【正文】 ..........18 目錄 3 本章小結(jié) .............................................................................................18 第 4 章 直流短路故障仿真模型 ......................................................................19 12 脈波牽引整流供電電路仿真模型 ...............................................19 12脈波整流電路仿真 模型 .......................................................19 6脈波整流電路空載分析 ........................................................19 12脈波整流電路空載分析 .......................................................20 24 脈波牽引整流供電電路仿 真模型 ...............................................22 24脈波整流電路仿真模型 .......................................................22 24脈波整流電路空載分析 .......................................................23 12/24 脈波整流供電電 路帶負(fù)載仿真比較 ........................................24 24 脈波牽引供電整流電路短路故障仿真 .........................................26 不同點(diǎn)短路故障仿真 ...............................................................27 多座變電 站影響的短路故障仿真模型 .....................................29 直流側(cè)參數(shù)對(duì)短路電流的影響 .........................................................32 短路故障沖擊電流仿真 ....................................................................34 機(jī)車啟動(dòng)仿真 ...................................................................................36 機(jī)車啟動(dòng)電路模型 ...................................................................36 機(jī)車啟動(dòng)仿真模型 ...................................................................36 本章小結(jié) ...........................................................................................38 第 5 章 直流牽引供電系統(tǒng)保護(hù) ....................................................................39 地鐵牽引供電系統(tǒng)保護(hù)概述 .............................................................39 大電流脫扣保護(hù) ................................................................................39 目錄 4 大電流脫扣保護(hù)原理 .................................................................39 大電流脫扣保護(hù)整定原則 .........................................................40 di/dt+△ I 保護(hù) ...................................................................................40 di/dt+△ I保護(hù)原理 ...................................................................40 di/dt+△ I保護(hù)的整定計(jì)算 ........................................................42 . 其他保護(hù)介紹 ....................................................................................43 低電壓保護(hù) ................................................................................43 定時(shí)限過(guò)流保護(hù)。 .....................................................................43 直流雙邊聯(lián)跳保護(hù)。 .................................................................43 熱力過(guò)負(fù)荷保護(hù) ........................................................................43 接地保護(hù) ....................................................................................44 各保護(hù)的配合使用 ............................................................................44 本章小結(jié) .............................................................................................45 結(jié)論與展望 ......................................................................................................46 謝辭 .................................................................................................................48 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................... 2 附錄 A .............................................................................................................. 3 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒 論 課題研究的背景及意義 隨著社會(huì)的發(fā)展，人口大量的涌入城市，導(dǎo)致我國(guó)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(wèn)題，這時(shí)地鐵、輕軌等方式成為解決大中城市交 通擁擠問(wèn)題的最佳選擇，由于城市軌道交通具有運(yùn)載能力大、噪音廢氣污染小、運(yùn)行快速準(zhǔn)時(shí)、占用土地少等特點(diǎn)，使之對(duì)于緩解城市交通擁擠、改善城市大氣環(huán)境以及推動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(zhǎng)短都已經(jīng)成為一個(gè)重要的參照物，來(lái)衡量一個(gè)城市的經(jīng)濟(jì)實(shí)力、一個(gè)國(guó)家的綜合國(guó)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(guó)大城市的共識(shí)。