（电力系统及其自动化专业论文）城市轨道交通直流侧短路故障研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ed o m e s t i cu r b a l lr a i l w a vo b t a i n e df a s t d e v e l o p m e n t s a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no fd ct r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e ma r et h eb a s i so f w h o l eu r b a nr a i l w a yt r a n s i ts y s t e r n ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt ot a k er e s e a r c ho nd c t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mf a u l ta n a l y s i sa n dr e l a t i v ep r o b l e m s t l l i sa r t i c l eh a sa n a l y s e d 也ea x i a ld o u b l ef i s s i o nt y p et h r e ew i n d i n g t r a n s f o r m e r sw h i e hm o s t l yu s e dt oo u rc o u n t r yu 而a nr a i l w a y , e s t a b l i s h e d2 4 p u l s ew a v er e c t i f i e ru n i t 。se l e c t r i cc i r c u i ts i m u l a t i o nr o o d e l a n da n a l y z e di t s o u t p u te x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i ci n 也en o r m a lw o r ka n du n d e rt h eu n u s u a la c t i v e s t a t u s ，a n de s t a b l i s h e d5 - - 6s e c t i o no fb r o k e nl i n e r e c t i f i e ru n i te x t e r n a l c h a r a c t e r i s t i c sm o d e l s ，w h i c hi sm o r ea p p r o a c ht ot h er e c t i f i e ru n i tt h e m o v e m e n t 。c o n 出t i o n p m p o s e di nt h ei n f e r i o rf o u n d a t i o nt h eo v e r a l 】e v a u a f i o n s t r a y c u r r e n t sc o l l e c t i o nn e t w o r km u l t i - w i r ed cp o w e r s u p p l y s y s t e m s i m u l a t i o nm o d e l u s e st h el u m p e dp a r a m e t e rt os i m u l a t e 也ed i s t r i b u t i o n a l e l e c t r i cc i r c u i t ，b o r r o w st h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lt h ea n a l y s i sm e t h o d ，h a s e s t a b l i s h e dt h ep o w e rn e t w o r ka d n i t t a n c em a t r i x c o n s i d e r e dt h ee n t i r el i n e h a u l i n gn e t w o r