摘 要：分析了地铁直流供电系统的故障类型，基于 MATLAB/Simulink建立了直流供电系统的短路故障仿真模型，得到了不同短路情况下的电流仿真波形，通过仿真结果，分析了地铁直流线路短路故障电流的特点。根据直流保护需要考虑的因素，提出了地铁直流供电系统短路故障的保护策略和原则。
关键词：地铁;直流供电系统;短路故障;仿真分析;保护策略
0 引言
地铁供电系统的短路电流和故障分析能够为设备选型和供电系统的设计提供重要参考。短路故障发生后，直流供电系统中的电流急剧增大，准确掌握短路电流的变化过程有助于确定地铁供电系统的保护策略。短路故障发生在供电网的不同位置，短路电流也会有差异。此时需要针对短路电流的特点，完成短路保护动作，切除发生故障的线路或设备。
分析短路电流波形是确定直流供电系统短路保护策略的前提。地铁直流供电系统保护设计必须考虑周全，才能避免设备因短路故障而损毁。为了了解地铁直流供电系统的短路特性，必须对地铁进行短路故障分析，以获得参考数据。直接在地铁供电系统中进行短路实验，将对线路和设备产生损害;完全根据理论计算得到数据又无法完整体现系统的短路故障信息，计算得到的结果无法用于实际系统。利用计算机进行仿真实验能够全面反映各种因素对供电系统的影响，数据清楚，能够很好地用于分析地铁供电系统的短路特性，且可以避免对设备的损坏。
1 地铁直流供电系统短路仿真
本文采用 MATLAB/Simulink中的 SimPowerSystems模块进行地铁直流供电系统短路故障的仿真，Simulink仿真模块中的SimpowerSystem 模块是电力系统的专用模块。随着软件的不断完善，应用 SimpowerSystem 模块进行仿真已经能够准确全面地反映实际系统的短路故障信息。本文采用基于 MATLAB/Simulink的24脉波整流机组模型，地铁直流供电系统短路故障仿真模型如图1所示。
本文以重庆10号线中的 T2航站楼至 T3航站楼间的地铁线路作为研究对象，阻抗值全部采用该段地铁线路的实际测得数据。
仿真模型中 T2和 T3为两个相邻变电站，Rd 为短路点接触阻抗，值为0.0006Ω;Rg 为供电线单位电阻，值为0.029Ω/km;Lg 为供电线单位电感，值为2.71mH/km;Rz 为走行轨单位直流电阻，值为0.0101Ω/km;Lz为走行轨单位电感，值为0.171mH/km。短路点距牵引变电所不同距离时的线路参数见表1。
仿真模拟供电网在不同地点发生短路故障，可得直流供电系统的短路电流仿真波形。图2(a)～(e)分别为短路点距 T3变电所0、0.6、1.2、2.4、3.6km 时的各个电流仿真波形，其中Iz 表示总电流，If1表示 T3变电所馈线电流，If2表示 T2变电所馈线电流。
通过分析对比不同位置短路故障点的短路电流波形可知以下情况。
(1)当短路故障 发 生 在 变 电 所 的 近 端 时， 由 于 变 电所中设备的等效电感电阻对直流供电侧产生影响，电流具有较大 的 冲 击; 而 当 短 路 故 障 发 生 在 变 电 所 的 远 端时，随着直流供电系统阻抗的增大，短路电流不再出现冲击，且短路电流的稳态值减小，其原因是地铁直流供电系统的电气参数会随着短路点与变电站距离的增大而改变。
(2)短路点距离变电站越近，短路电流值越大，并且电流的上升速度越快，在变电所的供电输出点发生短路，短路电流的冲击最大，且电流稳定后的值也最大。短路点距离变电所越远，短路电流增长速度和最终稳定值都随之减小，其原因是输电线路对于短路电流有类似于电感的作用，阻碍电流的快速变化，使电流的增大变得缓慢，短路电流稳态值到达峰值的时间变长。
