直流牽引供電系統(tǒng)仿真計算畢業(yè)設(shè)計論文

1、直流牽引供電系統(tǒng)仿真計算專業(yè)：電氣工程及其自動化 學(xué)號：20080210010526 學(xué)生姓名：陸學(xué)文 指導(dǎo)教師：陳劍云 摘要 在城市軌道交通蓬勃發(fā)展的今天，人們對城市軌道交通的安全與穩(wěn)定提出了更高的要求。直流牽引供電系統(tǒng)是城市軌道交通的重要組成部分，供電的安全與可靠是城市軌道交通系統(tǒng)正常運行的保證。城市軌道交通短路故障的分析計算與仿真是提高牽引供電系統(tǒng)安全運行能力及相關(guān)保護與控制技術(shù)的基礎(chǔ)。首先，本文對牽引變電所、牽引網(wǎng)、直流保護系統(tǒng)這三大部分的組成與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析；根據(jù)城市軌道交通的特點對牽引變壓器和牽引網(wǎng)的參數(shù)進(jìn)行了分析計算，并建立了單邊供電和雙邊供電方式下的等效電路模型，給出了不同供電

2、方式下的穩(wěn)態(tài)電流計算公式和計算實例。其次，本文對不同短路故障作了仿真分析。本文利用matlab/simulink工具對當(dāng)前城市軌道交通直流供電系統(tǒng)廣泛采用的12脈波、24脈波直流供電系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，通過仿真分析比較了12/24脈整流機組在空載、負(fù)載時候的諧波含量，24脈波整流機組比12脈波整流機組呈現(xiàn)出更好抑制11、13次諧波的性能。在所建立模型的基礎(chǔ)上，對采用dc1500v接觸線供電的地鐵線路進(jìn)行了不同點發(fā)生短路故障的仿真與分析。由于當(dāng)線路發(fā)生短路故障時不是一座變電所供給短電流，而是由全線相連的變電所供給短路電流。為更精確反應(yīng)短路電流狀況，本文建立了考慮四座變電所供電的雙邊供電模型，并對

3、不同點短路故障進(jìn)行仿真分析，得出了近端短路與遠(yuǎn)端短路時的短路電流變化規(guī)律。參數(shù)計算、建模等的精確程度，都會對仿真得出的短路電流的上升率和幅值產(chǎn)生很大的影響。為更好的掌握短路電流的變化狀況，文章仿真了直流側(cè)參數(shù)對短路電流的影響，為直流保護整定值的調(diào)整提供理論依據(jù)。最后文章結(jié)合地鐵的實際運行情況，對采用直線牽引電機的地鐵機車啟動的暫態(tài)電流和電機沖擊電流加以仿真分析，結(jié)合給出的大電流脫扣保護與di/dt+i保護這兩種主保護的整定原則，對大電流脫扣保護與di/dt+i保護參數(shù)予以整定計算，并對部分保護的配合使用作了分析。關(guān)鍵詞：直流供電系統(tǒng)；地鐵；24脈波整流；短路故障仿真；直流保護；電流上升率；電流

4、增量dc traction power supply system simulationabstract in the development of urban rail transit to flourish today, a higher demand for security and stability of the urban rail transport.the dc traction power supply system is an important part of the urban rail transport, the safety and reliability of

5、supply to the normal operation of the guarantee of urban rail transit system.analysis and calculation of shortcircuit fault for urban rail transit was used to improve the ability of safe peration of traction power supply system and was the basis for protection and control technology. first,in this p

6、aper, traction substations, traction network, dc protection system, the three most composition and structure was analyzed; analyzed and calculated according to the characteristics of urban rail transit traction transformers and traction network parameters, and the establishment of a unilateral foreq

7、uivalent circuit model in the electricity and bilateral power supply, given the formula and an example of the steady-state current in the power supply. secondly, this article were made by the different short-circuit fault simulation.in this paper, the matlab / simulink tool widely used in urban rail

8、 transit dc power supply system 12 pulse, 24 pulse dc power supply system modeling and simulation,subway dc traction substation 12/24 pulse rectifier unit simulation model, and analysis the harmonic content of the 12/24 pulse rectifier unit load,and obtained 24 pulse rectifier unit 12 pulserectifier

9、 unit 11, 13 times harmonic suppression better.on the basis of the model, dc1500v contact wire-powered subway line under different fault short-circuit fault simulation was analyzed. as not a substation supply line short-circuit fault current, but across the board is connected to the substation suppl

10、y short-circuit current. more accurately reflect the short-circuit current conditions this paper consider four bilateral electricity substation supply model, and analysis the difference between short-circuit fault simulation variation proximal short circuit and remote short-circuit short-circuit cur

11、rent.degree of precision parameter calculation, modeling, will have a huge impact on rate of rise and amplitude short-circuit current drawn simulation. to better grasp the changes short-circuit current conditions, the article simulation parameters dc-side short-circuit current. finally, this paper c

12、ombined with the actual operation subway, the subway locomotive using straight-line traction motor start the fault reclesing transient current to simulation analysis, combined with given current trip protection and di/dt+i protect the two majorprotection setting principles for the current trip prote

13、ction and di /dt + i protection parameters be setting calculation, with the use and protection were analyzed.keywords: dc traction power supply system; subway; 24 pulsereetifier; short-circuit fault simulation; dc protection; current rising rate protection; current incremental protection目錄第1章 緒 論61.

