）正极对负极短路：由于架空接触网对钢轨短路所引起。（2）正极对大地短路：由于馈线对机柜外壳短路所引起。通常对于第一种故障由于短路点离牵引变电所的距离对短路电流的特性有较大的影响，由此可分为近端和远端保护。而远端故障电流与列车启动电流的区分是变电所直流保护的难点。对于第二种故障，主要进行框架保护设计，且故障率较第一种故障要小得多，因此，系统的核心功能应是对第一种故障快速可靠地检测并切除。2.2地铁直流供电保护系统应考虑的几个主要因素（1）直流保护系统应充分考虑各种保护之间的相互配合，以保证在直流系统发生故障时能够快速可靠地切出故障。（2）直流保护系统应保证在列车正常运行时不会无跳闸。（3）直流保护系统应充分考虑某些特殊的故障形式下的保护。2.3直流牵引供电系统短路计算2.3.1直流牵引供电系统短路计算的特点（1）供电电源多。城市轨道直流牵引供电系统由多个牵引变电所与牵引网共同构成一个多电源的网络，当接触网发生短路时，全线的牵引变电所都向短路点供电。（2）供电方式多。根据运营需要，每个供电分区都可以进行单边供电、双边供电或大双边供电。（3）供电回路多。城市轨道交通直流牵引供电系统，因供电电源多、供电方式多，必然导致供电回路多、网络复杂。（4）回路参数多。因电源多、方式多、回路多，决定了供电网络中回路参数多。2.3.2直流牵引供电系统短路计算的意义为使直流牵引供电系统在城市轨道交通中更有效地发挥作用，必须保证继电保护的可靠性、选择性、灵敏性和速动性。而直流系统短路计算正式城市轨道交通直流牵引供电系统设备选型及继电保护整定所必须具备的基础条件。只有在直流系统短路计算以后，才能进行系统设备选型与继电保护整定。2.3.3直流牵引供电系统短路电流特性（1）瞬时启动电流和短路电流可以用指数函数描述，定义为eIi11其中I为稳态电流，为时间常数。（2）当线路很长或车辆密度很大时，最大负荷电流可能大于或等于远端短路电流。（3）一般情况下，短路电流原始电流上升率大于启动电流上升率，但在线路较长时二者可能会接近甚至出现前者小于后者的情况。（4）一般情况下，线路中远端的短路电流的持续时间要大于启动电流持续时间。2.4直流牵引供电保护系统的配置原则对于不同类型的地铁直流牵引供电系统，保护系统的配置会有所不同，但保护的目的是相同的，即保证直流牵引供电系统能够安全可靠的向列车供电，在系统发生短路故障时能够快速、有选择性的切除故障线路，在系统发生过负荷时能够发出警报，在故障消除后能够尽快恢复停电区域的供电。但保护装置也不是越多越好，因为保护装置配置得太多，一方面会增加投资、不经济，另一方面也会增加保护配合的难度。因此在保证系统能够安全可靠地供电的前提下，系统应尽量减少保护装置的数量。以南京地铁采用的架空接触网牵引供电系统为例，该类供电系统的供电电压为直流1500V。在牵引变电所近端发生短路故障时，短路电流远远超过系统正常运行时的负荷电流，电流速断保护和过电流保护配合可以迅速切断故障线路。但是，当短路故障发生在牵引变电所的中、远端时，由于线路阻抗值的增大，短路电流减小，此时电流独断和过电流保护可能无法动作，目前一般采用能反应故障电流上升率和电流增量的保护装置来除故障线路。此外，再配备直流双边联跳保护和低电压保护则可满足直流牵引供电系统的保护要求。3几种常见的馈线保护原理与算法结构3.1大电流脱扣保护大电流脱扣保护为线路近端短路保护，也是线路主保护的一部分。它的原理比较简单，只要设定最大跳闸电流即可，其定值按直流馈线峰值电流设定，该值应躲过机车启动电流的最大值，并考虑一个安全系数。设机车启动电流的最大值为，安全系数为K，则最大跳闸电流整定值为，跳闸延时T一般为0。一旦检测到瞬时电流超过动作电流，立即跳闸，其固有动作时间仅几毫秒。所以大电流脱扣保护非常灵敏，尤其电流上升非常快的近端短路，往往先于电流上升率及电流增量保护动作。该保护的算法很简单，只需在主程序中实时检测线路电流大小，当线路电流时，则立刻启动断路器跳闸触发信号。大电流脱扣保护流程图如图2所示初始化跳闸触发i(t)≥Id输入i(t)YN图2大电流脱扣保护流程图3.2电流上升率及电流增量保护电流上升率及电流增量保护是检测远端短路故障的主要手段，也属于地铁直流馈线保护的主保护。它克服了单独使用电流上升率保护时保护装置抗干扰能力弱以及单独使用电流增量保护时，当短路故障发生在较长线路的中、远端时电流增量较小，电流增量保护出现拒动的现象。