【正文】 可靠性。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行了闡述。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。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。 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。文獻 [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 [9]采用 Matlab/Simulink 軟件對直流供電網(wǎng)系統(tǒng)進行建模與仿真計算，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。目前，地鐵供電保護設(shè)備基本上都是引進國外技術(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]。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。最后對考慮相鄰變電站影響的正常雙邊供電進行了舉例計算。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。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，供電電壓不宜太高，以確保安全。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)目土髅芏取⒐╇娋嚯x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。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]。本文將著重討論 24 脈波整流系統(tǒng)的仿真模型。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 030 ，其直流電壓脈沖分量的相位角也相差 030 ，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。 24 脈波整流電路 T1 1D U1 1dU 高 壓 網(wǎng) T2 2D 側(cè) U2 2dU 圖 226 24 脈波整流電 路原理圖 24 脈波整流電路原理見圖 226，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 015 相位角。 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。 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。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。 6 脈波整流只產(chǎn)生 7 次以上諧波， 12 脈波整流只產(chǎn)生 11 2 25 次以上諧波， 24 脈波整流只產(chǎn)生 2 2 4 49 次以上諧波。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。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，宜采用架空式接觸網(wǎng)。供電距離過短，又使變電所的數(shù)目過多而不經(jīng)濟。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。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。 變電所 變電所 分區(qū)亭 圖 2— 31 接觸軌供電原理圖 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。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。 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。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。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]。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。 參數(shù)計算 在進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）。 陸學(xué)文：直流牽引供電系統(tǒng)計算仿真 10 Req+VsVdReqVsVd 圖 31 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 %。 分裂電抗： 020 )(*4 ??? kbf XXX ? 。 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]: 。 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行分析 :1. 軌道的電阻 。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)。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 [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]。 R 5 上R 2+Uρ 2I kU+ρ 1R 5 下R 1 下R 43 12R 6+Uρ 3R 3 上R 3 下 圖 334 三座牽引變電所單邊供電 圖 334 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變換后得圖 335： R 2+Uρ 2I k ∑U+ρ 1R 5R 1R 43 12R 6+Uρ 3R 3I 3 I 2 I 1I ρ 2 I ρ 1 圖 335 網(wǎng)絡(luò)變換電路圖 按圖 335 網(wǎng)孔 3 列 回路方程 I1 R11 ? I2 ? 1 =U (6) I2 R22 ? I1 ? 1 ? I3 ? 2 =0 (7) I3 R33 ? I2 ? 2 =0 (8) 解 8 式得 : 332222211 11RRRUI????? (9) 陸學(xué)文：直流牽引供電系統(tǒng)計算仿真 14 33222212 1RRII ???? (10) 33223 RII ?? (11) 由電路圖和上面式子可得出短路電流 ： Ik =I1 (12) 式中 U—— 牽引變電所母線電壓（Ｖ） 1? 、 2? 、 3? —— 牽引變電所內(nèi)阻（ ? ） R11= 211 RR ??? ； R22 = 4321 RR ??? ?? ； 653233 RRR ???? ?? 1R —— 接觸網(wǎng)電阻（ ? ）； 3R 、 R5 —— 接觸網(wǎng)電阻（上下行并聯(lián)） （ ? ） ； 2R 、 4R 、 6R —— 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。 R22—— 回路 2 自阻； R22 = 4321 RR ??? ?? （ ? ）； ○ 3 考慮相鄰兩側(cè)牽引變電所影響 —— 正常雙邊供電。 44224 RII ?? 。 321213 RRR RRr ??? . 本文計算短路電路時直接用 21 IIIk ?? ，會比采用變換前電路計算所得電流稍大。 431111 RrrR ???? ? =+++=? ； 532222 RrrR ???? ? =+++=? ； 716233 RRR ???? ?? =+++=? ； 498244 ?? ???? RRR =+++=? ； 根據(jù)以上數(shù)據(jù)和推算公式計算得到 I1 =39700A 陸學(xué)文：直流牽引供電系統(tǒng)計算仿真 18 2I = 3I = 4I =467A kI =I1 + 2I = 所以變電所 3 提供的短路電流 3dI = 3I =。隨著時間的推移導(dǎo)體有效集膚深度逐漸變大，電阻逐漸減小而電感逐漸增大 [11]。計算鐵軌的暫態(tài)內(nèi)阻抗時，主要考慮集膚效應(yīng)的影響，對于具有不規(guī)則橫截面的鐵軌，考慮集膚效應(yīng)計算它的阻抗是很困難的，常用的做法是采用等效圓柱形導(dǎo)線模型發(fā)進行分析。仿真時為簡化模型我們做如下假設(shè) [20]:(l)交流側(cè)三相電壓平衡，忽略交流側(cè)諧波電壓畸變對整流機組運行模式的影響 。(5)整流機組運行在正常模式下。圖中 ini1 測量輸入電壓， i outv outv2 分別測出整流輸出電流、負(fù)載端電壓、整流器輸出電壓。 6 脈波整流電路空載分析 圖 4 一 11 的 12 脈波整流電路仿真模型中單個整流二極管輸出為 6 脈波，通過仿真得陸學(xué)文：直流牽引供電系統(tǒng)計算仿真 20 到如下圖 4— 12 和圖 4— 13 所示的空載輸入電流和輸出電壓的頻譜分析圖。從圖中可以看出各次諧波的含量都比較低， 7 次諧波含量較大。 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 21 圖 414 12 脈波整流空載輸入電流及其頻譜圖 圖 415 12 脈波空載輸出電壓及其頻譜圖 陸學(xué)文：直流牽引供電系統(tǒng)計算仿真 22 從圖中可以看出各次諧波的含量都較低， 1 13 次諧波含量較大。十二脈波整流變壓器的電源側(cè)繞組采用延邊三角形接線，使每個牽引變電所內(nèi)并聯(lián)運行的兩臺十二脈波整流變壓器的原邊繞組分別移相 + 和一 。 三相移相變壓器參數(shù)設(shè)置 :兩臺三相移相變壓器的次級繞組分別采用 De1ta(Dll)、 Delta(Dl)接線方式，同時將移相角度設(shè)置成 + 與一 。圖中 ini ini2 測出電源 A、 B 的輸入電流； scope2 從上到下一次顯示模型整流后的輸出電流、負(fù)載端電壓、模型輸出電壓。電流總諧波含量 (THD)約為 %，占 6 脈波諧波含量的 75%左右；輸出電壓總諧波含量 (THD)約為 %，占 6 脈波諧波含量的 25%左右，其輸出波形中諧波的次數(shù)基本上以 12k? 1(k=l， 2， 3，? )次為主。電流總諧波含量 (THD)約為 %，輸出電壓總諧波含量 (THD)約為 %輸出波形中諧波的次數(shù)基本上以 6k? 1(k=l， 2， 3，? )次為主。圖中上坐標(biāo)系所示的部分為電流（電壓）的波形，橫軸表示時間 (s)，縱