地铁牵引网短路电流特征分析与仿真＊

李夏青 顾群义 曹 岩

（1.北京石油化工学院，102617，北京；2.北京地铁供电公司，100082，北京∥第一作者，教授）

地铁牵引供电采用直流供电方式，供电距离较短（约1～2 km），负荷电流较大（约为2 000～4 000 A），且为典型的间歇性负荷（负荷的有功功率变动量Δp与有功功率p相等）。在设计与分析地铁牵引供电系统供电能力与短路计算中均视地铁牵引供电系统为一阶RL电路，且短路瞬间电流变化符合一阶RL电路的阶越响应特性［1－2］。近年来，在实际运营的地铁牵引网故障电流录波中经常出现的震荡与超调现象则无法用一阶RL电路的暂态模型给以合理的解释。

本文对短路试验波形，牵引网故障记录波形，以及VVVF交流调速地铁列车的电气参数和型式试验记录波形进行了深入分析，建立了地铁牵引供电系统的暂态模型，获得了与短路试验记录和运行记录一致的仿真结果，揭示了震荡与超调现象的产生原因。

1 直流牵引供电系统短路试验

直流牵引供电系统由整流机组、接触网、回流线和牵引负荷组成（见图1）。在地铁牵引供电系统投运前，大多进行牵引供电系统短路试验（即不包含牵引负荷的短路试验）。短路试验的目的是检验直流牵引供电系统短路计算和设备选择的正确性，直流开关及保护装置整定值的准确性，以及回路的完整性。图2是深圳地铁的短路试验记录波形［3］（图2（a）由于信号放大器饱和导致削波，没有采集到电流峰值）。

图1 地铁牵引供电系统

从深圳、上海［4］等城市地铁的短路试验电流波形看：地铁牵引网短路试验电流波形为指数上升曲线，符合一阶RL电路阶越响应特点。

2 地铁牵引供电系统故障录波

图3是北京地铁1、2号线运营时段的直流牵引网短路电流录波。从波形特点看，图3（a）无震荡与超调，短路电流幅值较大；图3（b）的波形存在明显的震荡与超调现象。

图2 短路试验电流波形

图3 故障录波

综合近两年来北京地铁1、2号线的故障录波数据，地铁牵引网直流侧短路电流波形基本表现为图3（a）的按指数规律上升的变化曲线和图3（b）的有震荡与超调的两种类型。

3 直流牵引供电系统物理模型及仿真

3.1 不考虑牵引负荷影响的系统模型

在地铁牵引供电系统中，为了提高功率因数、降低牵引变压器网侧电压的波形畸变及输出直流电压的纹波系数，地铁牵引供电系统的整流机组多采用12脉动或等效24脉动整流电路。为减小整流机组直流侧的不平衡电流，均将整流变压器的漏电抗设计成较大的数值［5］。

将整流器件视为理想开关，通过调整直流侧电阻RDC与交流侧电感LAC的比值（RDC／LAC），以及直流侧电感LDC与交流侧电感LAC的比值（LDC／LAC），获得了可调节超调幅度及上升沿陡度的三相整流电路的故障暂态模型及其仿真结果［5］（见图4、图5），并得出如下结论：

1）短路电流超调波形与直流侧等效电阻和等效电感有关；

2）短路点距牵引变电所愈近（RDC、LDC越小），则短路电流超调现象愈严重。

图4 改变RDC／LAC的仿真波形

图5 改变LDC／LAC的仿真波形

3.2 考虑牵引负荷影响的系统模型

将图3、图2的实测波形与图4、图5的仿真波形对比时发现：

1）图3（a）和图2（a）的波形电流上升速度很快，幅值很大，表明该短路点距变电所较近（即RDC和LDC较小），且短路电流上升沿均满足指数变化规律。

2）图3（b）波形具有“双波峰”的特点，且电流幅值不是很大（与图3（a）比较），表明RDC和LDC较大，但图3（b）波形出现了震荡与超调现象。

3）短路试验波形（无论短路点设在何处）均不存在震荡与超调现象。

由上述分析可以看到：

1）地铁牵引供电系统直流侧短路故障录波波形可分为有震荡与超调以及无震荡与超调两种类型；

2）从短路试验记录可见，RDC／LAC与LDC／LAC的变化不是造成短路电流波形震荡与超调现象的主要因素。

要揭示地铁牵引供电系统故障波形的产生机理，需全面分析各种工况下电流波形的特征，进而得到能全面表征地铁牵引供电系统的暂态特性仿真模型。为此，调研了北京地铁1、2号线运营列车的种类；为了克服故障录波文件中不体现运行列车相关信息的困难，调用并分析了国产VVVF（变压－变频）交流调速地铁列车的电气参数和型式试验记录。

国产VVVF交流调速地铁列车为6辆编组（4辆动车2辆拖车），每辆动车装有2台VVVF交流调速装置，每台调速装置均设有13mF储能滤波电容［8］。列车试验线路为铁道科学研究院环形铁道试验线。图6是在环形铁道试验线进行试验期间捕捉到的12个故障录波中的1个（其余录波均与该波形相似）。

图6 VVVF列车型式试验故障电流录波

从图6和图3（b）的波形均具有震荡与超调的特点看，波形变化规律应为二阶RLC（无线链路控制）电路的欠阻尼响应特性。综合VVVF交流调速装置的储能滤波电容和牵引网的等效电感效应，则可构成由整流机组、牵引网阻抗、列车阻抗组成的二阶RLC电路模型（见图7）。

4 仿真结果及分析

图7 短路故障暂态模型

用图7所示电路模型在电力监控系统平台上构建仿真程序，根据牵引供电系统参数设置不同的交流侧、整流机组、牵引网和负载阻抗值，得到图8的仿真结果。

图8 仿真波形

从仿真结果看：

1）仿真波形与故障录波波形的变化一致，且短路瞬间牵引网电阻的大小决定了故障稳态电流的大小及二阶RLC电路的（阻尼、临界阻尼和欠阻尼）响应特性；

2）震荡与超调现象是由牵引网的等效电感与列车调速装置的储能滤波电容构成二阶RLC电路所致；

3）二阶RLC电路暂态模型可完整描述地铁牵引供电系统的各种状态。

5 结语

综合分析故障录波、短路试验记录、地铁列车的电气参数和试验数据得到以下结论：

1）一阶RL电路不能完整描述地铁牵引供电系统的暂态特性；

2）地铁牵引供电系统的故障录波电流波形与运行列车的类型有关；

3）VVVF地铁列车的储能滤波电容与牵引网等效电感构成了地铁牵引供电系统的等效RLC电路；

4）地铁牵引供电系统运行参数的改变导致二阶RLC电路处于过阻尼、临界阻尼或过阻尼状态是决定负荷电流波形变化的主要因素。

［1］Brown J C，Allan J，Mellitt B.Calculation of remote short circuit fault currents for DC railways［J］.IEE Proceedings－B，1992，139（4）：289.

［2］王宏.地铁牵引供电系统直流馈线保护［J］.电气化铁道，2002（4）：41.

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