【正文】 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。 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。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)。 仿真時間設(shè)為 ，數(shù)值算法采用 ode23tb(siff/TR 一 BDF2）。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。(4)忽略二級管電壓降 。 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。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。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，因為軌道的阻抗是不斷導(dǎo)致電阻比穩(wěn)態(tài)值大，電感比穩(wěn)態(tài)值小。（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 ??? =? 。 321322 RRR RRr ??? 。 33113 RII ?? 。 +Uρ 1I k ∑U+R 1R 4R 3ρ 2R 2I K 2I K 1R 5I ρ 1 I ρ 2 圖 337 雙邊供電等效電路圖 +Uρ 1I kU+r 1R 4ρ 2r 2R 5I 1 I 2r 312 圖 338 雙邊供電網(wǎng)絡(luò)變換圖 按圖 338 網(wǎng)孔 2 列回路方程 回路 1 UrIRI ?? 32111 (18) 回路 2 UrIRI ?? 31222 (19) 解得： 33222311111rRrrRR UI???? (20) 33221112 rR rRII ??? (21) 21 IIIk ?? (22) 式中 11R —— 回路 1 自阻， 431111 RrrR ???? ? （ ? ） 。 （ 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。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。 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。 。從而求得該運行狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)短路電流 [7]。 半穿越電阻： *100 22 ??nbb SUUX ? 。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)。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。 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。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。 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。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。 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。接觸軌系統(tǒng)是牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分。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)。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。供電距離過長，會使末端電壓過低及電能損耗過大 。我國在地鐵軌道系統(tǒng)中，架空式和接觸軌式均有采用。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。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。 牽引供電系統(tǒng)是城軌供電系統(tǒng)的主要諧波源。 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 ? 。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。 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。 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)。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(shè)的主流。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 21。我國國標(biāo)規(guī)定為 750V 和 1500V。 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。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。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。 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。這也是我國城市軌道交通發(fā)展的軟肋。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。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 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。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]。 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]。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)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。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。因此要精確計算短路電流。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。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。 Current incremental protection 目錄 2 目錄 第 1 章 緒 論 ............................................................................................... 1 課題研究的背景及意義 ................