【正文】 ...................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)。 .................................................................43 熱力過負(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 1 第 1 章 緒 論 課題研究的背景及意義 隨著社會的發(fā)展，人口大量的涌入城市，導(dǎo)致我國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)重等問題，這時地鐵、輕軌等方式成為解決大中城市交 通擁擠問題的最佳選擇，由于城市軌道交通具有運載能力大、噪音廢氣污染小、運行快速準(zhǔn)時、占用土地少等特點，使之對于緩解城市交通擁擠、改善城市大氣環(huán)境以及推動城市經(jīng)濟和社會發(fā)展具有十分重要的意義。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。 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)正常運行的保證。目前地鐵一般運用大電 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。直流牽引供電系統(tǒng)的特殊性增加了故障計算與分析的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的供電計算方法，每次計算僅僅涉及兩個變電所，認(rèn)為正常雙邊供電時，列車僅從相鄰的左右兩個牽引變 電所取流。因此要精確計算短路電流。所以建模計算分析對地鐵安全、可靠的運行有著重大的意義。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。 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，用計算機實時模擬城市軌道牽引列車的運行情況和電氣參數(shù)的動態(tài)過程，對供電系統(tǒng)工程進(jìn)行輔助設(shè)計，多方案比選、運營維護(hù)中的故障分析等，提高了設(shè)計效率、節(jié)省工程投資、減少運營成本，這無疑是供電系統(tǒng)的一種高效的模擬工具和手段，是供電系統(tǒng)理論和實踐相結(jié)合的發(fā)展方向。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。 課題研究現(xiàn)狀 國外城市軌道交通由于發(fā)展的歷程比較長，直流側(cè)短路故障的研究相對來說比較成陸學(xué)文：直流牽引供電系統(tǒng)計算仿真 2 熟。 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]。亦有學(xué)者對 48 脈波整流電路進(jìn)行了分析 [18]。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]。要準(zhǔn)確計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。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。文獻(xiàn) [6]]提出 6 脈波整流，直流側(cè)遠(yuǎn)端短路時故障電流的計算方法，將交流側(cè)及整流機組等效成直流電壓源和電阻電感串聯(lián)。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。文獻(xiàn) [5]討論了 12 脈波整流電路的外特性曲線，明確了在穩(wěn)態(tài)運行中其戴維南等值電路的計算方法，進(jìn)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。這也是我國城市軌道交通發(fā)展的軟肋。 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(hù)問題。 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。 第三章，地鐵直流牽引網(wǎng)的短路參數(shù)計算。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。 第四章，直流短路故障仿真。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。 第五章，地鐵牽引供電保護(hù)。 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?；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。我國國標(biāo)規(guī)定為 750V 和 1500V。 地鐵牽引供電系統(tǒng)的外部電源為城市電網(wǎng)。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。 Y H3 5 K V 電 源 進(jìn) 線 1 3 5 K V 電 源 進(jìn) 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(xué)畢業(yè)設(shè)計 5 牽引變電所 世界各大城市的城市軌道交通早期建設(shè)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。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。 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 。 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)。其電路原理圖如圖223。 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。 D1 和 D2 為兩臺十二相整流器。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。的整流變電系統(tǒng)。 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 ? 。由于電力系統(tǒng)中某些設(shè)備和負(fù)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。 牽引供電系統(tǒng)是城軌供電系統(tǒng)的主要諧波源。當(dāng)然，非正弦電 壓施加在線性電路上，電流也是非正弦。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。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。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。 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)。我國在地鐵軌道系統(tǒng)中，架空式和接觸軌式均有采用。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)。供電距離過長，會使末端電壓過低及電能損耗過大 。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)電壓損失包括牽引網(wǎng)平均電壓損失、最大電壓損失。根據(jù)文獻(xiàn) [1]其波動范圍應(yīng)滿足表 1 中的規(guī)定。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)。若在中央斷開處設(shè)置開關(guān)設(shè)備時，可將兩供電分區(qū)連通，此處稱為分區(qū)亭。接觸軌系統(tǒng)是牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分。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 。 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。隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，微處理器的應(yīng)用實現(xiàn)了電流上升率和電流增量保護(hù)，極大地提高了直流牽引供電系統(tǒng)保護(hù)裝置的可靠性和準(zhǔn)確率。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(hù)、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(hù)為大電流脫扣保護(hù)、電流變化率及電流增量保護(hù)，后備保護(hù)有過電流保護(hù)、欠電壓保護(hù)、熱 力過負(fù)荷保護(hù)、 雙邊聯(lián)