14、1 課題研究的背景及意義61.2 課題研究現(xiàn)狀61.3 本文主要研究內(nèi)容7第2章 直流牽引供電系統(tǒng)92.1牽引變電所102.1.1 6脈波整流電路102.1.2 12脈波整流電路102.1.3 24脈波整流電路112.1.4 直流牽引供電系統(tǒng)諧波分析112.2牽引網(wǎng)122.3直流供電保護系統(tǒng)132.4 本章小結(jié)13第3章 直流短路計算143.1直流短路介紹143.2參數(shù)計算143.2.1牽引變電所143.2.2牽引網(wǎng)阻抗153.3短路電流計算163.3.1短路穩(wěn)態(tài)電流163.3.2短路暫態(tài)電流233.4 本章小結(jié)23第4章 直流短路故障仿真模型244.1 12脈波牽引整流供電電路仿真模型244

15、.1.1 12脈波整流電路仿真模型244.1.2 6脈波整流電路空載分析244.1.3 12脈波整流電路空載分析254.2 24脈波牽引整流供電電路仿真模型274.2.1 24脈波整流電路仿真模型274.2.2 24脈波整流電路空載分析284.3 12/24脈波整流供電電路帶負(fù)載仿真比較294.4 24脈波牽引供電整流電路短路故障仿真314.4.1 不同點短路故障仿真324.4.2 多座變電站影響的短路故障仿真模型344.5 直流側(cè)參數(shù)對短路電流的影響374.6 短路故障沖擊電流仿真394.7 機車啟動仿真414.7.1 機車啟動電路模型414.7.2 機車啟動仿真模型414.8 本章小結(jié)43

16、第5章 直流牽引供電系統(tǒng)保護445.1 地鐵牽引供電系統(tǒng)保護概述445.2 大電流脫扣保護445.2.1 大電流脫扣保護原理445.2.2 大電流脫扣保護整定原則455.3 di/dt+i保護455.3.1 di/dt+i保護原理455.3.2 di/dt+i保護的整定計算475.4. 其他保護介紹485.4.1 低電壓保護485.4.2 定時限過流保護。485.4.3 直流雙邊聯(lián)跳保護。485.4.4 熱力過負(fù)荷保護485.4.5 接地保護495.5 各保護的配合使用495.6 本章小結(jié)50結(jié)論與展望51謝辭53參考文獻(xiàn)54附錄a55第1章 緒 論1.1 課題研究的背景及意義 隨著社會的發(fā)展

17、，人口大量的涌入城市，導(dǎo)致我國的各大城市普遍存在著交通堵塞、交通秩序混亂、城市用地緊張、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，這時地鐵、輕軌等方式成為解決大中城市交通擁擠問題的最佳選擇，由于城市軌道交通具有運載能力大、噪音廢氣污染小、運行快速準(zhǔn)時、占用土地少等特點，使之對于緩解城市交通擁擠、改善城市大氣環(huán)境以及推動城市經(jīng)濟和社會發(fā)展具有十分重要的意義。當(dāng)今是否擁有地鐵、地鐵線路總里程的長短都已經(jīng)成為一個重要的參照物，來衡量一個城市的經(jīng)濟實力、一個國家的綜合國力以及當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷纳钏劫|(zhì)量。因而大力發(fā)展地鐵等城市軌道交通己成為各國大城市的共識。由此可見，中國的軌道交通建設(shè)具有宏大的發(fā)展前景，廣闊的市場價值，該行

18、業(yè)的發(fā)展壯大，將推動軌道交通的各種配套技術(shù)尤其是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的跟蹤發(fā)展，進(jìn)而形成城市軌道交通行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)體系。 城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)是城市軌道交通的重要組成部分，其可靠、安全供電是城市軌道交通系統(tǒng)正常運行的保證。為保證地鐵系統(tǒng)安全性及可靠性，地鐵供電系統(tǒng)設(shè)備都己實現(xiàn)自動化和智能化，系統(tǒng)保護、監(jiān)控、控制和自動化裝置已由單獨的元件發(fā)展成為綜合自動化系統(tǒng)。目前地鐵一般運用大電流脫扣保護、電流變化率及電流增量保護、過電流保護、欠電壓保護、熱力過負(fù)荷保護、雙邊聯(lián)跳保護等等。上述各種保護的實現(xiàn)都必須先經(jīng)過整定計算來進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，而整定計算是建立在直流系統(tǒng)短路計算的基礎(chǔ)上，所以對直流供電系統(tǒng)進(jìn)行

19、計算分析具有重大意義。直流牽引供電系統(tǒng)的特殊性增加了故障計算與分析的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的供電計算方法，每次計算僅僅涉及兩個變電所，認(rèn)為正常雙邊供電時，列車僅從相鄰的左右兩個牽引變電所取流。而實際上城市軌道交通列車在短路故障時由連成一體的所有牽引變電所供給短路電流。因此要精確計算短路電流。首先需要建立精確的直流牽引供電系統(tǒng)模型，模型計算的結(jié)果將影響保護裝置的選擇性、速動性、靈敏性、可靠性。所以建模計算分析對地鐵安全、可靠的運行有著重大的意義。本文建立了考慮4座變電所影響的雙邊供電短路故障模型，并通過實例分析計算得出短路故障時的電流大小，為保護裝置的設(shè)定提供理論依據(jù)，使得保護裝置的動作值更加合理。最后把

