【文章內(nèi)容簡介】 穩(wěn)態(tài)運行中其戴維南等值電路的計算方法，進而簡要討論了等效 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]。 本文主要研究內(nèi)容 本文針對城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。這是變電所設備選擇、保護設計和運行分析的重要依據(jù)。本文首先對直 流各種短路故障進行了介紹，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 脈華東交通大學畢業(yè)設計 3 波整流機組空載、負載電壓電流波形，并對其進行諧波含量分析。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。 陸學文：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。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?；谝陨显?，世界各國城市軌道交通的供電電壓都在 550 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。現(xiàn)在國際電工委員會擬定的電壓標準為 :600V、 750V 和 1500V 三種。我國國標規(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、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。 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)主要負責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 21。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]。 Y H3 5 K V 電 源 進 線 1 3 5 K V 電 源 進 線 2整 流 變 壓 器 機 組 1 整 流 變 壓 器 機 組 21 5 0 0 V+_上 行 下 行走 行 軌機 車D LGG 1G 2 圖 21 城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)圖 華東交通大學畢業(yè)設計 5 牽引變電所 世界各大城市的城市軌道交通早期建設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)建設的主流。本文將著重討論 24 脈波整流系統(tǒng)的仿真模型。 6 脈波整流電路 原理如圖 221 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 0120 。 6 脈波整流電路輸出電壓波形每個周期波動 6 次見圖 222，輸出電壓空載幅值為： UUdo ? ， 波形中主要包含 6n? 1 次諧波。 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)。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。其電路原理圖如圖223。 陸學文：直流牽引供電系統(tǒng)計算仿真 6 D, 11y + 高 壓 閥 dU 側(cè) _ Y, 0ny 圖 223 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： UUdo ? ， 波形中主要包含 12n? 1 次諧波。 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。 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 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。 當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），因此一般都不設橋間平衡電抗器 [9]。 24 脈波整流電路輸出電壓脈動 24 次，含24n? 1 次諧波，空載輸出電壓幅值為： UUdo ? 。 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)中某些設備和負荷的非線性，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。當電力系統(tǒng)向非線性設備及負荷供電時，這些設備或負荷在傳遞、變換、吸收系統(tǒng)發(fā)電機的基波能量的同華東交通大學畢業(yè)設計 7 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。當然，非正弦電 壓施加在線性電路上，電流也是非正弦。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 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。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 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壓器的的負荷不平衡。由上面 24 脈波整流電路原理可知道要形成 24 脈波，需使 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。由此引起的誤差就會導致負荷的不平衡，從而引入諧波分量。 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，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 [1]其波動范圍應滿足表 1 中的規(guī)定。 表 1 系統(tǒng)電壓波動范圍 系統(tǒng)標稱電壓（ V) 系統(tǒng)最低電壓（ V) 系統(tǒng)最高電壓（ V) 750 500 900 1500 1000 1800 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 2— 31 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。若在中央斷開處設置開關(guān)設備時，可將兩供電分區(qū)連通，此處稱為分區(qū)亭。將分區(qū)亭的斷陸學文：直流牽引供電系統(tǒng)計算仿真 8 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 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。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