【正文】 跳保護等。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。 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。機車運行時如果兩者接觸不良，就要造成過熱或產(chǎn)生電弧，使接觸導(dǎo)線受損傷。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。 金屬性短路故障是指與鋼軌間發(fā)生金屬接觸，或由于整體絕緣支座 (用于接觸軌與大地的絕緣，支座底部設(shè)置了接地扁銅，與整個供電系統(tǒng)地網(wǎng)相連接 )被擊穿后發(fā)生的接觸軌與接地扁銅直接短路。 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。但隨著運行時間的推移，絕緣支座發(fā)生絕緣老化或支撐件上出現(xiàn)污穢物，產(chǎn)生的泄漏電流通過絕緣支座流向接地扁銅然后經(jīng)變電所地網(wǎng)流回變電所負(fù)極，這種由絕緣泄漏引起的短路故障也為非金屬性短路故障的一種。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。理想電壓源由交流電源空載電壓、系統(tǒng)阻抗、和整流機組的有關(guān)參數(shù)和運行狀態(tài)等因素所決定。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)。由以上參數(shù)可計算得到理想空載直流電壓，穿越阻抗、半穿越阻抗、系統(tǒng)阻抗、換相電抗、禍合系數(shù)等參數(shù)如下 : 空載電壓： VUU do 1 6 4 93 9 2 ?? 。 半穿越電阻： *100 22 ??nbb SUUX ? 。 換相電抗： ??? bnc XXX ? 。從而求得該運行狀態(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。一般來說，鐵磁材料的磁導(dǎo)率隨著電流增大而增大，并呈現(xiàn)出非線性變化特征，而且磁導(dǎo)率隨著電流的增大會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，到達飽和狀態(tài)后，磁導(dǎo)率波動較小。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。 短路電流計算 地鐵牽引供電系統(tǒng)直流短路計算，是工 程中一項不可或缺的內(nèi)容，它是牽引變電所設(shè)備選型、繼電保護整定以及與電動車輛保護協(xié)調(diào)配合的重要依據(jù)。 （ 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。 ○ 1 不考慮對側(cè)接觸網(wǎng)的影響，建立如下 336 電路模型。 +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 ???? ? （ ? ） 。 等效電路圖見圖 339，網(wǎng)路變換后見圖 340； 陸學(xué)文：直流牽引供電系統(tǒng)計算仿真 16 R 2+Uρ 2U+ρ 1R 6R 8R 431 2R 7+Uρ 3R 3U+ρ 44I 3I K 3I K 1R 1R 5 R 9I K 2 I 4I ρ 2I ρ 1I K ∑ 圖 339 考慮相鄰牽引變電所等效電路圖 r 2+Uρ 2U+ρ 1R 6R 8R 431 2R 7+Uρ 3U+ρ 44I 3I 1r 1R 5 R 9I 2 I 4I ρ 2I ρ 1I K ∑r 3 圖 340 考慮相鄰牽引變電所網(wǎng)絡(luò)變換電路圖 按圖 10 網(wǎng)孔 4 列回路方程 回路 1 ： UIrIRI ??? 1332111 ? (23) 回路 2 ： UIrIRI ??? 2431222 ? (24) 回路 3 ： 011333 ?? ?IRI (25) 回路 4 ： 022444 ?? ?IRI (26) 由式 2 2 2 26 得 4422322333213113321111)(RrRrRrRRRUI?????????? 。 33113 RII ?? 。 21 IIIk ?? . 式中： 431111 RrrR ???? ? ； 532222 RrrR ???? ? ； 716233 RR ???? ??。 321322 RRR RRr ??? 。 （ 3） .短路實例計算 采用 1500V 正常雙邊供電方式，考慮相鄰兩側(cè)牽引變電所的影響見圖 339。（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 [2] ） 對應(yīng)圖 339 和圖 340 可以得出： 4321 ???? ??? =? 321311 RRR RRr ??? =? ； 321322 RRR RRr ??? =? ； 321213 RRR RRr ??? =? 。變電所 1 提供的短路電流1dI = 31 II? =。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。在直流牽引系統(tǒng)中，發(fā)生近端短路故障時產(chǎn)生很大的暫態(tài)沖擊電流，暫態(tài)過程受交直流系統(tǒng)參數(shù)及整流器換閥過程影響很大，必選考慮詳細的交直流計算模型，隨著故障距離的增大暫態(tài)沖擊現(xiàn)象逐漸消失，故障電流的暫態(tài)過程出現(xiàn)類似于指數(shù)曲線變化過程，遠端短路故障時暫態(tài)過 程受軌道電氣參數(shù)變化的影響，必須考慮牽引網(wǎng)軌道暫態(tài)電氣參數(shù)的暫態(tài)變化。軌道電氣參數(shù)的計算分為三部分進行分析 :暫態(tài)電阻、暫態(tài)內(nèi)電感和外電感。然后本文對各種供電方式下的穩(wěn)態(tài)短路電流進行了建模分析，并給出了計算公式和實例計算。 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。(2)忽略整流機組換向電阻，其換向電抗三相平衡 。(4)忽略二級管電壓降 。 12 脈波 牽引整流供電電路仿真模型 12 脈波整流電路仿真模型 根據(jù)上述 12 脈波整流電路原理，在 Matlab/Simulink 環(huán)境下建立 12 脈波整流電路真模型，如圖 4 一 11 所示。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。 圖 4 一 11 等效 12 脈波供電整流電路仿真模型 模型參數(shù)設(shè)置如下： 一次側(cè)電源的短路容量為 100MVA，初相角為 0,頻率 50HZ； 變壓器采用軸向雙分裂式三繞組整流變壓器，額定容量 3450kVA，一次側(cè)額定電壓 35kV，二次側(cè)額定電壓 1180V/1180V； 三相二級管整流橋參數(shù)設(shè)置 :使用默認(rèn)值 。 仿真時間設(shè)為 ，數(shù)值算法采用 ode23tb(siff/TR 一 BDF2）。 圖 4— 12 6 脈波整流空載輸入電流及其頻譜圖 圖 4— 13 6 脈波空載輸出電壓及其頻譜圖 分析從 Powergui模塊中采集到的輸入電流、輸出電壓波形與諧波含量，如圖上圖所示。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)。輸出的電壓波形脈動也很小，一個正弦周期之內(nèi)有 6 個脈動。 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。輸出的電壓波形脈動較小，一個正弦周期之內(nèi)有 12 個脈動。 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。兩臺十二脈波整流變壓器一次側(cè)并聯(lián)在同一電網(wǎng)中，二次側(cè)線電壓相同，相位相差 15“，分別連接兩組三相全波橋式整流電路，其兩組低壓繞組相位相差 300 。 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 。 三相整流變壓器參數(shù)設(shè)置 :兩臺三相整流變壓器均采用三繞組三相變壓器