20、電路建模計算結(jié)果與仿真結(jié)果相互效驗，確保模型的正確性與可行性。文章最后對現(xiàn)在地鐵使用的保護原理和相互配合方式進(jìn)行了闡述。 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，用計算機實時模擬城市軌道牽引列車的運行情況和電氣參數(shù)的動態(tài)過程，對供電系統(tǒng)工程進(jìn)行輔助設(shè)計，多方案比選、運營維護中的故障分析等，提高了設(shè)計效率、節(jié)省工程投資、減少運營成本，這無疑是供電系統(tǒng)的一種高效的模擬工具和手段，是供電系統(tǒng)理論和實踐相結(jié)合的發(fā)展方向。本文通過對6脈波組、12脈波組、24脈波組整流電路的仿真比較， 24脈波整流電路呈現(xiàn)出更好的抑制諧波的性能。接著本文建立采用24脈波整流電路牽引供電的雙邊供電模型，希望通過仿真得出不同短路故障點時的暫態(tài)

21、電流波形特征，直流側(cè)電阻和電感變化對短路電流的影響，機車啟動電流曲線。為地鐵牽引供電設(shè)計、裝置選擇、運營維護、保護裝置整定提供數(shù)據(jù)參考。1.2 課題研究現(xiàn)狀國外城市軌道交通由于發(fā)展的歷程比較長，直流側(cè)短路故障的研究相對來說比較成熟。國內(nèi)在直流供電系統(tǒng)方面的理論研究步伐也在逐漸加快。諧波問題是當(dāng)下城市軌道交通的一大難題之一，城市軌道交通的供電系統(tǒng)波形畸變主要源于車輛供電的整流、逆變裝置，其次是直流電源的成套裝置及其他電子裝置3。為了提高直流供電的電能質(zhì)量，降低直流電源的脈動量，通常采取多脈波整流方法，早期采用六脈波、十二脈波整流，到現(xiàn)在趨向于二十四脈波整流。亦有學(xué)者對48脈波整流電路進(jìn)行了分析1

22、8。然而二十四脈波整流電路的功率因素已經(jīng)達(dá)到0.997左右，也就是說基本達(dá)到飽和，再提高整流脈波數(shù)對提高功率因素已經(jīng)沒有多大的效果。但是在實際應(yīng)用中功率因數(shù)與理論計算還有相當(dāng)大的差距，這是我們應(yīng)該努力的方向15。由于城市軌道交通供電的復(fù)雜性，使供電故障電流計算也是成為一大難題，由于鐵軌很容易受到集膚效應(yīng)的影響，在故障暫態(tài)過程中阻抗是隨頻率改變的。要準(zhǔn)確計算直流牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)故障電流，必須考慮軌道參數(shù)的暫態(tài)變化。然而軌道是不規(guī)則體，要直接精確計算軌道的暫態(tài)阻抗非常的復(fù)雜。有很多文章對此進(jìn)行了研究，如文獻(xiàn)12提出通過求解電流密度擴散偏微分方程，得到實心圓柱體阻抗表達(dá)式，并將其等效成一個無限r(nóng)l

23、并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)13利用等周長原則，詳細(xì)推導(dǎo)出圓柱形導(dǎo)體模型暫態(tài)內(nèi)阻抗的解析表達(dá)式。文獻(xiàn)14采用了將牽引網(wǎng)軌道等效為等周長的圓柱體的方法，得出了軌道暫態(tài)電阻及電感。文獻(xiàn)6提出6脈波整流，直流側(cè)遠(yuǎn)端短路時故障電流的計算方法，將交流側(cè)及整流機組等效成直流電壓源和電阻電感串聯(lián)。在考慮雜散電流收集網(wǎng)在內(nèi)的多導(dǎo)體供電系統(tǒng)模型，利用多折線法精確計算不同點處短路故障穩(wěn)態(tài)短路電流。文獻(xiàn)7采用基于張量分析的時變拓?fù)浞▽崿F(xiàn)直流牽引系統(tǒng)交直流變換過程的建模與數(shù)字仿真計算，詳細(xì)地分析了直流牽引系統(tǒng)交直流變換基本構(gòu)成單元三相橋式6脈波整流和并聯(lián)12脈波橋式整流的運行工況，以及非理想狀態(tài)下各參數(shù)對整流外特性的影響。文獻(xiàn)9采用

24、matlab/simulink 軟件對直流供電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真計算，詳細(xì)地分析了 24 脈波整流裝置的運行工況以及理想狀態(tài)下的整流特性，系統(tǒng)地研究了直流供電網(wǎng)短路故障暫穩(wěn)態(tài)過程。文獻(xiàn)5討論了 12 脈波整流電路的外特性曲線，明確了在穩(wěn)態(tài)運行中其戴維南等值電路的計算方法，進(jìn)而簡要討論了等效 24 脈波整流電路的處理方法，最后給出了一個 12 脈波整流機組的計算實例。 直流保護是確保地鐵安全、可靠運行的保障。這也是我國城市軌道交通發(fā)展的軟肋。目前，地鐵供電保護設(shè)備基本上都是引進(jìn)國外技術(shù)，還需要需要自主研發(fā)，如直流開關(guān)柜內(nèi)的直流快速斷路器、微機保護監(jiān)控單元等4。1.3 本文主要研究內(nèi)容本文針對城