ki n a ni n t e g r i t yd y n a r n i es y s t e m ，t h es h o r t c i r c u i tc u r r e n tb y t o w sb e t w e e na l lt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nw h i c ht h en e ti su n i t e da so n eb o d yt o a s s i g n , u s e ds p a r s et e c h n i c a lw i 血t h eg a u s s i a ne l i m i n a t i o n ，w i mv c + + n e t d e v e l o p e ds t e a d y s t a t es h o r t c i r c u i tc a l c u l a t i o no fd ct r a c t i o ns u p p l y s y s t e mi n s i m s y s t e m t h r o u g ht h es h a n g h a iu r b a nr a i l w a y3 l i n e s t h eg u a n g z h o u s u b w a y2l i n ep r o j e c te x a m p l ea n a l y s e s c o n f i r m e dt h i sa r t i c l et l l a tt a k e si n t o a c c o u n tt h es t r a yc u r r e n t sc o l l e c t i o nn e t w o r ki nt h em u l t i w i r ep o w e rs u p p l y s y s t e mm o d e l a sw e l la st h er e c t i f i e ru n i tm u l t i b r o k e nl i n ee x t e r n a l c h a r a c t e r i s t i cm o d e li sa c c u r a c y s i m u l t a n e o u s l yt h i sa r t i c l eh a sr e s e a r c h e dt h es k i n e f f e c to ft h en e tt r a c k e l e e t r i c i t yp a r a m e t e rt h r o u 曲t h en u m e r i c a la n a l y s i sa n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s m e t h o d ( t e m l a b ) ，w i t h t h em a t l a b s i m u l i n ke s t a b l i s h e de l e c t r i cc i r c u i t s i m u l a t i o nm o d e lo ft r a n s i t i o nc o n d i t i o ns h o r t - c i r c u i t e d ，a n dc o n d u c t e dt h e s i m u l a t i o nr e s e a r c ht ot h er e c t i f i e re x p o r t a t i o nr e m o t ea n df a r - e n ds h o r tc i r c u i t b r e a k d o w n k e yw o r d s ：u r b a l lr a i l w a y ；s h o r t c i r c u i t ；2 4p u l s ew a v e s ；s k i n - e f f e c t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期： 指导老师签名： 日期： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文对我国城市轨道交通大多采用的轴向双分裂式三绕组变压器进行 了分析，建立了2 4 脉波整流机组的电路仿真模型，并建立了5 - 6 段折线 的整流机组外特性曲线模型，能更真实的逼近整流机组的运行状况。