地铁直流牵引供电系统接触网短路故障行波测距研究

摘要：随着城市人口规模不断的发展壮大，地铁在一定程度上缓解了城市交通的压力，但地铁供电系统的稳定是确保其安全运营的首要保障。就全国地铁牵引供电系统而言，多数采用直流供电，其中最大的安全隐患是地铁发生了接触网短路故障而导致无法正常行车。因此，短路故障发生时，进行有效电流波形辨析和短路故障定位，较为精确测量出故障发生的范围，对运维具有十分重要的研究价值和意义。

关键词：地铁；直流牵引供电系统；接触网短路故障；行波测距

一、绪论

1.1 课题研究背景及意义

首先，精确测量故障发生的范围，有利于及时发现并排除故障，保证牵引网正常工作，确保地铁系统的安全、可靠和经济运行。其次，通过电流波形辨析和故障定位，可以有效缩短故障排查时间，减少停电损失，提高地铁运营效率。最后，研究地铁接触网故障测距，实现故障点的精确定位，可以减轻地铁供电维护部门的巡线负担，降低运维成本。

1.2 本课题相关领域的研究现状

1.2.1 故障分析法测距

故障分析法测距是一种基于故障电流和电压波形分析的测距方法。该方法通过对故障电流和电压波形进行数学处理，提取故障特征量，进而实现故障定位。然而，故障分析法测距受到供电系统电气参数和故障条件的影响较大，测距精度和稳定性有待提高。

1.2.2 行波法测距

行波法测距是一种基于行波传播特性的测距方法。该方法利用行波在输电线路中传播的速度和反射特性，通过测量行波到达测量点的时间和方向，实现故障定位。行波法测距具有受电气参数影响较小、测距精度高的优点，在电力系统交直流长距离输电线路故障定位中得到广泛应用。

二、地铁直流牵引供电系统故障介绍

2.1 地铁直流牵引供电系统简介

地铁直流牵引供电系统主要由直流牵引变电所和牵引网组成。直流牵引变电所将交流电源转换为直流电源，为地铁列车提供电能。牵引网则将电能传输到地铁列车上，包括接触网和钢轨等部分。

2.1.1 直流牵引变电所

直流牵引变电所是地铁直流牵引供电系统的核心部分，负责将交流电源转换为直流电源。直流牵引变电所通常由整流器、变压器、滤波器等设备组成，其中整流器是将交流电源转换为直流电源的关键设备。

2.1.2 牵引网

牵引网是地铁直流牵引供电系统的重要组成部分，负责将电能传输到地铁列车上。牵引网包括接触网和钢轨等部分，其中接触网是地铁列车获取电能的主要途径。

2.2 地铁直流牵引供电系统短路故障数学模型

地铁直流牵引供电系统短路故障可以等效为一阶RL等效串联电路。在短路故障发生时，短路电流会瞬间增大，并受到系统电气参数和故障条件的影响。通过对短路电流进行数学分析计算，可以得到短路电流的变化规律和特征量，为后续故障模型仿真的电流波形验证提供理论支撑。

2.2.1 直流牵引供电系统的短路故障类型

地铁直流牵引供电系统的短路故障类型主要包括近端短路和远端短路。近端短路发生在牵引变电所附近，短路电流较大，对系统影响严重。远端短路发生在牵引网末端，短路电流较小，但同样会对系统造成损害。

2.2.2 短路数学模型分析

对于地铁接触网短路故障，可以将其等效为一阶RL等效串联电路。通过对短路电流进行数学分析计算，可以得到短路电流的变化规律和特征量。短路电流的变化规律受到系统电气参数和故障条件的影响，包括短路电阻、电感、电容等参数以及故障位置、故障类型等因素。

2.3 地铁24脉波整流机组

地铁24脉波整流机组是地铁直流牵引供电系统中的重要设备之一。它通过将交流电源转换为直流电源，为地铁列车提供稳定的电能。24脉波整流机组具有输出电压波动小、谐波含量低等优点，能够提高地铁供电系统的稳定性和可靠性。