25、市軌道交通牽引供電系統(tǒng)的組成及特點，結(jié)合實際分析了城市軌道交通直流側(cè)短路故障的模型以及直流保護問題。論文的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：第一章，介紹了直流牽引供電系統(tǒng)的研究背景及直流短路故障的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并描述了直流短路故障分析和直流保護的意義，最后介紹了本文主要研究的內(nèi)容。第二章，介紹了地鐵牽引供電的整體結(jié)構(gòu)，對牽引所中的整流機組原理及發(fā)展概括做了分析介紹，分析了整流機組產(chǎn)生諧波原因及其對網(wǎng)側(cè)的影響。其次介紹了牽引網(wǎng)的組成、布局、壓損以及供電方式等，最后對直流供電系統(tǒng)的保護做了闡述。第三章，地鐵直流牽引網(wǎng)的短路參數(shù)計算。這是變電所設(shè)備選擇、保護設(shè)計和運行分析的重要依據(jù)。本文首先對直流各種短路

26、故障進(jìn)行了介紹，在所查資料基礎(chǔ)上，從基本的參數(shù)計算開始，舉例計算了牽引變電所的基本參數(shù)，介紹了牽引網(wǎng)阻抗的幾種計算方法，建模分析了單邊供電、正常雙邊供電、考慮相鄰變電站影響的正常雙邊供電等的短路故障穩(wěn)態(tài)電流計算。最后對考慮相鄰變電站影響的正常雙邊供電進(jìn)行了舉例計算。第四章，直流短路故障仿真。通過對12/24脈波整流機組建模，仿真得出了6/12/24脈波整流機組空載、負(fù)載電壓電流波形，并對其進(jìn)行諧波含量分析。文中建立24脈波整流機組牽引供電的雙邊供電模型，并在此基礎(chǔ)上仿真了不同短路點發(fā)生短路故障時的電流變化和變電所供流情況；為更精確的掌握短路電流情況，本章建立了多座變電站影響時接觸線對鋼軌、接觸

27、線對扁銅短路以及直流側(cè)電阻與電感變化對短路故障電流影響的仿真模型。最后建立了短路故障沖擊電流仿真和機車啟動仿真模型，在此模型基礎(chǔ)上仿真了機車近端啟動、中端啟動各變電所供流情況。第五章，地鐵牽引供電保護。本文闡述了地鐵保護發(fā)展和現(xiàn)狀，對現(xiàn)在地鐵常用幾種保護原理作了分析，介紹了幾種保護的整定值計算方法，最后對地鐵保護的互相配合使用作了分析。第2章 直流牽引供電系統(tǒng) 城市軌道交通幾乎都采用直流供電制式，這是因為城市軌道交通運輸?shù)牧熊嚬β什⒉皇呛艽?，其供電半徑也不大，因此供電電壓不需要太高，還由于直流制比交流制的電壓損失小，因為沒有電抗壓降。另外由于城市內(nèi)的軌道交通，供電線路都處在城市建筑群之間，供電

28、電壓不宜太高，以確保安全?；谝陨显颍澜绺鲊鞘熊壍澜煌ǖ墓╇婋妷憾荚?50一1500v之間，但其檔級很多，這是由各種不同交通形式，不同發(fā)展歷史時期造成的?，F(xiàn)在國際電工委員會擬定的電壓標(biāo)準(zhǔn)為:600v、750v和1500v三種。我國國標(biāo)規(guī)定為750v和1500v。目前我國許多城市都在考慮建造快速軌道交通，選擇750v或1500v供電電壓是一個重大問題，它涉及到供電系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)、供電質(zhì)量、運輸?shù)目土髅芏?、供電距離和車輛選型等，必須根據(jù)各城市的具體條件和要求，綜合論證決定。 地鐵牽引供電系統(tǒng)的外部電源為城市電網(wǎng)。城市電網(wǎng)110kv的高壓電源(或10kv的中壓電源)經(jīng)過主變電所(或電源開閉

29、所)后，將10kv(或35kv、20kv)的中壓電源送給牽引供電系統(tǒng)。牽引供電系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將交流中壓電壓降壓并整流成750v或1500v的直流電壓，并為電力機車供電見圖2-1。牽引供電系統(tǒng)的主要組成部分有牽引變電所和牽引網(wǎng)4。 圖2-1 城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)圖2.1牽引變電所世界各大城市的城市軌道交通早期建設(shè)的地鐵線路運用的牽引變電所普遍采用了6脈波整流電路或12脈波整流電路。近年來在城市軌道交通線路的建設(shè)中以及對原有牽引整流所的改造中，越來越多地采用將兩個12脈波整流器并聯(lián)運行以等效為一個24脈波整流器的整流電路。因為24脈波牽引整流系統(tǒng)相比12脈波牽引整流系統(tǒng)具有更強的削弱網(wǎng)側(cè)諧波電流

30、的功能，因此可以減小諧波含量、降低軌道交通對公用電網(wǎng)的不良影響，同時在電壓調(diào)節(jié)控制上有更強的靈活性并且可以減少直流側(cè)電壓的波動，所以24脈波牽引整流系統(tǒng)將成為我國城市軌道交通中電網(wǎng)建設(shè)的主流。本文將著重討論24脈波整流系統(tǒng)的仿真模型。2.1.1 6脈波整流電路 原理如圖2-21所示，變壓器原邊接三相交流電，副邊與整流橋相連，三相交流電壓各相差。6脈波整流電路輸出電壓波形每個周期波動6次見圖2-22，輸出電壓空載幅值為：，波形中主要包含6n1次諧波。 a b c 圖 2-21 6脈波整流原理圖 圖 2-22 6脈波整流電路空載輸出電壓2.1.2 12脈波整流電路 6脈波整流是12脈波整流的基礎(chǔ)。