由此可見(jiàn)，中國(guó)的軌道交通建設(shè)具有宏大的發(fā)展前景，廣闊的市場(chǎng)價(jià)值，該行業(yè)的發(fā)展壯大，將推動(dòng)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(yùn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化，系統(tǒng)保護(hù)、監(jiān)控、控制和自動(dòng)化裝置已由單獨(dú)的元件發(fā)展成為綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。目前地鐵一般運(yùn)用大電 流脫扣保護(hù)、電流變化率及電流增量保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、欠電壓保護(hù)、熱力過(guò)負(fù)荷保護(hù)、雙邊聯(lián)跳保護(hù)等等。上述各種保護(hù)的實(shí)現(xiàn)都必須先經(jīng)過(guò)整定計(jì)算來(lái)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，而整定計(jì)算是建立在直流系統(tǒng)短路計(jì)算的基礎(chǔ)上，所以對(duì)直流供電系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)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(jì)算與分析的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的供電計(jì)算方法，每次計(jì)算僅僅涉及兩個(gè)變電所，認(rèn)為正常雙邊供電時(shí)，列車僅從相鄰的左右兩個(gè)牽引變 電所取流。而實(shí)際上城市軌道交通列車在短路故障時(shí)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(jì)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(jì)算的結(jié)果將影響保護(hù)裝置的選擇性、速動(dòng)性、靈敏性、可靠性。所以建模計(jì)算分析對(duì)地鐵安全、可靠的運(yùn)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(guò)實(shí)例分析計(jì)算得出短路故障時(shí)的電流大小，為保護(hù)裝置的設(shè)定提供理論依據(jù)，使得保護(hù)裝置的動(dòng)作值更加合理。最后把電路建模計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果相互效驗(yàn)，確保模型的正確性與可行性。文章最后對(duì)現(xiàn)在地鐵使用 的保護(hù)原理和相互配合方式進(jìn)行了闡述。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)模擬城市軌道牽引列車的運(yùn)行情況和電氣參數(shù)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)供電系統(tǒng)工程進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，多方案比選、運(yùn)營(yíng)維護(hù)中的故障分析等，提高了設(shè)計(jì)效率、節(jié)省工程投資、減少運(yùn)營(yíng)成本，這無(wú)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(shí)踐相結(jié)合的發(fā)展方向。本文通過(guò)對(duì) 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(guò)仿真得出不同短路 故障點(diǎn)時(shí)的暫態(tài)電流波形特征，直流側(cè)電阻和電感變化對(duì)短路電流的影響，機(jī)車啟動(dòng)電流曲線。為地鐵牽引供電設(shè)計(jì)、裝置選擇、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、保護(hù)裝置整定提供數(shù)據(jù)參考。 課題研究現(xiàn)狀 國(guó)外城市軌道交通由于發(fā)展的歷程比較長(zhǎng)，直流側(cè)短路故障的研究相對(duì)來(lái)說(shuō)比較成陸學(xué)文：直流牽引供電系統(tǒng)計(jì)算仿真 2 熟。國(guó)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(wèn)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(dòng)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(duì) 48 脈波整流電路進(jìn)行了分析 [18]。然而二十四脈波整流電路的功率因素已經(jīng)達(dá)到 左右，也就是 說(shuō)基本達(dá)到飽和，再提高整流脈波數(shù)對(duì)提高功率因素已經(jīng)沒(méi)有多大的效果。但是在實(shí)際應(yīng)用中功率因數(shù)與理論計(jì)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(jì)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(guò)程中阻抗是隨頻率改變的。要準(zhǔn)確計(jì)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(jì)算軌道的暫態(tài)阻抗非常的復(fù)雜。有很多文章對(duì)此進(jìn)行了研究，如文獻(xiàn) [12]提出通過(guò)求解電流密度擴(kuò)散偏微分方程，得到實(shí)心圓柱體阻抗表達(dá)式，并將其等效成一個(gè)無(wú)限 RL并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn) [13]]利用等周長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)故障電流的計(jì)算方法，將交流側(cè)及整流機(jī)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(jì)算不同點(diǎn)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(shí)變拓?fù)浞▽?shí)現(xiàn)直流牽引系統(tǒng)交直流變換過(guò)程的建模與數(shù)字仿真計(jì)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(yùn)行工況，以及非理想狀態(tài)下各參數(shù)對(duì)整流外特性的影響。文獻(xiàn) [9]采用 Matlab/Simulink 軟件對(duì)直流供電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真計(jì)算，詳細(xì)地分析了 24 脈波整流裝置的運(yùn)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(guò)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