在此 基础上提出了综合考虑杂散电流收集网在内的多导线直流牵引供电系统短 路仿真模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 随着我国经济的发展，城市建设规模的不断扩大，许多大中城市轨道 交通的规划和建设已提上日程，直流牵引供电系统的安全可靠运行是整个 城市轨道交通安全畅通运行的基础。对于直流牵引供电系统的故障分析、 保护与控制技术及其相关问题的研究具有十分重要的意义。 深入地认识直流牵引供电系统的故障机理是提高牵引供电系统安全运 行能力及相关保护与控制技术的基础。虽然近年来国内城市轨道交通( 地铁 和轻轨) 得到了蓬勃的发展，但是对于城市轨道交通直流牵引供电系统故障 机理的研究却稍显滞后。 直流牵引供电系统的特殊性增加了故障计算与分析的复杂性，传统的 供电计算方法，运行图截面法做牵引供电计算时，每次计算仅仅涉及两个 变电所，认为正常双边供电时，列车仅从相邻的左右两个牵引变电所取流。 而实际上城市轨道交通列车在线路上取流来自由接触网连成一体的全线所 有牵引变电所，因此首先需要建立精确的直流牵引供电系统模型；其次在直 流牵引供电系统中含有交直流变换过程，直流牵引网的短路故障暂稳态过 程受到交直流侧系统阻抗以及整流器换阀过程的影响，对于直流牵引供电 系统的交直流变换过程即整流变压器的建模及运行特性分析是需要研究的 课题之一；另外直流牵引网轨道电气参数计算对于故障暂态过程的分析十 分重要，由于直流牵引供电系统多采用走行轨作为电流的载体，铁磁材料 的集肤效应、饱和特性对导体暂态电阻和内电感的影响不可忽略，在设计 中常采用轨道直流状态下电阻和工频条件下测量电感计算短路故障电流， 这种牵引网参数的选择会给分析计算带来较大的误差。研究推导适用于工 程计算的轨道暂态电气参数简化计算模型，并将其应用于牵引网短路故障 过程的计算分析中具有非常重要的价值。 。 研究直流牵引网故障时牵引网的电流、电压的变化以及各个变电所的 输出电流变化规律，可以为继电保护系统的设置提供依据，因此这一课题 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的研究显得非常的重要了。 1 2 国内外研究现状 国外城市轨道交通由于发展的历程比较长，各方面的研究相对来说比较 成熟。文献【1 】中考虑交流侧为对称系统时，可以分别计算各相的r l 串联电 路暂态过程，并将各相单独计算的故障电流正值部分迭加，即可得出直流侧 短路故障的暂态电流变化；文献 2 】中将交直流变化过程用整流器的外特性方 程描述，并应用于直流牵引网短路计算，文献中将直流牵引供电系统等效为 直流电压、等值电源电阻和电感、牵引网线路电阻和电感的串联电路，但从 等效电源电阻的计算中可以看出实际上该方法仅仅考虑了三相桥式6 脉波整 流工作在第1 区时交流侧电感直流侧等值电阻的情况。文献【3 在基于三相桥式 6 脉波整流机组三折线外特性的基础上对远方短路电流进行了仿真计算，该仿 真主要考虑了作为电流回路的铁轨的集肤效应以求更为精确地逼近真实的情 况。而国内的相关研究也正步步深入，文献【4 中主要是在基于三相桥式6 脉 波整流机组三折线外特性的基础上考虑牵引网单边供电和双边供电时的短路 故障分析。文献 5 中作者将详细的交直流系统数字仿真思想引入直流牵引系 统故障分析，建立三相桥式6 脉波整流器数学模型，对直流牵引系统近端短路 故障进行仿真计算分析。 对于集肤效应对轨道电阻和内电感参数的研究，其对于该类问题的计算 分析方法主要有如下几种： ( 1 ) 采用数值计算的方法，如有限差分法和有限元方法【6 】，文献 7 中采 用有限差分法分析轨道电气参数随频率和电流的变化，讨论磁饱和特性的 影响，文献 8 中采用二维有限元的方法计算轨道电气参数。 ( 2 ) 基于导体细分的方法 9 】，该方法的基本思路就是将整个导体细分为 若干子部分，分析细分导体间的电磁关系，建立电感、电阻计算矩阵： ( 3 ) 将不规则横截面导体等效为柱状均匀长直导体的方法。圆柱形导体 集肤效应求解分析过程可以很好地解析表达，文献 1 0 】中分析了暂态过程中 圆柱形导体的电流扩散和暂态电阻的计算问题；文献 1 u n 用l a p l a c e 变换 求解电流密度扩一散偏微分方程得到阻抗表达式，井将其表示成一个等效的 无限级r l 并联网络分析集肤效应的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 本论文所作的工作 本文针对城市轨道交通牵引供电系统的组成及特点，结合实际分析了 城市轨道交通直流侧短路故障的模型以及相关问题。