31、選擇兩組三相變壓器和整流器系統(tǒng)，使兩組變壓器二次電壓之間相位相差，其直流電壓脈沖分量的相位角也相差，將兩組橋式整流器輸出并聯(lián)運行，即可實現(xiàn)將三相交流電源整流輸出12脈波直流的目的。其電路原理圖如圖2-23。 d, + 高 壓 閥 側(cè) _ y,圖 2-23 12脈波整流原理圖 圖中的兩臺變壓器在工程上已廣泛采用帶雙低壓輸出的軸向分裂四線圈整流變壓器，即一臺雙輸出變壓器作兩臺變壓器用，從而減少工程的占用地面積和費用。12脈波整流電路輸出電壓波形每個周期波動12次，輸出電壓空載幅值為：，波形中主要包含12n1次諧波。2.1.3 24脈波整流電路 t u1 高 壓 網(wǎng) t 側(cè) u2 圖2-26 24脈

32、波整流電路原理圖 24脈波整流電路原理見圖2-26，圖中t1,t2為兩臺十二脈波軸向雙分裂式整流變壓器，且t1和t2低壓輸出電壓相差相位角。d1和d2為兩臺十二相整流器。t1和d1單獨工作時，輸出12脈波的直流電源；t2和d2單獨工作時，也輸出12脈波的直流電源。如圖2-26所示工作時，由于t1和t2具有相角差，合成輸出24脈波的直流電源。當(dāng)一臺變壓器需要檢修時可以由另一臺單獨工作輸出12脈波直流電流。的整流變電系統(tǒng)。值得注意的是，由于變壓器采用了軸向雙分裂式結(jié)構(gòu)，閥側(cè)繞組間具有較大的短路阻抗（分裂阻抗），因此一般都不設(shè)橋間平衡電抗器9。24脈波整流電路輸出電壓脈動24次，含24n1次諧波，空

33、載輸出電壓幅值為：。2.1.4 直流牽引供電系統(tǒng)諧波分析 在理想的電力系統(tǒng)中，電流和電壓都是純粹的正弦波。由于電力系統(tǒng)中某些設(shè)備和負(fù)荷的非線性，即所加的電壓與產(chǎn)生的電流不成線性關(guān)系而造成波形畸變。當(dāng)電力系統(tǒng)向非線性設(shè)備及負(fù)荷供電時，這些設(shè)備或負(fù)荷在傳遞、變換、吸收系統(tǒng)發(fā)電機的基波能量的同時，又把部分基波能量轉(zhuǎn)換為諧波能量，向系統(tǒng)倒送大量的高次諧波，使電力系統(tǒng)的正弦波形畸變，電能質(zhì)量降低。 牽引供電系統(tǒng)是城軌供電系統(tǒng)的主要諧波源。其中采用的牽引整流機組，屬于非線性受電設(shè)備，電壓畸變的程度取決于整流裝置容量和電網(wǎng)容量的相對比值及供電系統(tǒng)對諧波頻率的阻抗。當(dāng)然，非正弦電壓施加在線性電路上，電流也是非

34、正弦。這種非正弦的參數(shù)、牽引整流機組的整流相數(shù)、接線方式的不同，波形畸變程度也不同。整流機組產(chǎn)生的諧波次數(shù)與整流機組輸出脈波數(shù)有關(guān)，理想情況下，反映到整流機組高壓側(cè)產(chǎn)生的諧波電流次數(shù)為(nk士l)的整數(shù)倍，式中n為整流機組脈波數(shù)，k為正整數(shù)，整流機組脈波數(shù)越高，整流越平穩(wěn)，產(chǎn)生低次諧波越少。6脈波整流只產(chǎn)生5、7次以上諧波，12脈波整流只產(chǎn)生11、13、23、25次以上諧波，24脈波整流只產(chǎn)生23、25、47、49次以上諧波。實際上，由于各種非理想因素的存在，12脈波整流也將產(chǎn)生5、7次諧波。 24脈整流電路的引入對網(wǎng)側(cè)諧波影響的因數(shù)主要包含兩點：首先是網(wǎng)側(cè)繞組移向角誤差，其次是整流機組兩臺變

35、壓器的的負(fù)荷不平衡。由上面24脈波整流電路原理可知道要形成24脈波，需使，然而要使則要網(wǎng)側(cè)繞組的外延匝數(shù)與原繞組的匝數(shù)比，該比值不為整數(shù)，而實際應(yīng)用中匝數(shù)比為整數(shù)，這就不可避免的造成誤差；另外，由于網(wǎng)側(cè)繞組分別接成三角形和星形，實際應(yīng)用中由于繞組匝數(shù)是整數(shù)，不可能使閥側(cè)匝數(shù)比等于，只能接近。由此引起的誤差就會導(dǎo)致負(fù)荷的不平衡，從而引入諧波分量。2.2牽引網(wǎng) 牽引網(wǎng)由接觸網(wǎng)、鋼軌回路、饋電線和回流線等組成，它是軌道交通供電系統(tǒng)中向電動列車供電的直接環(huán)節(jié)。接觸網(wǎng)分為架空式接觸網(wǎng)和接觸軌式接觸網(wǎng)。我國在地鐵軌道系統(tǒng)中，架空式和接觸軌式均有采用。一般，牽引網(wǎng)電壓等級較高時，為了安全和保證一定的絕緣距離