2.4 直流牵引变电所的整流机组工作机理

直流牵引变电所的整流机组工作机理是将交流电源转换为直流电源。整流机组通常由整流器、变压器、滤波器等设备组成。其中整流器是将交流电源转换为直流电源的关键设备，它采用半导体器件进行整流操作。变压器则用于调整电源电压和电流大小，滤波器则用于去除整流过程中产生的谐波和干扰信号。

2.5 PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件介绍

PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件是一种用于电力系统仿真和分析的专业软件。它具有强大的仿真能力和灵活的建模功能，可以模拟电力系统的各种故障和运行状态。PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件在电力系统研究、设计、运行和维护等方面具有广泛应用。

2.6 24脉波整流机组PSCAD仿真模型

利用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件，可以建立24脉波整流机组的仿真模型。该模型可以模拟24脉波整流机组的工作过程和输出特性，为后续故障模型仿真的电流波形验证提供基础。通过对仿真结果进行分析和比较，可以验证仿真模型的正确性和可靠性。

三、直流牵引网参数计算

直流牵引网的电气参数计算是故障模型参数设定的基础。通过对直流牵引网的电气参数进行计算和分析，可以得到接触网、钢轨导体的稳态内阻抗、暂态内阻抗和外电感等参数值，为后续故障模型仿真的电流波形验证提供理论支撑。

3.1 接触网、钢轨导体稳态内阻抗

接触网和钢轨导体的稳态内阻抗是直流牵引网电气参数的重要组成部分。它们受到导体材料、截面积、长度以及周围环境等因素的影响。通过对接触网和钢轨导体的稳态内阻抗进行计算和分析，可以得到其数值大小和变化规律，为后续故障模型仿真的电流波形验证提供基础。

3.2 接触网、钢轨导体暂态内阻抗

在短路故障发生时，接触网和钢轨导体的暂态内阻抗会发生变化。通过对暂态内阻抗进行计算和分析，可以得到其数值大小和变化规律，并考虑其对短路电流的影响。这有助于更准确地模拟短路故障过程和分析短路电流特征量。

3.3 接触网、钢轨外电感

接触网和钢轨的外电感是直流牵引网电气参数的另一个重要组成部分。它们受到导体几何形状、排列方式以及周围环境等因素的影响。通过对接触网和钢轨的外电感进行计算和分析，可以得到其数值大小和变化规律，为后续故障模型仿真的电流波形验证提供基础。

3.3.1 自感

自感是导体自身产生的磁场对其自身电流的影响。在直流牵引网中，接触网和钢轨导体都存在自感现象。通过对自感进行计算和分析，可以得到其数值大小和变化规律，并考虑其对短路电流的影响。

3.3.2 互感

互感是两个相邻导体之间产生的磁场对彼此电流的影响。在直流牵引网中，接触网和钢轨导体之间存在互感现象。通过对互感进行计算和分析，可以得到其数值大小和变化规律，并考虑其对短路电流的影响。

3.3.3 接触网与钢轨的外电感

接触网与钢轨之间的外电感是直流牵引网电气参数的一个重要组成部分。它受到接触网和钢轨导体几何形状、排列方式以及周围环境等因素的影响。通过对接触网与钢轨的外电感进行计算和分析，可以得到其数值大小和变化规律，为后续故障模型仿真的电流波形验证提供基础。

四、直流牵引网侧短路故障仿真分析

4.1 仿真模型建立

为了深入探究地铁直流牵引供电系统接触网短路故障的特性，我们利用PSCAD/EMTDC仿真软件构建了地铁直流牵引供电系统的模型。此模型涵盖了整流机组、牵引网（包括接触网和钢轨）、负载以及短路故障等关键组成部分。

在模型中，我们特别关注了整流机组的24脉波输出特性，以及牵引网的电气参数，如接触网和钢轨的稳态内阻抗、暂态内阻抗和外电感等。这些参数均基于前文的理论计算进行设定，以确保仿真结果的准确性和可靠性。

