基于Simulink/MATLAB的实际地铁线路供电系统短路试验仿真分析

陈生 李忠良

摘  要：直流牵引供电系统在城市轨道交通中扮演着关键角色，其安全可靠的运行对整个城市轨道交通系统的运行至关重要。该文首先介绍地铁牵引供电系统的结构和功能，并建立地铁外部交流电源、整流机组和牵引网络的仿真模型。该仿真模型根据实际地铁牵引供电系统的结构和参数进行构建，旨在研究不同短路情况下的短路特性，包括电源出口短路、近距离短路和远距离短路。通过评估供电系统在短路故障下的稳定性和可靠性，得出若干研究结果。这些结果为地铁供电系统选择合适的一次设备提供理论依据，有助于确保城市轨道交通供电系统的稳定性和可靠性。

关键词：城市轨道供电系统；牵引系统；短路电流；建模仿真；保护装置

中图分类号：U224.3      文献标志码：A          文章编号：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

地铁作为现代城市中的关键大众交通工具，其运行依赖于稳定可靠的供电系统。然而，由于电力传输和供应网络的复杂性，供电系统的稳定性可能受到电力负荷变化、环境因素和设备故障等因素的影响，这可能导致供电系统不稳定，甚至引发严重事故。

为确保地铁供电系统的安全性和可靠性，短路试验仿真在地铁供电系统的建设和运营过程中被视作一项重要的评估工具。通过模拟短路情况，评估供电系统在异常电流条件下的响应和承受能力，帮助设计者和运营商更好地理解系统中的各种电气故障，并评估系统的稳定性和安全性。首先，短路试验仿真可以评估供电系统在异常电流条件下的响应和承受能力，这对于需要承受高强度电流负荷的地铁供电系统至关重要[1]。其次，通过模拟短路情况，可以帮助设计者和运营商发现潜在的问题和薄弱环节，并采取相应的改进措施，以提高供电系统的可靠性和安全性。

在进行地铁供电系统的短路试验仿真时，选择合适的设备和保护装置至关重要。不同的设备在不同的短路条件下可能有不同的响应和承受能力，因此需要根据具体情况选择变压器、断路器、隔离开关等设备，并配置相应的保护装置，以确保供电系统在短路情况下能够及时切除故障点，防止事故扩大。

短路试验仿真能对地铁供电系统的性能和稳定性进行深度评估。比如，其可以帮助我们了解供电设备在短路条件下的运作状态，核实线路电压、电流等参数是否在安全范围内，从而判断设备是否能正常运行。同时，其也能测试保护装置的动作时间和准确性，确保在短路发生时，能及时、准确地切除故障点，保障系统和设备的安全。总的来说，地铁供电系统的短路试验仿真对确保供电系统的安全性和可靠性至关重要。通过短路试验仿真，能更深入地理解系统中的电气故障，并评估系统在异常电流条件下的响应和承受能力。另外，合理选择设备和配置保护装置，能提高供电系统的可靠性和安全性，确保地铁系统的正常运行。具体的评估内容见表1。

本文旨在探讨地铁供电系统中短路试验仿真的重要性、可行性及其对供电系统的影响。为达到这一目标，首先介绍地铁供电系统的基本组成和工作原理，包括传输线路、变电站及牵引变流器等关键设备。然后，详细描述短路试验仿真的相关概念和方法，其中包括短路电流计算及选择合适的模拟工具。最后，重点讨论短路试验仿真对供电系统性能的影响，尤其是在电力传输和设备保护方面所涉及的问题[2]，具体的地铁供电系统由下面几部分组成。

地铁直流牵引供电系统：地铁牵引供电系统负责为地铁车辆提供动力以及线路上的电力设备供电。其可以通过集中供电、分散供电或混合供电3种方式获取外部电源。牵引变电所的主要任务是将35 kV或10 kV的交流电转换为1 500 V或750 V的直流电，以满足地铁列车的牵引需求。同时，其还通过馈线将电能输送至接触网，如图1所示。降压变电站则将35 kV或10 kV的中压电压降低至380 V/220 V，为车站、线段、照明负荷等电力设施提供电力。

地铁的牵引网络由接触线和运行轨道构成，其中牵引变电所通过馈线为接触线供电。电流从牵引变电所经过列车，再通过运行轨道回到牵引变电所。牵引线分为架空接触线和第三轨2种形式。架空线路位于轨道上方，电压标准通常为直流1 500 V；而第三轨沿着轨道一侧布置，电压标准为直流750 V[3]。

本文将以厦门地铁一号线的具体数据为基础，进行短路仿真计算。厦门地铁一号线全长30.3 km，包含15个牵引变电所站点。为了使短路电流的模拟更加精确，仿真电路中设有9个牵引变电所，各牵引变电所之间的距离为2.5 km。这9座牵引变电所从左至右依次编号为1至9。供电系统结构的具体情况如图2所示。