2 地铁直流供电系统的短路保护策略
地铁系统在运行过程中，可能出现各种故障，其中最为典型的是短路故障。地铁直流供电系统的短路保护装置对保证地铁安全稳定运行具有至关重要的作用，当地铁直流供电系统出现短路故障时，短路保护装置可以准确快速清除短路故障，从而保证供电设备、轨道车辆及乘客生命的安全。本节介绍了地铁直流供电系统的短路保护技术，提出了地铁直流供电系统的短路保护策略。
2.1 地铁直流供电系统的短路保护技术
地铁直流供电系统的短路保护技术按照保护对象可分为馈线保护技术和车辆保护技术。
馈线保护技术中又分为主保护和后备保护方法，主保护通常配置有大电流脱扣保护、电流变化率及增量保护即DDL保护 (包括 di/dt+ΔI 保护、di/dt+ΔT 保护)等，后备保护通常配置有定时限过流保护、低电压保护、热保护和双边联跳保护等。
车辆保护则包括高速断路器保护和主熔断器保护。高速断路器安装在进线电抗器前侧，用来接通与分断车辆和接触网的高压连接，它是车辆电源的总开关和地铁车辆的总保护。主熔断器是一种过载或短路电流导致自身熔断的保护电器。
2.2 地铁直流供电系统的短路保护策略
(1)接触网发生短路故障时，直流馈线保护应快速动作，来保护牵引网、地铁车辆和乘客的生命安全。一般情况下，接触网在近端短路故障下，大电流脱扣保 护 应 动作;而接触网发生远端短路时，DDL保护应动作。正常情况下，大电流脱扣保护和 DDL 保护保证馈线的短路故障全部被清除。
(2)地铁车辆发生短路故障时，车辆保护动作应与馈线保护动作相互配合，且车辆保护相对于馈线保护是独立的，可以优先速断。具体动作策略是：车辆短路故 障发生时，地 铁 车 辆 应 首 先 进 行 自 救，即 无 论 身 处 何 地，车辆上的保护装置 (高 速 断 路 器、主 熔 断 器) 此 时 必 须动作，而变电所的直 流 断 路 器 不 应 动 作，需 要 继 续 保 证对非故障车辆的供 电，减 小 对 地 铁 系 统 的 整 体 影 响，保证乘客的出行。
(3)短路故障发生时，车辆位于变电所近端，且故障发生在车辆进线电抗器前，这种情况下，系统阻抗和电流惯性都很小，电流上升速度非常快，此时高速断路器可能无法快速动作切断短路电流。为了应对这种情况，车辆供电回路中必须接入主熔断器，保证短路发生时，主熔断器的熔断丝因迅速生热而熔断，及时切断短路电流，保护车辆安全。
(4)车辆短路故障时，为了保证车辆保护较馈线保护更快动作，从而减小停电影响，必须选择合理的地铁车辆高速断路器、主熔断器。为了更可靠地保护车辆，馈线保护应延伸至车上，以防短路发生时车辆保护装置不动作而损坏车辆，保护的配合示意如图3所示。
3 结语
为了了解地铁的短路电流特性，本文对地铁直流供电系统进行了短路仿真，这些短路电流仿真波形可作为短路保护策略中的数据依据，比如测定电流变化率及增量保护即 DDL保护的 di/dt等的整定值时，可参考以上电流波形。地铁直流供电系统的短路保护需要馈线保护与车辆保护相匹配，相互配合，相互补充，这样才能保证整个地铁系统的安全，同时把短路故障的影响降到最低。——论文作者：陈学文
参考文献
[1]叶润潮.直流供电系统方案优选研究[D].成都：西南交通大学，2012.
[2]孟飞.地铁直流牵引供电系统馈线保护研究[D].南昌：华东交通大学，2012.
[3]孙磊.地铁直流牵引供电系统车网保护配合研究[D].北京：北京交通大学，2019.
