直流牽引供電系統仿真計算畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 保護裝置誤跳閘[2]。 在地鐵交通發展的初期，直流供電保護系統在性能、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件，由于使用的元器件數量和品種很多，使得系統接線復雜，潛在故障點多，降低了整個系統的安全可靠性。隨著電子技術、計算機技術的發展，微處理器的應用實現了電流上升率和電流增量保護，極大地提高了直流牽引供電系統保護裝置的可靠性和準確率。目前最先進的保護方法是，采用基于可編程控制器的數字式保護裝置取代傳統的繼電器保護裝置，大大提高了可靠性、保護性能以及直流牽引供電的自動化程度。隨著科學技術的發展，未來的趨勢是向計算機化、網絡化、保護、控制、測量、數據通信一體化及人工智能化發展[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、熱力過負荷保護、雙邊聯跳保護等。 本章小結 本章介紹了地鐵牽引供電的整體結構，首先對牽引所中的整流機組原理及發展概括做了分析介紹，并對整流機組產生的諧波做了分析。其次介紹了牽引網的組成、布局、壓損以及供電方式等，最后對直流供電系統的保護做了闡述。第3章 直流短路計算通過對城市軌道交通牽引供電系統短路過程分析計算，正確選擇和校驗電器設備，完善直流供電系統保護裝置的設置和整定值計算的原則方法，為供電設計和運營維護提供理論依據，提高系統運行可靠性。牽引供電系統可能會發生各種故障和不正常運行狀態，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。因此我們所說的地鐵供電系統發生故障主要是軌道短路故障，隨著機車位置的移動，受電弓與接觸導線一直處于滑動接觸狀態，長時間處于高速摩擦、振動等惡劣工作環境中。機車運行時如果兩者接觸不良，就要造成過熱或產生電弧，使接觸導線受損傷。另外由于受電弓對接觸導線有迅速移動的向上壓力，使接觸導線經常處于振動狀態，因此引起機械方面故障的幾率增大。這些損傷及故障都可能導致牽引網短路，所以牽引網發生故障的可能性很高。根據直流短路方式的不同分為金屬性短路和非金屬性短路[11]。金屬性短路故障是指與鋼軌間發生金屬接觸，或由于整體絕緣支座(用于接觸軌與大地的絕緣，支座底部設置了接地扁銅，與整個供電系統地網相連接)被擊穿后發生的接觸軌與接地扁銅直接短路。例如對供電系統進行停電檢修作亞時，維修人員恰巧將金屬工具放置在接觸軌與鋼軌之間而忘記取走，送電時將發生接觸軌對鋼軌的直接短路故障。非金屬性短路主要是指線路上發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，此時以雨雪作為導體。另外，供電系統運行初期，接觸軌由整體絕緣支座固定在道床上，與接地扁銅之間絕緣良好。但隨著運行時間的推移，絕緣支座發生絕緣老化或支撐件上出現污穢物，產生的泄漏電流通過絕緣支座流向接地扁銅然后經變電所地網流回變電所負極，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。在接觸軌供電系統中，電弧短路故障也是可能發生的一種非金屬性短路故障。電弧短路是指帶電體對導體放電產生的短路，如接觸軌對地放電。 在進行直流牽引供電系統的仿真時，牽引變電所一般按戴維南或諾頓等效電路建模，在戴維南等效電路中，牽引變電所用等效內電阻Req與理想電壓源VS相串聯來表示（見圖）。理想電壓源由交流電源空載電壓、系統阻抗、和整流機組的有關參數和運行狀態等因素所決定。通過計算分析出整流電路的外特性，然后再分析運行狀態來計算出短路阻抗。目前地鐵的發展趨向于采用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。 圖31 牽引變電所等效模型 1. 實例計算 ：設系統一次側短路容量100MVA，某軸向雙分裂式12脈波整流機組，額定容量3450kVA，網側額定電壓33kV，閥側額定電壓 1180kV，分裂變壓器穿越阻抗百分比:8%，%。由以上參數可計算得到理想空載直流電壓，穿越阻抗、半穿越阻抗、系統阻抗、換相電抗、禍合系數等參數如下:空載電壓： 。(若采用6脈波機組則：；若采用24脈波機組：)交流側短路阻抗：；穿越電阻：。半穿越電阻：。分裂電抗：。換相電抗：。耦合系數：；由耦合系數就可以計算出整流機組的工作區間，求得各種運行狀態下的理想等效電源和等效電阻。從而求得該運行狀態下的穩態短路電流[7]。在輸電系統中線路的計算模型一般以四個參數描述[7]: 。 由于在直流牽引系統中牽引網電壓等級低、距離短并且走行回流軌對地采用絕緣安裝方式，一般為簡單計算采用串聯電阻和電感的牽引網電路模型，忽略對地電容和電導的影響，對于軌道電氣參數的計算從以下三個方面進行分析:1. 軌道的電阻。 。 。 軌道的外電感反映軌道周圍的磁場效應，當牽引網的各條軌道間距以及外部安裝環境確定，軌道的外電感就基本上確定[7]，而電阻和內電感卻受眾多因素的影響，作為正極的鐵三軌和負極回流線的走行軌都具有較大的不規則橫截面，顯著的集膚效應以及磁飽和特性，使得軌道電阻和內電感的計算變得非常復雜。