电流上升率及电流增量保护由瞬时跳闸和延时跳闸两部分组成，瞬时跳闸响应线路近端短路故障，能够较早的发现并快速切除故障。延时跳闸通过延时时间T可以把短路电流和负载小电流区分开来，用于线路中、远端保护。电流上升率及电流增量保护的保护特性叙述如下：当初始的电流上升率很大时，满足（电流上升率启动值），一旦电流增量达到启动电流（电流增量启动值），则通过瞬时跳闸切除短路故障；当初始电流上升率较小时，满足（F为电流上升率返回值），为了区分短路小电流和负载电流，电流上升率将会被保护系统监视一段时间，一旦到延时时间T则将电流增量与电流增量返回值相比较，若，将通过延时跳闸切除故障。根据以上分析，可以得到瞬时跳闸和延时跳闸的保护动作方程如下：（1）瞬时跳闸动作方程式中：为电流上升率；E为瞬时跳闸电流上升率启动值；为从时刻开始的电流增量，即初始电流增量；为瞬时跳闸电流增量启动值。（2）延时跳闸动作方程式中：F为延时跳闸电流上升率返回值；为延时跳闸电流增量返回值；T为延时跳闸整定时间；为延时时间到达整定时间T时的电流增量。考虑到在列车正常运行状态下保护不应该误动作，以及当短路发生时故障线路应立即被切除，电流上升率及电流增量保护的整定原则如下：（1）瞬时跳闸电流上升率启动值E的数值应大于启动电流的最大电流上升率；延时跳闸电流上升率返回值F的数值应该小于远端短路电流的初始电流上升率。（2）瞬时跳闸电流增量启动值应大于启动电流和列车通过接触网分段时冲击电流的最大值；延时跳闸电流增量返回值的数值应小于远端短路电流的电流增量。（3）考虑到列车通过接触网分段时列车内的滤波器有一个充电过程，所以延时跳闸时间T应保证大于半个列车谐振周期及误差值。电流上升率及电流增量保护算法流程图如图3所示初始化i(t)→i0输入di/dtdi/dtE输入ii→i1ΔI=i1-i0ΔIEΔI跳闸触发Edi/dtF返回记录tt→T0延时T输入ii→i1ΔI=i1-i0ΔIFΔI跳闸触发返回YNNYNYYN图3电流上升率及电流增量保护流程图3.3定时限过电流保护定时限过电流保护是一种基于电流幅值的保护，与大电流脱扣保护相比较，为了扩大保护的范围，定时限过电流保护整定值较低，但时限较长，应大于电流上升率及电流增量保护的动作时间。其启动时按照最大负荷电流来整定，靠延时来区分故障电流和机车启动电流，其动作时限一般为十几秒到几十秒之间，作为地铁直流馈线的后备保护。定时限过电流保护的保护特性叙述如下：在保护控制单元预先整定电流值和动作时间T。当通过直流馈线断路器的电流值在预先设定的时间内超过，则定时限过电流保护动作。对于值的设定，可分别设定正反方向的和。定时限过电流保护的算法流程图如图4所示初始化记录tt→T0输入i(t)i(t)Imax返回ΔTTNY跳闸触发Y记录tt→T1ΔT=T1-T0N图4定时限过电流保护流程图3.4低电压保护低电压保护作为馈线保护的后备保护，当接触网的电压U低于某一定值，且经延时T后电压仍未达到正常值时，保护装置发出跳闸命令。动作时间T应考虑机车启动时电压下降时间、直流馈线断路器主保护跳闸时间,以免断路器误动作。低电压保护的算法流程图如图5所示初始化记录tt→T0输入U(t)U(t)Umin返回ΔTTNY跳闸触发Y记录tt→T1ΔT=T1-T0N图5低电压保护流程图3.5双边联跳保护地铁直流牵引供电系统一般都采用双边供电方式，从而提高供电的可靠性。当线路的两端发生短路故障时，靠近故障点的直流馈线的主保护会动作跳闸，此时启动双边联跳保护向对侧断路器发出跳闸信号，跳开对侧断路器从而将故障线路从系统中完全切除。4MATLAB仿真利用MATLAB中自带的Simulink建立24脉波整流模型，将50Hz交流电整流成1500V直流电，通过直流输电线路向一台直流电动机供电。4.124脉波整流器模型仿真24脉波整流器的基本构成是采用两台相同容量轴向双分裂式牵引整流变压器，如图6所示，每台的一组阀侧绕组分别接成Y接和d接法，自然形成30度的相位差。而两台变压器的网侧绕组分别输入+7.5度和—7.5度相位移的三相交流电，从而形成两台变压器的四套阀侧绕组的线电势相差15度相位差，分别经桥式整流后，在直流侧进行并联，形成24脉波的整流系统。图624脉波整流器模型地铁整流器为无相控整流，即触发延迟角α=0。在不考虑换相电抗的情况下，平均直流输出电压为：UttdUUd24sin224cos2122424