论文的主要内容包括 以下几个方面： ( 1 ) 交直流变换系统是直流牵引供电系统的一个关键环节，对其进行详 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 细地建模分析是直流牵引供电系统运行与故障机理研究的基础之 一。本文建立了牵引变电所2 4 脉波整流机组模型，分析了其在正常 工作和非正常工作状态下的输出外特性，并建立了5 - - 6 段折线的整 流机组外特性曲线模型，能更真实的逼近整流机组的运行状况： 提出了综合考虑杂散电流收集网在内的多导线直流牵引供电系统仿 真模型，采用集中参数模拟分布式电路，借用有限元模型的分析方 法，建立了电力网路的导纳矩阵，将全线牵引网考虑成一完整的动 态变化系统，短路电流由牵引网连成一体的所有牵引变电所之间分 配，采用稀疏技术的高斯消去法，在采用v c 抖n e t 开发的直流牵引 供电仿真系统s i m s y s t c m 中实现了直流牵引供电系统稳态短路计算。 通过上海轨道交通3 号线、广州地铁2 号线的工程实例分析，验证 了本文采用的计及杂散电流收集网在内的多导线供电系统模型以及 整流机组多折线外特性模型的准确性。 通过数值分析和有限元分析方法( f c m l a b ) 对牵引网轨道电气参数 的集肤效应进行了研究，使用m a t l a b s i m u l i n k 建立暂态短路的电路 仿真模型，对整流器出口近端短路故障和远端短路故障进行了仿真 研究。 对直流牵引网线路保护的配置等问题进行了初步探讨。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第二章直流牵引供电系统短路故障介绍 2 1 城市轨道交通安全简介 地铁是目前世界上能够有效解决大中型城市人们出行最为便捷、经济 和高效的一种交通工具。地铁作为现代城市最大的基础设施之一和交通系 统的骨干，是城市的生命线，现代化程度的重要指标，对促进城市繁荣、 实现城市经济和可持续发展起到举足轻重的作。地铁由于具有运量大、速 度快、无污染、准时、方便、舒适等优点受人青睐，发展迅速。它在交通 上的独特优势使其成为各地政府投资的热门。目前全世界己有1 0 0 多座城 市开通了3 0 0 多条地铁线路，总长度超过6 0 0 0 公里。许多车站建筑雄伟壮 丽，己成为城市中的重要旅游景点。我国自1 9 6 5 年7 月1 日在北京动工修 建地铁以来的4 0 年中，相继又在天津、香港、上海、深圳、南京和广州 等六座城市开通了地铁，正式拉开了我国城市地铁建设序幕。目前，我国 有1 3 个城市已经运行或正在修建地铁。北京将于2 0 0 8 年承办奥运会。一 个举办奥运会的城市如何在奥运会举办前后的一个月的时间内组织好数倍 甚至数十倍人流的交通，最可依赖的交通工具恐怕还是地铁，这可以从上 两届奥运会举办城市赛时交通流量的统计中得到证实。据有关资料表明， 悉尼奥运会时地铁承担了交通流量的7 5 ，雅典是5 5 。为了应对2 0 0 8 年北京奥运会举办期间迅速增加的城市交通流量，保证市民与来自世界各 地的奥运观众的正常运行，北京地铁将新增两条通往奥运场馆的支线和一 条机场线路。地铁同样要在北京奥运会时成为这座城市的最主要交通工具。 城市轨道交通的直流牵引供电系统的电气保护是否完善、保护定值是 否合理，是关系到地铁运营安全、人命关天的大事。我国地铁自1 9 6 9 年相 继投入运行以来，因变电所、地铁车辆内的电气设备和线路出现故障以及违 章电焊和电气设备误操作等，共发生火灾1 5 6 起，其中重大火灾3 起，特大 火灾1 起。其中，北京地铁几年来先后几次发生火警和火灾，造成3 6 人死亡。 从国外情况看，1 9 8 2 年美国纽约地铁因电气故障发生火灾，伤8 6 人， 损坏车辆一节；1 9 8 3 年日本名古屋地铁变电所内整流器短路引起火灾，造 成停电4 小时，3 人死亡，3 人受伤；1 9 9 5 年1 0 月2 8 日阿塞拜疆首都巴 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 库地铁因列车电路故障发生火灾，死亡5 5 8 人，伤2 6 9 人。 一组组惊心动魄的数据和惨痛的教训给人们敲响了警钟：地铁火灾对 生命财产以及生态环境都造成巨大损失，是一个不容忽视的潜在危害，在当 前地下轨道交通系统飞速发展、地铁引起高度重视的年代，地铁安全保障方 面的研究成为科技工作者们刻不容缓的任务。 