36、，宜采用架空式接觸網(wǎng)。在凈空受限的線路和電壓等級較低時多采用接觸軌式接觸網(wǎng)。 牽引變電所是沿鐵路線布置的，每一個牽引變電所有一定的供電范圍。供電距離過長，會使末端電壓過低及電能損耗過大;供電距離過短，又使變電所的數(shù)目過多而不經(jīng)濟。牽引變電所的數(shù)量與直流牽引電壓等級、牽引網(wǎng)最大電壓損失允許值等多個因素有關(guān)。牽引網(wǎng)最大電壓損失允許值一般發(fā)生在雙邊供電分區(qū)中部或單邊供電分區(qū)末端，該值應(yīng)能保證列車的正常啟動。牽引網(wǎng)電壓損失包括牽引網(wǎng)平均電壓損失、最大電壓損失。其中，牽引網(wǎng)最大電壓損失值是影響牽引變電所數(shù)量的關(guān)鍵因素，平均電壓損失值對牽引網(wǎng)能耗影響較大。根據(jù)文獻(xiàn)1其波動范圍應(yīng)滿足表1中的規(guī)定。 表1 系

37、統(tǒng)電壓波動范圍系統(tǒng)標(biāo)稱電壓（v)系統(tǒng)最低電壓（v)系統(tǒng)最高電壓（v)750500900150010001800牽引變電所向接觸軌供電有兩種大的分類:單邊供電和雙邊供電，如圖231所示。接觸網(wǎng)通常在相鄰兩牽引變電所間的中央斷開，將兩牽引變電所之間兩供電臂的接觸網(wǎng)分為兩個供電分區(qū)。每一供電分區(qū)的接觸網(wǎng)只從一端的牽引變電所獲得電流，稱為單邊供電。若在中央斷開處設(shè)置開關(guān)設(shè)備時，可將兩供電分區(qū)連通，此處稱為分區(qū)亭。將分區(qū)亭的斷路器閉合，則相鄰牽引變電所間的兩個接觸網(wǎng)供電分區(qū)均可同時從兩個變電所獲得電流，則稱為雙邊供電。接觸軌系統(tǒng)是牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分。 變電所 變電所 分區(qū)亭 圖 231 接觸軌供

38、電原理圖2.3直流供電保護系統(tǒng) 地鐵直流供電保護系統(tǒng)對確保地鐵交通安全可靠運行具有舉足輕重的作用。它一方面確保向地鐵機車提供安全可靠的供電，減少甚至消除不必要的停電時間，從而提高經(jīng)濟效益;另一方面在直流牽引供電系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，有選擇性地迅速切除故障，以保證機車、設(shè)備和乘客的人身安全，同時還要避免機車正常運行時一些電氣參數(shù)的變化引起保護裝置誤跳閘2。 在地鐵交通發(fā)展的初期，直流供電保護系統(tǒng)在性能、可靠性方面還很不完善，一般僅依靠電流速斷保護和過流保護切除短路故障，效果往往很不理想，保護裝置都是由電磁式繼電器構(gòu)成。這類保護裝置中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器、重合閘繼電器等元器件，由于使

39、用的元器件數(shù)量和品種很多，使得系統(tǒng)接線復(fù)雜，潛在故障點多，降低了整個系統(tǒng)的安全可靠性。隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，微處理器的應(yīng)用實現(xiàn)了電流上升率和電流增量保護，極大地提高了直流牽引供電系統(tǒng)保護裝置的可靠性和準(zhǔn)確率。目前最先進(jìn)的保護方法是，采用基于可編程控制器的數(shù)字式保護裝置取代傳統(tǒng)的繼電器保護裝置，大大提高了可靠性、保護性能以及直流牽引供電的自動化程度。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來的趨勢是向計算機化、網(wǎng)絡(luò)化、保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化及人工智能化發(fā)展19目前地鐵一般運用主保護為大電流脫扣保護、電流變化率及電流增量保護，后備保護有過電流保護、欠電壓保護、熱力過負(fù)荷保護、雙邊聯(lián)跳保護等。2.

40、4 本章小結(jié) 本章介紹了地鐵牽引供電的整體結(jié)構(gòu)，首先對牽引所中的整流機組原理及發(fā)展概括做了分析介紹，并對整流機組產(chǎn)生的諧波做了分析。其次介紹了牽引網(wǎng)的組成、布局、壓損以及供電方式等，最后對直流供電系統(tǒng)的保護做了闡述。第3章 直流短路計算3.1直流短路介紹通過對城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)短路過程分析計算，正確選擇和校驗電器設(shè)備，完善直流供電系統(tǒng)保護裝置的設(shè)置和整定值計算的原則方法，為供電設(shè)計和運營維護提供理論依據(jù)，提高系統(tǒng)運行可靠性。牽引供電系統(tǒng)可能會發(fā)生各種故障和不正常運行狀態(tài)，最常見的同時也是最危險的故障就是各種形式的短路故障。因此我們所說的地鐵供電系統(tǒng)發(fā)生故障主要是軌道短路故障，隨著機車位置

41、的移動，受電弓與接觸導(dǎo)線一直處于滑動接觸狀態(tài)，長時間處于高速摩擦、振動等惡劣工作環(huán)境中。機車運行時如果兩者接觸不良，就要造成過熱或產(chǎn)生電弧，使接觸導(dǎo)線受損傷。另外由于受電弓對接觸導(dǎo)線有迅速移動的向上壓力，使接觸導(dǎo)線經(jīng)常處于振動狀態(tài)，因此引起機械方面故障的幾率增大。這些損傷及故障都可能導(dǎo)致牽引網(wǎng)短路，所以牽引網(wǎng)發(fā)生故障的可能性很高。根據(jù)直流短路方式的不同分為金屬性短路和非金屬性短路11。金屬性短路故障是指與鋼軌間發(fā)生金屬接觸，或由于整體絕緣支座(用于接觸軌與大地的絕緣，支座底部設(shè)置了接地扁銅，與整個供電系統(tǒng)地網(wǎng)相連接)被擊穿后發(fā)生的接觸軌與接地扁銅直接短路。例如對供電系統(tǒng)進(jìn)行停電檢修作亞時，維修

