地铁供电短路故障测距方法研究及影响因素分析

地铁供电短路故障测距方法研究及影响因素分析
摘要：地铁供电系统作为一个庞大而繁杂的系统，建立对应供电系统详细电路模型来分析地铁列车发生短路故障情况对供电系统的影响耗时又耗力。

在传统线路两端电流关系基础上考虑了两端电压高低的影响，在系统仿真模型的基础上，研究了三相系统电源短路容量和主变压器容量对短路故障阻抗测距精度的影响。

仿真结果表明：改进的测距方法相比传统阻抗测量方法能明显减小测距误差，误差最大为46m，最小为19m；三相系统电源短路容量的变化对阻抗测距误差基本无影响，而主变压器容量的增大会减小测距误差，当变压器容量提升至原容量的1.4倍时，测距误差减小了近50%。

关键词：地铁供电系统；短路故障；阻抗法测距
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。

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。

1地铁直流供电系统短路仿真
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短路故障测距精度影响因素分析
2.1三相电源短路容量对测量精度的影响
根据三相电源短路容量计算式：
根据三相电源短路容量计算式：2dVSX=（9）考虑到变压器变比，二次侧电阻为
2ss22dRKVRnnS'==（10）式中：Sd为短路容量；K为阻抗比，RsKX=；n为变压器变比；V为三相电源线电压；Rs为电源等效阻值。

由式（10）可知，在维持电源电压V不变时，改变三相电源的短路容量Sd，电源等效阻值Rs会发生变化，同样从变压器原边折算到副边的电阻Rs'会随之改变，在采用阻抗法测距时，任何阻抗的变化都可能对测距精度产生影响。

在该仿真模型中，对24脉波整流电路的三相电源短路容量取值为1000、3000、5000、7000、9000MV·A，取阻抗比为7，变压器变比为27.966，将故障点位置选为距A 端400m处，进行仿真。

2.2变压器容量对测距精度的影响
变压器容量的变化也可能对测距产生影响。

可以得知，若额定电压VN保持不变，变压器容量SN改变，则会使得电阻RT随之变化。

调整变压器容量，分别取2.07、2.76、
3.45、
4.14、4.83MW对变压器容量进行仿真，其中，3.45MW为额定容量，其余数据分别为额定容量的0.6、0.8、1、1.2、1.4倍。

通过多组仿真，记录数据后，将不同容量同一故障位置的测距结果和测距误差分别进行比较，并将所有位置、不同容量的测距误差进行汇总，在距离A端最近的200m处设置故障点，改变变压器容量，测距精度也随之改变，呈正向非线性变化，当容量为2.07MW时，误差为84.3m，当容量取4.83MW时，误差为37.2m；距A端800m处（距两端中心最近）时，随着变压器容量的增加，测距精度略有提高，容量为2.07MW时误差为43.4m，容量为4.83MW时误差为17.1m。

同理，故障点距离B端较近时情况相同，同一故障点位置，变压器容量越大，误差越小，测距精度越高，当容量由最小的2.07MW变为最大的4.83MW时，误差可减小26.3～86.3m，精度提升。

3阻抗法测距及改进
3.1阻抗法是一种典型的故障测距方法
在高铁牵引供电系统中，由于线路过长，供电区间较大，阻抗法对于故障测距的速度和效率不如行波法。

但在城市轨道交通中，供电距离一般为2～3km，采用行波法进行故障测距，传播速度接近光速，传播时间短，行波的波头检测困难，测距精度差。

本文基于阻抗法进行电路模型的搭建，将两供电所之间的距离设置为2km，以200m为一个区间设置组，通过不断改变故障点的位置或其他参数进行仿真，再通过计算得到故障测量距离和测距误差。

图1和图2分别为使用阻抗法测距时短路故障发生的暂态等效图和稳态等效图。

图1阻抗测距故障暂态等效示意图
图2阻抗测距故障稳态等效示意图
x为发生故障的地点到A端的距离与A、B两端距离的比值，使用阻抗法就是通过测出A、B两端的电压和电流，从而计算出两端的电阻并进行比较，最终得到x的准确值。

由于发生故障时，牵引网电阻的变化对故障暂态冲击电流的峰值及稳定值起主要作用，对电流的上升率几乎无影响，而电感的增大对短路电流几乎不起作用，但却能降低故障电流的上升率，因此在短路等效稳态电流网络中并未考虑电感。

4短路故障测距仿真结果与误差分析
本文采用某地铁供电参数数据建立模型进行仿真。

仿真中，在0.1s时刻使开关K闭合，模拟牵引电路在故障点发生短路故障。

图3和图4分别是故障点设置在距A端1600m 时电压在0.5s内的变化和局部放大图。

图3故障点距A端1600m时的电压变化
图4电压局部放大
图5故障点距A端1600m时的电流变化
图6电流局部放大
从图3可以看出，当模拟短路故障的开关在0.1s时刻闭合后，电压开始出现振荡，同时下降，但A端电压比B端电压高。

在随后的测距误差计算中，为了保证仿真结果的可靠性，此处取0.5s时刻的数据，其他电压电流数据均取自0.429～0.43s时刻。

图5和图6分别是故障点距A端1600m时测得的电流以及局部放大图。

从图5可以看出，在0.1s时
刻，两端测得的电流快速上升，但由于故障点设置在离A所较远、B所较近的1600m处，故障点与A端之间的电阻大于故障点与B端之间的电阻，因此A端电流比B端电流小。

可以推断，故障点距离一端越远，在该端测得的电流则越小，电压越高。