。 据北京地铁火灾火险和国内外城市火灾统计，有近6 0 是由电气故障 引起的。由此可见，在高度重视地铁安全的今天，必须重视地铁的电气安 全，千万马虎不得。早在1 9 7 3 年，周恩来总理针对北京地铁存在的问题指 出不解决走电失火，地铁不能正式运营。在国家有关部委领导下，北京地 铁直流牵引供电系统的电气保护经过了近1 0 年的研究，特别是1 9 8 0 年的 近2 0 0 次试验。1 9 8 2 年在专家鉴定认为已基本解决地铁主保护系统内的走 电失火问题后，地铁一期工程经国家批准正式验收，投入运营。在北京地 铁一期工程的技术改造和消隐工程中，该系统保护又不断完善，至今未发 生主保护系统内的电气火灾事故，确保了地铁安全运营。 随着我国地铁建设的发展，在国家、地铁企业、科研机构的共同努力 下，不断加强对地铁安全管理与安全科技的研究，尽快地建立并完善我国 地铁公共安全科技保障体系，是伴随着我国城市轨道交通建设浪潮的一件 急需重视的大事。我们相信，有国家和企业的重视，科研机构的参与，在 未来几年内，通过不断地加强地铁事故监测监控技术研究，提高地铁灾害 防范、救援措施，提升地铁处置突发事故的手段和能力，建立并实现我国 地铁安全长效机制，使“预防为主”得到真正落实，从而加快我国地铁建 设与运营安全保障体系的建立是可行的。 2 2 直流牵引供电系统概述 城市轨道交通供电系统负责提供车辆及供电设备的动力能源，一般包括 两大部分，一部分为高压供电系统( 外部电源) ，即城市电网；一部分为城市 轨道交通内部供电系统。城市轨道交通作为城市电网的一个用户，一般都直 接从城市电网取得电能，无需单独建设电厂，城市电网对城市轨道交通进行 供电，供电方式有集中供电、分散供电和混合供电。城市轨道交通系统直接 从系统高压电网获得电力，往往需要再设置一级主降压变电站，将系统输电 电压如1 l o - - 一2 2 0 k v 降低到l o , - 一3 5 k v 以适应直流牵引变电所的需要。 从主降压变电站( 当它不属于电力部门时) 及其以后部分统称为“牵引供 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 电系统”。它应该包括：主降压变电站、直流牵引变电所、馈电线、接触网、 走行轨和回流线等。 城市轨道交通内部供电系统由牵引供电系统和动力照明供电系统组成。 牵引供电系统中的牵引变电所将三相高压交流电变成适合电动车辆应用的低 压直流电。馈电线再将牵引变电所的直流电送到接触网上，电动车辆通过其 受流器与接触网的直接接触而获得电能。动力照明供电系统提供车站和区间 各类照明、扶梯、风机、水泵等动力机械设备电源和通信、信号、自动化等 设备电源；它由降压变电所和动力照明配电线路组成。 城市轨道交通供电系统的组成如图2 1 所示。 i 飞掣i i o i b l 馈线 接触i 回流线 轨道亩。 2 2 1 牵引变电所 图2 一l 城市轨道交通供电系统组成 牵引变电所其功能是将中压交流电整流为直流电供机车负荷，因此整 流是牵引供电的核心。而整流机组就成为牵引变电所的关键设备，整流机 组是把三相交流电变为直流电能的重要设备。整流机组的接线方式和整流 效果，与直流牵引变电所的效率高低、直流电压质量和机组本身的各项技 术参数有密切关系。所以在第三章会将整流机组单独列出着重分析。 2 2 2 接触网 接触网分为架空式接触网和接触轨式接触网。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 接触轨是沿电牵引线路敷设的与走行轨道平行的附加轨，故又称第三 轨。它是敷设在铁路旁的具有高导电率的特殊软钢制成的钢轨，电动车组 伸出的受流器与之接触而获得电能。接触轨式接触网的最大优点是运行可 靠、维修少且寿命长，但它在地下隧道中占用了紧急疏散通道，不利于安 全。它要求封闭地面线路，以致地铁向郊区延伸受到限制1 1 5 】。 架空式接触网又分为柔性和刚性两类。户外线路都用柔性；隧道内和 车库内则可用柔性，也可用刚性。但2 0 世纪6 0 年代，各国开始认识到架 空刚性接触网的优越性，并纷纷开发和采用，如日本即采用刚性悬挂。广 州地铁自主组织进行科研攻关，成功使用刚性接触网，与传统的柔性接触 网相比，刚性接触网大大改善了2 号线地铁列车不间断供电系统的安全性、 可靠性和可维护性。