42、人員恰巧將金屬工具放置在接觸軌與鋼軌之間而忘記取走，送電時將發(fā)生接觸軌對鋼軌的直接短路故障。非金屬性短路主要是指線路上發(fā)生非金屬性情況下的一種短路，如雨、雪等淹沒或覆蓋接觸軌的情況，此時以雨雪作為導(dǎo)體。另外，供電系統(tǒng)運行初期，接觸軌由整體絕緣支座固定在道床上，與接地扁銅之間絕緣良好。但隨著運行時間的推移，絕緣支座發(fā)生絕緣老化或支撐件上出現(xiàn)污穢物，產(chǎn)生的泄漏電流通過絕緣支座流向接地扁銅然后經(jīng)變電所地網(wǎng)流回變電所負(fù)極，這種由絕緣泄漏引起的短路故障也為非金屬性短路故障的一種。在接觸軌供電系統(tǒng)中，電弧短路故障也是可能發(fā)生的一種非金屬性短路故障。電弧短路是指帶電體對導(dǎo)體放電產(chǎn)生的短路，如接觸軌對地放電。

43、3.2參數(shù)計算3.2.1牽引變電所 在進(jìn)行直流牽引供電系統(tǒng)的仿真時，牽引變電所一般按戴維南或諾頓等效電路建模，在戴維南等效電路中，牽引變電所用等效內(nèi)電阻req與理想電壓源vs相串聯(lián)來表示（見圖）。理想電壓源由交流電源空載電壓、系統(tǒng)阻抗、和整流機組的有關(guān)參數(shù)和運行狀態(tài)等因素所決定。通過計算分析出整流電路的外特性，然后再分析運行狀態(tài)來計算出短路阻抗。目前地鐵的發(fā)展趨向于采用24脈波整流方式，24脈波整流機組可以等效為兩個相同容量的12脈波整流機組并聯(lián)。 圖3-1 牽引變電所等效模型 1. 實例計算 ：設(shè)系統(tǒng)一次側(cè)短路容量100mva，某軸向雙分裂式12脈波整流機組，額定容量3450kva，網(wǎng)側(cè)額定

44、電壓33kv，閥側(cè)額定電壓 1180kv，分裂變壓器穿越阻抗百分比:8%，半穿越阻抗百分比6.5%。由以上參數(shù)可計算得到理想空載直流電壓，穿越阻抗、半穿越阻抗、系統(tǒng)阻抗、換相電抗、禍合系數(shù)等參數(shù)如下:空載電壓： ;(若采用6脈波機組則：；若采用24脈波機組：)交流側(cè)短路阻抗：0.01394；穿越電阻：;半穿越電阻：;分裂電抗：;換相電抗：;耦合系數(shù)：；由耦合系數(shù)就可以計算出整流機組的工作區(qū)間，求得各種運行狀態(tài)下的理想等效電源和等效電阻。從而求得該運行狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)短路電流7。3.2.2牽引網(wǎng)阻抗在輸電系統(tǒng)中線路的計算模型一般以四個參數(shù)描述7: 1.反映線路通過電流時產(chǎn)生有功功率損失效應(yīng)的電阻;2

45、.反映載流導(dǎo)線周圍磁場效應(yīng)的電感;3.反映線路帶電時絕緣介質(zhì)中產(chǎn)生泄漏電流及導(dǎo)體附件空氣游離而產(chǎn)生有功功率損失的電導(dǎo);4.反映帶電導(dǎo)線周圍電場效應(yīng)的電容。 由于在直流牽引系統(tǒng)中牽引網(wǎng)電壓等級低、距離短并且走行回流軌對地采用絕緣安裝方式，一般為簡單計算采用串聯(lián)電阻和電感的牽引網(wǎng)電路模型，忽略對地電容和電導(dǎo)的影響，對于軌道電氣參數(shù)的計算從以下三個方面進(jìn)行分析:1. 軌道的電阻; 2.軌道的內(nèi)電感; 3.軌道的外電感。 軌道的外電感反映軌道周圍的磁場效應(yīng)，當(dāng)牽引網(wǎng)的各條軌道間距以及外部安裝環(huán)境確定，軌道的外電感就基本上確定7，而電阻和內(nèi)電感卻受眾多因素的影響，作為正極的鐵三軌和負(fù)極回流線的走行軌都具

46、有較大的不規(guī)則橫截面，顯著的集膚效應(yīng)以及磁飽和特性，使得軌道電阻和內(nèi)電感的計算變得非常復(fù)雜。當(dāng)突然發(fā)生短路故障時，暫態(tài)初始時刻導(dǎo)體中電流傳播會產(chǎn)生集膚效應(yīng)，導(dǎo)體有效膚深小，故使得暫態(tài)初始時刻電阻大、內(nèi)電感小，體現(xiàn)出故障初始時刻時間常數(shù)較小，但隨著時間的推移導(dǎo)體有效膚深逐漸變大，電阻逐漸減小而內(nèi)電感逐漸增大，時間常數(shù)也逐漸增大，集膚效應(yīng)對軌道電氣參數(shù)的暫態(tài)變化起主導(dǎo)作用，但是導(dǎo)體的集膚效應(yīng)阻抗同時又受到磁導(dǎo)率產(chǎn)的影響，而鐵磁材料的磁導(dǎo)率又與電流大小密切相關(guān)。一般來說，鐵磁材料的磁導(dǎo)率隨著電流增大而增大，并呈現(xiàn)出非線性變化特征，而且磁導(dǎo)率隨著電流的增大會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，到達(dá)飽和狀態(tài)后，磁導(dǎo)率波動較小