當突然發生短路故障時，暫態初始時刻導體中電流傳播會產生集膚效應，導體有效膚深小，故使得暫態初始時刻電阻大、內電感小，體現出故障初始時刻時間常數較小，但隨著時間的推移導體有效膚深逐漸變大，電阻逐漸減小而內電感逐漸增大，時間常數也逐漸增大，集膚效應對軌道電氣參數的暫態變化起主導作用，但是導體的集膚效應阻抗同時又受到磁導率產的影響，而鐵磁材料的磁導率又與電流大小密切相關。一般來說，鐵磁材料的磁導率隨著電流增大而增大，并呈現出非線性變化特征，而且磁導率隨著電流的增大會出現飽和現象，到達飽和狀態后，磁導率波動較小。直流牽引網短路電流上升速率很大，在極短的時間內就上升到數千安培，使得材料特性迅速趨于飽和狀態，所以磁飽和現象對軌道暫態電氣參數變化不起主導作用。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。短路暫態阻抗的計算方法主要有：(1)采用數值計算的方法，如有限差分法和有限元方法，參見文獻[7]；(2)將不規則橫截面導體等效為柱狀均勻長直導體的方法[7]；(3)基于導體細分的方法，該方法的基本思路就是將整個導體細分為若干子部分，分析細分導體間的電磁關系，建立電感、電阻計算矩陣[6]。地鐵牽引供電系統直流短路計算，是工程中一項不可或缺的內容，它是牽引變電所設備選型、繼電保護整定以及與電動車輛保護協調配合的重要依據。下面采用電路圖法對地鐵單邊供電和雙邊供電兩種供電方式進行分析，當牽引網為雙邊供電時，某一點短路全線的牽引變電所都向短路點供電[2]。（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.圖331 單邊供電等效網絡圖由圖得到短路電流計算公式： I=(A) （1）式中U—牽引變電所母線電壓（Ｖ）　　— 牽引變電所內阻（）— 接觸網電阻 （）— 走行軌電阻（上下行并聯）（） 2） 兩座牽引變電所單邊供電供電等效電路見圖圖332，網絡變化圖見圖333. 圖332 兩座牽引變電所單邊供電等效網絡圖 圖333 網絡變化電路圖圖332經變換后如圖333，按圖333中網孔1和網孔2列回路方程：回路1 ： IRI=U （2）回路2 ： IRI=0 （3）由式（2）帶入式（1）得： IR=U （4） I= （5）其中 R——回路1自阻；R=（） ； R——回路2自阻；R=（）； 、——牽引變電所內阻（）；——接觸網電阻（）；——走行軌電阻（上下行并聯）（）；——接觸網電阻（上下行并聯）（）；——走行軌電阻（上下行并聯）（）；3） 三座牽引變電所單邊供電等效電路圖如圖334。圖334 三座牽引變電所單邊供電 圖334經網絡變換后得圖335：圖335 網絡變換電路圖 按圖335網孔3列回路方程IRI=U (6)IRII=0 (7)IRI=0 (8)解8式得: (9) (10) (11)由電路圖和上面式子可得出短路電流： I=I (12) 式中 U——牽引變電所母線電壓（Ｖ）　　 、—— 牽引變電所內阻（） R=； R=； —— 接觸網電阻（）； 、R——接觸網電阻（上下行并聯） （） ； 、——走行軌電阻（上 下行并聯） （） ； （2） 牽引網雙邊供電短路計算 1) 兩座牽引變電所正常雙邊供電。 不考慮對側接觸網的影響，建立如下336電路模型。圖336 雙邊供電等效電路圖按圖336網孔2列回路方程： 回路1：IR=U （13） 回路2：IR=U （14） （15） （16） （17） 考慮對側接觸網的影響，等效電路圖如圖337，圖338為等效變換后所得。圖337 雙邊供電等效電路圖 圖338 雙邊供電網絡變換圖按圖338網孔2列回路方程回路1 (18)回路2 (19)解得： (20) (21) (22)式中 ——回路1自阻，（）。 R——回路2自阻；R=（）；考慮相鄰兩側牽引變電所影響——正常雙邊供電。等效電路圖見圖339，網路變換后見圖340； 圖339 考慮相鄰牽引變電所等效電路圖 圖340 考慮相鄰牽引變電所網絡變換電路圖按圖10網孔4列回路方程回路1 ： (23)回路2 ： (24) 回路3 ： (25)回路4 ： (26)由式22226得。.式中： ； ； 。 .—Y變換：。 。 .本文計算短路電路時直接用，會比采用變換前電路計算所得電流稍大。 （3）.短路實例計算 采用1500V正常雙邊供電方式，考慮相鄰兩側牽引變電所的影響見圖339。供電距離均為3km，其中走行軌電阻:，接觸軌電阻：，牽引變電所內阻：=（雙機組并聯）進行短路電流和個變電所供出電流的計算。（，這里所取數據為平均值，參考文獻[2] ）對應圖339和圖340可以得出： = =； =； =。 =+++=； =+++=； =+++=； =+++=；根據以上數據和推算公式計算得到 I=39700A===467A=I+=所以變電所3提供的短路電流==。變電所1提供的短路電流==。變電所2提供的短路電流=。變電所4提供的短路電流=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致電阻比穩態值大，電感比穩態值小。隨著時間的推移導體有效集膚深度逐漸變大，電阻逐漸減小而電感逐漸增大[11]。在直流