广州地铁2 号线地下区段全部采用刚性接触网供电方 式，使这种具有结构简单、安全可靠、占用空间小、受力条件好、无断线 之虞、维修工作量小、弓网受流特性好等诸多优点的供电方式，在此后国 内地铁新线的设计中被广泛采用。 2 2 3 杂散电流 在直流牵引供电系统中，牵引电流并非全部由钢轨流回牵引变电所，而 是有一部分由钢轨泄漏流入大地，再由大地流回钢轨并回到牵引变电所。走 行钢轨中的牵引电流越大或钢轨对地面绝缘程度越差，地下杂散电流也就越 大，这种地下杂散电流又称为地下迷流。走行钢轨铺设在轨枕、道岔和大地 上由于轨枕等的绝缘不良和大地的导电性能，部分钢轨电流泄漏流入大 地，并在某些地方重新流回钢轨和牵引变电所，在走行钢轨附近埋有地下金 属管道、电缆和任何其他金属构件时，一部分地下杂散电流就由导电的金属 体上流过。在电动列车附近的杂散电流从金属体流回钢轨和变电所。金属体 对地电位形成阳极区。在阳极区，杂散电流从金属体流出的地方将出现电解 现象，这种电解现象使金属物体温度升高，加速了金属物体的腐蚀。在长期 的杂散电流腐蚀作用下，地下金属物体( 如管道、电缆等) 将受到严重的损坏。 在阴极区，杂散电流引起的析氢反应也会导致地下管道保护层的破坏。若地 下杂散电流流入电气接地装置，又将引起过高的接地电位，导致某些设备无 法正常工作。同时，杂散电流过大时将产生对地电压，严重时可危及人身安 全。因此研究地铁杂散电流分布是地铁直流牵引供电系统中必须高度重视的 大问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 4 变电站接地系统 变电站接地系统。变电所接地系统考虑有3 种，不接地系统、直接接地 系统、二极管接地系统( 二极管接地系统中采用接地二极管，将变电所负极母 线通过二极管接地) 。对这三种接地情况，根据研究表明，不接地系统导致最 小的杂散电流，直接接地系统导致最大的杂散电流( 根据交流电气装置接地 变电站接地网接地电阻一般小于o 5q 【l 习；但国外有些系统也以1q 的接地 电阻值进行计算【l5 j ) 。当车辆段不与轨道相连时，不接地系统导致最低的钢 轨电位，而通过二极管接地的系统导致最高的钢轨电位。 2 2 5 车辆段 需要注意的是很多杂散电流问题发生在车辆段附近。因为对车辆段而言， 在列车检修、清洗等的工作中1 4 】，为了保证工作人员的安全，需要将钢轨直 接接地，车辆段内各轨道并联，接地部分通过电力电缆连接到最近的牵引变 电所。这种设置导致钢轨上的杂散电流有了对地通路。在经济允许的情况下， 可单独建设一个牵引变电所对其供电，如果经济不允许，则将车辆段钢轨与 其他主线钢轨隔离，接地部分通过电缆连接到最临近的变电所负端。这样使 得主干线上的轨回流不经过车辆段，车辆段内列车注入钢轨的电流尽量流至 最临近的牵引变电所。车辆段供电与轨道、排流网设置情况如图2 - 2 所示。 s e ：系统接地网 图2 - 2车辆段情况 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第三章直流牵引供电系统短路数学模型 直流牵引供电系统故障分析对整个直流牵引供电系统的规划设计、设 备选型，保护整定配置、供电网络安全运行、事故分析都起着举足轻重的 作用。直流牵引供电系统故障分析中的二个难点问题：城市轨道交通牵 引供电系统短路模型；交直流变换过程对直流牵引网故障的影响；直 流牵引网轨道暂态电气参数变化对故障暂态过程的影响。剖析这三个难点 问题，关键点在于建立精确的直流牵引供电系统短路模型、交直流变换过 程即整流变电所的计算与分析、牵引网轨道暂态电气参数的建模与计算。 本章主要从前两点对直流牵引供电系统故障分析的数学模型进行阐述，对 于牵引网轨道暂态电气参数的研究将在5 2 1 和5 2 2 进行探讨。 3 1 直流牵引供电系统短路模型 城市轨道交通牵引供电系统是一多导线系统。系统主要由上行接触网、 下行接触网、上行钢轨、下行钢轨、杂散电流收集网( 排流网) 五根导线组成。 如图3 1 所示。 上行接触网 下行接触网 整流昕 上行钢轨 下行钢轨 图3 1城市轨道牵引供电系统模型示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 上、下行接触网：传统的供电计算方法，运行图截面法做牵引供电 计算时，每次计算仅仅涉及两个变电所，认为正常双边供电时，列 车仅从相邻的左右两个牵引变电所取流。而实际上城市轨道交通列 车在线路上取流来自由接触网连成一体的全线所有牵引变电所； 上、下行钢轨：一般在各车站处设置均流线，目的是并联尽量多的 回流导线，降低钢轨回流电阻。 