47、。直流牽引網(wǎng)短路電流上升速率很大，在極短的時間內(nèi)就上升到數(shù)千安培，使得材料特性迅速趨于飽和狀態(tài)，所以磁飽和現(xiàn)象對軌道暫態(tài)電氣參數(shù)變化不起主導(dǎo)作用。對于該類問題的計算分析有多種方法，由于計算不是本文重點，本文不作推算。短路暫態(tài)阻抗的計算方法主要有：(1)采用數(shù)值計算的方法，如有限差分法和有限元方法，參見文獻(xiàn)7；(2)將不規(guī)則橫截面導(dǎo)體等效為柱狀均勻長直導(dǎo)體的方法7；(3)基于導(dǎo)體細(xì)分的方法，該方法的基本思路就是將整個導(dǎo)體細(xì)分為若干子部分，分析細(xì)分導(dǎo)體間的電磁關(guān)系，建立電感、電阻計算矩陣6。3.3短路電流計算3.3.1短路穩(wěn)態(tài)電流地鐵牽引供電系統(tǒng)直流短路計算，是工程中一項不可或缺的內(nèi)容，它是牽引變

48、電所設(shè)備選型、繼電保護整定以及與電動車輛保護協(xié)調(diào)配合的重要依據(jù)。下面采用電路圖法對地鐵單邊供電和雙邊供電兩種供電方式進(jìn)行分析，當(dāng)牽引網(wǎng)為雙邊供電時，某一點短路全線的牽引變電所都向短路點供電2。（1） 單邊供電1） 一座牽引變電所單邊供電 一座牽引變電所單邊供電等效電路圖見圖3-31.圖3-31 單邊供電等效網(wǎng)絡(luò)圖由圖得到短路電流計算公式： i=(a) （1）式中u牽引變電所母線電壓（） 牽引變電所內(nèi)阻（） 接觸網(wǎng)電阻 （） 走行軌電阻（上下行并聯(lián)）（） 2） 兩座牽引變電所單邊供電供電等效電路見圖圖3-32，網(wǎng)絡(luò)變化圖見圖3-33. 圖3-32 兩座牽引變電所單邊供電等效網(wǎng)絡(luò)圖 圖3-33 網(wǎng)

49、絡(luò)變化電路圖圖3-32經(jīng)變換后如圖3-33，按圖3-33中網(wǎng)孔1和網(wǎng)孔2列回路方程：回路1 ： iri=u （2）回路2 ： iri=0 （3）由式（2）帶入式（1）得： ir=u （4） i= （5）其中 r回路1自阻；r=（） ； r回路2自阻；r=（）； 、牽引變電所內(nèi)阻（）；接觸網(wǎng)電阻（）；走行軌電阻（上下行并聯(lián)）（）；接觸網(wǎng)電阻（上下行并聯(lián)）（）；走行軌電阻（上下行并聯(lián)）（）；3） 三座牽引變電所單邊供電等效電路圖如圖3-34。圖3-34 三座牽引變電所單邊供電 圖3-34經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變換后得圖3-35：圖3-35 網(wǎng)絡(luò)變換電路圖 按圖3-35網(wǎng)孔1、2、3列回路方程iri=u (6)ir

50、ii=0 (7)iri=0 (8)解6、7、8式得: (9) (10) (11)由電路圖和上面式子可得出短路電流： i=i (12) 式中 u牽引變電所母線電壓（） 、 牽引變電所內(nèi)阻（） r=； r=； 接觸網(wǎng)電阻（）； 、r接觸網(wǎng)電阻（上下行并聯(lián)） （） ； 、走行軌電阻（上 下行并聯(lián)） （） ； （2） 牽引網(wǎng)雙邊供電短路計算 1) 兩座牽引變電所正常雙邊供電。 不考慮對側(cè)接觸網(wǎng)的影響，建立如下3-36電路模型。圖3-36 雙邊供電等效電路圖按圖3-36網(wǎng)孔1、2列回路方程： 回路1：ir=u （13） 回路2：ir=u （14） （15） （16） （17） 考慮對側(cè)接觸網(wǎng)的影響，等效

51、電路圖如圖3-37，圖3-38為等效變換后所得。圖3-37 雙邊供電等效電路圖 圖3-38 雙邊供電網(wǎng)絡(luò)變換圖按圖3-38網(wǎng)孔1、2列回路方程回路1 (18)回路2 (19)解得： (20) (21) (22)式中 回路1自阻，（）; r回路2自阻；r=（）；考慮相鄰兩側(cè)牽引變電所影響正常雙邊供電。等效電路圖見圖3-39，網(wǎng)路變換后見圖3-40； 圖3-39 考慮相鄰牽引變電所等效電路圖 圖3-40 考慮相鄰牽引變電所網(wǎng)絡(luò)變換電路圖按圖10網(wǎng)孔1、2、3、4列回路方程回路1 ： (23)回路2 ： (24) 回路3 ： (25)回路4 ： (26)由式23、24、25、26得;.式中： ； ； ; .y變換：; ; .本文計算短路電路時直接用，會比采用變換前電路計算所得電流稍大。 （3）.短路實例計算