4.2 仿真参数设定

在仿真过程中，我们设定了多种短路故障情况，包括近端短路和远端短路，以全面分析短路故障对地铁直流牵引供电系统的影响。同时，我们还考虑了不同故障电阻值对短路电流波形的影响，以更深入地理解短路故障的特性。

4.3 仿真结果分析

4.3.1 短路电流波形分析

通过仿真，我们得到了不同短路故障情况下的短路电流波形。分析发现，短路电流在故障发生后会迅速增大，并达到一个峰值。随后，由于系统阻尼和故障电阻的作用，短路电流会逐渐衰减。

在近端短路情况下，短路电流峰值较大，衰减速度较快。而在远端短路情况下，短路电流峰值较小，衰减速度较慢。此外，我们还发现短路电阻值对短路电流波形有显著影响。随着短路电阻值的增大，短路电流峰值会减小，衰减速度也会变慢。

4.3.2 故障定位分析

为了实现故障定位，我们采用了行波法理论。行波法在电力系统中具有广泛的应用，其基本原理是利用行波在输电线路中传播的速度和反射特性来测量故障距离。

在仿真中，我们模拟了短路故障发生后行波的传播过程，并记录了行波到达测量点的时间和方向。通过分析行波的传播速度和到达时间，我们可以计算出故障点与测量点之间的距离，从而实现故障定位。

仿真结果表明，行波法具有较高的测距精度和稳定性。即使在复杂的地铁直流牵引供电系统中，也能准确测量出故障点的位置。这为地铁供电维护部门提供了有力的技术支持，有助于减轻巡线负担和提高运维效率。

4.3.3 电流波形辨析

为了区分短路故障电流和机车启动时的正常电流波形，我们采用了小波变换算法进行波形辨析。小波变换是一种强大的信号处理工具，能够提取信号的时频特征，适用于非平稳信号的分析。

通过小波变换，我们可以将短路故障电流和机车启动时的正常电流波形进行分解，得到它们在不同尺度上的细节信息。分析发现，短路故障电流波形在小波变换后的细节信息中表现出明显的突变和高频成分，而机车启动时的正常电流波形则相对平稳，高频成分较少。

利用这一特性，我们可以实现对短路故障电流和机车启动时的正常电流波形的有效辨析。这为地铁供电维护部门提供了更加准确的故障判断依据，有助于减少误报和漏报情况的发生。

五、结论与展望

5.1 结论

本文通过对地铁直流牵引供电系统接触网短路故障的研究，建立了地铁直流牵引供电系统的仿真模型，并进行了短路故障的仿真分析。仿真结果表明，短路故障会导致短路电流迅速增大并达到峰值，随后逐渐衰减。同时，短路电阻值对短路电流波形有显著影响。

为了实现故障定位，本文采用了行波法理论进行测距。仿真结果表明，行波法具有较高的测距精度和稳定性，能够准确测量出故障点的位置。此外，本文还采用了小波变换算法对短路故障电流和机车启动时的正常电流波形进行了辨析，实现了对两者的有效区分。

5.2 展望

虽然本文在地铁直流牵引供电系统接触网短路故障的研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些问题和不足。例如，本文只考虑了单一故障点的情况，而实际地铁系统中可能存在多个故障点同时发生的情况。此外，本文的仿真模型是基于理想条件建立的，未考虑实际地铁系统中的复杂因素，如线路损耗、谐波干扰等。

因此，在未来的研究中，我们可以进一步拓展和完善仿真模型，考虑多个故障点同时发生的情况，并引入实际地铁系统中的复杂因素。同时，我们还可以探索更加先进的故障测距方法和波形辨析算法，以提高故障定位的准确性和可靠性。这将有助于地铁供电维护部门更加高效地处理短路故障问题，保障地铁系统的安全稳定运行。

参考文献：

[1] 李俊. 地铁直流牵引供电系统故障测距研究[D]. 西南交通大学， 2013.

[2] 杨志. 地铁直流牵引供电系统短路故障测距研究[D]. 西南交通大学， 2014.

[3] 林国松. 地铁直流牵引供电系统短路故障仿真及测距研究[D]. 西南交通大学， 2015.