排流网：地铁全线设置统一接地系统，各站分别设置接地网并与结 构钢筋互相连接，实现地铁内部真正的等电位；各站接地网通过接 地扁铜、电力电缆金属屏蔽及铠装层、接触网架空地线及隧道结构 钢筋互相连接。 短路支路可用电阻支路替代，但等效电弧电阻获得较困难。考虑到 短路处具有持续性电弧的特点，也可用独立电压源支路替代。直流 电弧压降经验数据为1 0 0 到2 0 0 v ，因此独立电压源将以1 0 0 到 2 0 0 v 数值代入。 3 2 整流机组模型 整流机组是完成降压、把三相交流电转换为直流电的重要设备。整流机 组的接线方式、电路和整流效果，与直流牵引变电所的效率高低、直流电压 质量和机组本身的各项技术参数有着密切的关系。在城市轨道交通供电仿真 中，整流机组外特性曲线直接影响对其建立仿真模型，在以下章节主要讨论 整流机组外特性。 3 2 12 4 脉波整流机组的构成 早期的城市铁路的直流牵引供电系统，通常采用三相桥式整流电路， 随着技术的发展，逐步被1 2 脉波和等效2 4 脉波整流电路所取代。1 2 脉波 整流器由两个三相桥式整流电路并联组成，每个桥臂由2 个平板压接式整 流管并联，使用正向峰值压降相近的整流管并联，以获得相近的电流分配， 图3 2 为1 2 脉波整流机组原理图； 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 4 脉波整流变压器的电源侧绕组采用延边三角形接线，每个牵引变电 所内并联运行的2 台1 2 脉波整流变压器原边绕组分别移相+ 7 5 。和一7 5 。，两台1 2 脉波整流变压器的两组低压绕组之间相位相差3 0 。接入，次边 输出端并联后向牵引网合成输出等效2 4 脉波的直流电源。要使两套整流机 组能够均匀出力，必须使两台1 2 脉波整流机组一次侧输入电源获得严格的 同期性，为满足这条件，变电所两套整流机组须挂接在同一段母线上。 图3 3 为2 4 脉波整流机组示意图。 。 三相整流桥2 图3 - 2 1 2 脉波整流机组原理图( 不带p t 运行) 图3 - 32 4 脉波整流机组示意图 3 2 2 轴向分裂式变压器等效电路及其参数确定 目前，我国各大城市大力发展的城市轨道交通设施。其牵引整流电力系 统大都采用轴向分裂结构变压器的1 2 脉波双桥并联不带桥间平衡电抗器的整 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 流电路，它有显著的限制短路电流的作用，当分裂绕组一个支路短路时，由 电网供给的短路电流经过分裂变压器的半穿越阻抗比穿越阻抗大，故供给的 短路电流要比用双绕组变压器小。同时分裂绕组另一支路由电动机供给短路 点的反馈电流，因受分裂阻抗的限制，亦减少很多；当分裂绕组的一个支路 发生故障时，另一支路母线电压降低比较小。同样，当分裂变压器一个支路 的电动机自启动，拐个支路的电压几乎不受影响。等效2 4 脉波整流电路的 构成方式一般是由两台轴向双分裂式1 2 脉波牵引整流变压器并联组成。轴向 双分裂式1 2 脉波牵引整流变压器其结构形式如图3 4 所示意【1 7 1 8 】。 aa x x a i a 2 x l 。x l i 图3 _ 4 分裂变压器结构形式与等效电路 图3 - 4 中，绕组2 、绕组3 为一次绕组，两支路并联联结；绕组1 ，绕组4 为二次绕组，其头尾各自接成y 和d 联结分别引出、分裂成两个支路。 穿越阻抗( x r ) ：两个低压绕组并联短路，高压绕组并联后施加电压时， 测得高一低压绕组的短路阻抗。半穿越阻抗( 。、吒：) ：两个低压绕组之一 开路，另一个低压绕组对高压绕组的短路阻抗。 五， = 2 = ( 1 + 等) 气 ( 3 1 ) 分裂阻抗( “) ：两个低压绕组间的短路阻抗。高压侧绕组开路，一个低 压绕组短路，另一个低压绕组加电源时的等值阻抗。 分裂系数( k 。) ：分裂阻抗与穿越阻抗之比。轴向双分裂结构变压器， 3 k f 4 。xf 2 k r x k 直流电压调整率。直流电压调整率是额定空载直流电压。与额定直 一剧口 卅刀爿卅纠刀爿纠， 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 流电压之差( ) 对理想空载直流电压。为基准的相对值。实质 上是由于换相时交流电压不连续引起的，之所以不连续是因为绕组中换相电 抗的存在。为绕组换相电抗直流电压降。根据定义，直流电压调整率： 亏蛩= a u 。ax 1 0 0 = u 出。