【正文】 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)對短路電流的影響 .........................................................32 短路故障沖擊電流仿真 ....................................................................34 機(jī)車啟動仿真 ...................................................................................36 機(jī)車啟動電路模型 ...................................................................36 機(jī)車啟動仿真模型 ...................................................................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)的整定計算 ........................................................42 . 其他保護(hù)介紹 ....................................................................................43 低電壓保護(hù) ................................................................................43 定時限過流保護(hù)。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)、過電流保護(hù)、欠電壓保護(hù)、熱力過負(fù)荷保護(hù)、雙邊聯(lián)跳保護(hù)等等。最后把電路建模計算結(jié)果與仿真結(jié)果相互效驗，確保模型的正確性與可行性。 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]。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(kuò)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 RL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。這也是我國城市軌道交通發(fā)展的軟肋。本文首先對直 流各種短路故障進(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。 陸學(xué)文：直流牽引供電系統(tǒng)計算仿真 4 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(yùn)輸?shù)牧熊嚬β什⒉皇呛艽螅涔╇姲霃揭膊淮?，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。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(jī)車供電見圖 21。 A B C 圖 221 6 脈波整流原理圖 圖 222 6 脈波整流電路空載輸出電壓 12 脈波整流電路 6 脈波整流是 12 脈波整流的基礎(chǔ)。如圖 226 所示工作時，由于 T1 和 T2 具有 015 相角差，合成輸出 24 脈波的直流電源。 牽引供電系統(tǒng)是城軌供電系統(tǒng)的主要諧波源。由上面 24 脈波整流電路原理可知道要形成 24 脈波，需使 015?? ，然而要使 015?? 則要網(wǎng)側(cè)繞組的外延匝數(shù)與原繞組的匝數(shù)比 00 in/ in/ ?? NN ，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 3 ，只能接近。供電距離過長，會使末端電壓過低及電能損耗過大 。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)。 在地鐵交通發(fā)展的初期，直流供電保護(hù)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(hù)和過流保護(hù)切除短路故障，效果往往很不理想，保護(hù)裝置都是由電磁式繼電器構(gòu)成。 牽引供電系統(tǒng)可能會發(fā)生各種故障和不正常運(yùn)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。 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。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(jī)組可以等效為兩個相同容量的 12 脈波整流機(jī)組并聯(lián)。從而求得該運(yùn)行狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)短路電流 [7]。 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)境華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 11 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。 （ 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 331. R 1R 2+Uρ 1I 1I k 圖 331 單邊供電等效網(wǎng)絡(luò)圖 由圖得到短路電流計算公式： Ik =211 RRU???(A) （ 1） 陸學(xué)文：直流牽引供電系統(tǒng)計算仿真 12 式中 U— 牽引變電所母線電壓（Ｖ） 1?— 牽引變電所內(nèi)阻（ ? ） 1R — 接觸網(wǎng)電阻 （ ? ） 2R — 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 332，網(wǎng)絡(luò)變化圖見圖 333. R 3 上R 2+Uρ 2I 1I kU+ρ 1R 3 下 R 1R 421+Uρ 1I k ∑U+R 1R 421R 2ρ 2R 3I 2 I 1I ρ 1 圖 332 兩座牽引變電所單邊供電等效網(wǎng)絡(luò)圖 圖 333 網(wǎng)絡(luò)變化電路圖 圖 332 經(jīng)變換后如圖 333，按圖 333 中網(wǎng)孔 1 和網(wǎng)孔 2 列回路方程： 回路 1 ： I1 R11 ? I2 ? 1 =U （ 2） 回路 2 ： I2 R22 ? I1 ? 1 =0 （ 3） 由式（ 2）帶入式（ 1）得： I1 R11 ? 12221 IR?=U （ 4） Ik = 22111 21RRUI ??? （ 5） 其中 R11—— 回路 1 自阻； R11= 211 RR ??? （ ? ） ； R22—— 回路 2 自阻； R22 = 4321 RR ??? ?? （ ? ）； 1? 、 2? —— 牽引變電所內(nèi)阻（ ? ）； 1R —— 接觸網(wǎng)電阻（ ? ）； 2R —— 走行軌電阻（上下行并聯(lián)）（ ? ）； 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 13 3R —— 接觸網(wǎng)電阻（上下行并聯(lián)）（ ? ）； 4R —— 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 334。 33113 RII ?? 。（牽引變電所內(nèi)阻和等效電源的計算方法在 節(jié)已作分析，這里所取數(shù)據(jù)為平均值，參考文獻(xiàn) [2] ） 對應(yīng)圖 339 和圖 340 可以得出： 4321 ???? ??? =? 321311 RRR RRr ??? =? ； 321322 RRR RRr ??? =? ； 321213 RRR RRr ??? =? 。軌道電氣參數(shù)的計算分為三部分進(jìn)行分析 :暫態(tài)電阻、暫態(tài)內(nèi)電感和外電感。(4)忽略二級管電壓降 。 仿真時間設(shè)為 ，數(shù)值算法采用 ode23tb(siff/TR 一 BDF2）。 12 脈波整流電路空載分析 根據(jù)圖 4 一 11 的仿真模型 我們得到 12 脈波整流空載輸入電流及其頻譜分析見圖 414，空載輸出電壓見圖 415。 圖 4 一 21 等效 24 脈波供電整流電路仿真模型 模型圖 4 一 21 參數(shù)設(shè)置如下： 三相對稱交流電壓源 (A、 B、 C)其幅值為 16KV、頻率 50HZ、相位分別為 0 、 0120? 、 0120 。 24 脈波牽引整流供電電路仿真模型 24 脈波整流電路仿真模型 等效二十四脈波牽引整流變壓器是由兩臺十二脈波整流變壓器并聯(lián)組成。下坐標(biāo)系所示部分為電流（電壓）的諧波總含量與各次諧 波的含量，橫坐標(biāo)軸表示的是波形諧波的次數(shù)，縱坐標(biāo)軸則表示的是各次諧波與輸出的基波分量之間比值的百分?jǐn)?shù)。整流器輸出再并聯(lián)連接后接到負(fù)載端，構(gòu)成 12 脈波整流電路仿真模型，單個整流二極管輸出 6 脈波。 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 19 第 4 章 直流短路故障仿真模型 在 MATLAB 一 simulink 的環(huán)境下對等效 12/24 脈波牽引移相整流電路進(jìn)行仿真，文中的模型就是基于 版本中的電力系統(tǒng)工具箱 (simPowersystems)建立的。變電所 4 提供的短路電流 44 IId ? =467A. 短路初始時刻電流集中在鋼軌的邊緣，因為軌道