1  仿真模型及参数选择

1.1  外部供电

城市变电站采用110 kV/35 kV双绕组变压器。关于110 kV变压器的主要技术参数，详细的主变压器参数见表2。外部电源的建模使用了Simulink/MATLAB，具体的建模图形如图3所示。

1.2  牵引变电所

在早期，地铁牵引供电系统主要采用六脉冲整流单元，其通过整流变压器与三相非控制整流桥进行连接。随着技术的发展，12脉冲整流单元逐渐取代了前者，这种新系统通过三相三绕组变压器分别连接到2个三相无控整流桥上。值得注意的是，变压器阀侧绕组的连接方式有所差异，同相电角相差30°，2个整流桥并联输出。目前，我国大多数牵引变电站采用的是24脉冲整流机组，其由2组并联的12脉冲整流单元组成。在并网侧，增加了移相装置三相三绕组变压器栅格，使得2组三相三绕组变压器栅格的同相电角相差15°。关于牵引变电所的具体参数，请参见表3。为了对24脉波整流源进行建模，采用了Simulink/MATLAB工具，具体的建模图形如图4所示[5]。

1.3  牵引网

牵引网由接触网和钢轨组成。在短路故障发生时，电流会从接触网流向牵引系统的短路点，接着通过钢轨返回。借助均匀传输线理论，把牵引网络模型简化为一个集中阻抗，其阻抗值与距离成正比。具体牵引网参数参见表4。图5和图6分别展示了直流母线、馈线以及牵引网的建模过程，其中牵引网被等效为一个阻抗模型。

2  短路故障分析

针对外部电源、电力电缆及牵引变电所的仿真模型与参数，设计了在电源出口短路、短距离短路和长距离短路条件下的牵引供电系统仿真模型。如图7所示，该图展示了牵引供电系统短路故障定位的示意图，距离电源不同位置的短路电流如图8所示，具体短路参数见表5。

根据仿真结果，可以观察到短路电流在不同极端短路工况下的几个特点。

首先，当变电所近端出现短路故障时，直流供电侧会受到变电所设备等效电感电阻的影响，从而产生较大的冲击短路电流，使直流供电系统的电流变化速率加快。

其次，当变电所远端发生短路故障时，直流供电系统的阻抗逐渐增大，导致短路电流产生的冲击逐渐减小，对应的稳态值也在降低。这种现象的原因在于，随着短路点与变电站距离的增加，地铁直流供电系统的电气参数发生了变化。

此外，短路点距离变电所越近，短路电流的数值越大，上升速度也越快。当短路发生在变电所供电输出点时，短路电流的冲击最大，稳定后的数值也是最大的。

最后，短路点距离变电所越远，短路电流的增长速度和稳定值都会减小。这是因为输电线路对短路电流有类似电感的作用，会阻碍电流的快速变化，使得电流增大变得缓慢，同时短路电流稳态值达到峰值的时间也变长了。

3  结论

本文首先分析了地铁牵引供电系统的结构和功能，并依据实际系统的结构和参数建立了仿真模型。这些模型涵盖了外部交流电源、牵引变电所、直流母线及牵引网等组成部分，通过它们可以模拟地铁供电系统的运行状况。

为了更真实地模拟地铁供电系统在不同短路情况下的运行，本文分别针对电源输出端短路、近距离短路和远距离短路建立了相应的仿真模型。这些模型同样包括外部交流电源、牵引变电所、直流母线和牵引网等部分。通过分析这些模型，可以研究电流、电压等参数在不同短路情况下的变化规律。

此外，为了使仿真结果更加接近实际情况，本文建立了多个牵引变电所的仿真模型。通过分析这些仿真结果，可以为地铁车站的短路保护选择合适的断路器类型提供依据。进一步地，根据仿真结果，可以评估不同类型断路器的性能，从而选择最适合的保护设备，以确保地铁供电系统在短路故障发生时得到有效保护。

总的来说，本文利用Simulink/MATLAB对地铁供电系统在各种短路情况下的建模仿真分析，为设备选型提供了有力支持，帮助我们更好地理解地铁供电系统的特性和对各种短路情况的响应，从而为选择合适的设备提供了科学依据。

参考文献：

[1] 徐亚辉.城市轨道交通供变电技术[M].北京：机械工业出版社，2022：1-2.

[2] 王昊楠.城市轨道交通中的供电系统分析[J].时代汽车，2023（6）：134-135.

[3] 陈旭.城市轨道交通DC1 500V直流牵引供电系统故障处理[J].电子技术与软件工程，2021（14）：227-228.

[4] 郑镇江.城市轨道交通直流供电系统研究[J].科学技术创新，2021（14）：36-38.

[5] 苗斌.城轨交通直流供电系统仿真建模[J].时代汽车，2023（52）：178-180.