[发明专利]轨道交通直流牵引网任意位置短路时的暂态电流计算方法

说明书

技术领域

本发明属于轨道交通领域，具体涉及一种轨道交通直流牵引网任意位置短路时的暂态电流计算方法。

背景技术

轨道交通直流牵引网短路电流的准确计算不仅是系统设计规划的依据，也是继电保护定值整定和校验的基础，对保证人身安全、降低故障损失有着十分重要的意义。直流牵引网运行方式多，故障时外电路参数和整流机组的运行状态对短路电流的影响很大，要求故障计算方法能兼顾工程实用的简便性和准确性。

直流牵引网的稳态短路电流计算已有较多研究，本发明主要关注暂态短路电流的计算。本发明研究暂态短路电流的目的是对继电保护定值动作进行仿真，因此要保证继电保护所用到的测量量，如暂态短路电流的上升率和电流最大增量等需满足工程计算的误差要求。国内外文献对于暂态短路电流计算方法的研究主要分为两大类：一是外电路阻抗相对于整流机组内阻抗可以忽略的出口短路情况；二是外电路阻抗远大于内阻抗的远端短路情况。显然单纯把短路位置归为上述两种极端情况是不够的，还存在外电路阻抗和内阻抗都不能相对忽略的近端短路情况。近端故障的分析，目前还没有简单实用的计算方法，更没有明确的区分远端、近端以及出口短路的方法。

目前已有整流变直流侧出口短路和远端短路时的计算方法。对于出口故障，采用的暂态短路电流计算公式为：其中，X_T＝2·(X_k+X_S)，X_k为整流变压器全短路电抗，X_s为系统短路电抗，R_T为整流变压器等效电阻，U₂为整流变二次侧线电压额定值。

对于远端短路，采用的暂态短路电流计算公式为：i=I_k(1-e^-t/T)，其中，I_k为由稳态短路电流计算得到的稳态短路电流；时间常数T为：T＝L_eq/R_eq，而R_eq+jωL_eq＝R_s+Z_eql，R_s为远端短路时交流侧及整流机组的等效内电阻，大小由换相电抗X_c决定，单台整流机组是12脉波，等效内阻是由于24脉波是两台12脉波整流机组并联而成，因此Z_eql为从整流端口看出去的外电路等效阻抗，即R_eql+jX_eql，R_eql为外电路等效电阻，X_eql为外电路等效电抗。

近端短路时，单纯运用出口短路电流公式或远端短路电流计算公式，计算值存在相当大的误差，均不能满足工程应用的需求。近端短路模型的建立，既不能像出口短路那样假设整流机组工作模式固定，也不能像远端短路那样主要考虑外电路阻抗和换相阻抗的影响。近端短路时电流介于两种极端情况之间，使整流机组所处工作模式不确定，给计算模型的建立带来很大困难。

发明内容

本发明针对现有技术没有近端故障时暂态电流计算方法，也没有区分远端、近端以及出口短路的方法，提出了基于区分系数和超调量概念的判断远端、近端、出口短路的区分方法和基于权重的近端故障暂态电流计算方法，最终实现完善的轨道交通直流牵引网任意位置短路时的暂态电流计算方法。

根据控制理论中超调量的定义，超调量是指输出量峰值与稳态值之差占稳态值的百分数。超调量越小，说明短路电流最大峰值与稳态值之间的差异越小，波形越平滑，越接近指数上升规律。由于直流侧电阻只影响短路电流的幅值，而负载电感影响短路电流峰值和故障初始电流上升率，所以要着重考虑直流侧电感值对超调量的影响。为此，本发明提出了区分系数K_sc的概念，其定义为：通过Matlab/Simulink搭建的仿真模型进行大量仿真，在考虑了一定的裕度后，可得到：0.75≤K_sc≤1时，总可以满足仿真电流的超调量M≤5%，此时短路电流近似成平滑指数曲线，与远端模型计算结果曲线一致。当0≤K_sc≤0.05时，外电路阻抗对短路电流的影响可以忽略，当做出口短路的情况进行计算。剩下区分系数在0.05＜K_sc＜0.75区间时，应当做近端短路的情况进行计算。