1 0 似 ( 3 - 2 ) 忽略各电阻成分及其他压降( 整流元件、连接电缆等) ，仅考虑绕组换相 电抗电压降，则该电压降平均值为： 。 = = 尝生 ( 3 3 ) 其中，s 换相数： q 串联换相组数； 换相电抗，q ( 有名值) ； g 分流l 的换相组数： 厶负载电流，a ( 有名值) ； 理想空载电压。 。= 塑s i n 三皿 ( 3 4 ) 式中u 2 为二次侧线电压额定值。 6 脉波整流机组空载输出电压为： 。= 等s i n 詈= 1 3 5 刀o 。 1 2 脉波整流机组空载输出电压为 亨半s i i l 鑫= 1 3 9 8 2 4 脉波整流机组空载输出电压为 = 半s i n 云= 1 4 1 如文献 1 8 中所示，直流审压调整率可表示成： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 式中，巧为换相电抗折算系数。 i r ， 1 k 2 西 ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) 额定运行时，刀= 1 ，所以疋的物理意义为：t 是以霉为基准的相 对值。换相电抗折算系数是直流电压调整率占换相电抗百分数的份额。对1 2 脉波整流机组，o 2 6 k x 0 5 2 ，k 。视漏抗在等效电路中的分布决定。 直流电压调整率d d 与穿越阻抗z ( 木表示标么值) 的关系。 额定负荷时，c = l ，于是 = 0 5 2 x 二 ( 3 7 ) 上式直接反映了直流电压调整率与穿越阻抗的关系。轴向分裂式结构的 1 2 脉波整流变压器换相电抗引起的直流电压调整率，本质上与穿越阻抗有关。 对于轴向分裂式牵引整流变压器，穿越阻抗取z = 7 8 5 ，直流电 压调整率= 3 6 4 一4 4 2 一般的，当x l = 8 时，= 4 1 6 。以上叙 述的直流电压调整率等仅考虑换相电抗引起的电压调整，实际上当综合考虑 整流元件压降、低压引线漏抗、连接电缆及其变压器本身的电阻压降后，直 流电压调整率约有6 左右。 3 2 32 4 脉波整流机组的电路仿真模型 使用m a r l 也s m 姗( 的电力系统仿真模块( p o w e rs y s t e m s b l o c k s e t ) 来建立2 4 脉波整流器电路模型，如图3 - 5 所示，其中电源为三相 电压源( t h r e e p h a s es o u r c e ) ，电源侧绕组延边三角形接线以移相变压器 ( z i g z a gp h a s e s h i f t i n gt r a n s f o r m e r ) a a + 7 5 。和一7 5 。组成，移 相后接入v - y y a 连接变压器( t h r e e p h a s et r a n s f o r m e r - t h r e e w i n d i n g s ) t 1 ，t 2 ，目的是在每台整流变压器变压器的二组低压绕组间引入 3 0 。相位差。由于三相桥式六脉波整流器输出电压谐波小，为了减少输出 三鱼坦凹 洫 一昌 s s 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 谐波则每台整流变压器由两个6 脉波桥式整流器b r i d g ea 、b r i d g eb ( b r i d g e c 、b r i d g ed ) 并接方式来构成1 2 脉波桥式整流机组1 # ( 2 # ) ，2 台整流机 组并联运行构成等效2 4 脉波整流器。 _ 1 弋 d l - y 图3 - 52 4 脉波整流器电路仿真模型 根据国内曾用的整流器组及其配套的整流变压器基本特性、数据，列 于表3 1 和表3 2 中，依此对电路模型进行参数设计。 表3 - 1整流器组( 双三相桥式并联十二脉波整流) 技术参数 整流电压 额定功 连续额定最大重复 每桥臂 允许过负荷 塑号 整流电流 率p d p d 下损耗反向电压井串致】0 0 】5 0 x3 0 0 2 d s p s l 6连续 2j 】5 0 0 2 3 0 0 3 4 5 0 k -8 k - 4 0 0 0 v 6 l ( si e i l l e n s )工作小时分钟 2 d s p s l 4 15 0 0 v 14 7 0 连续 21 2 2 0 0 k 5 k i4 0 0 0 v 4 l ( sje i i i e n s )工作小时分钟 表3 - 2整流变压器技术参数 额定电压绕组连 阻抗 空戴负载 空载冲击工频 型号 颤定容量 接形式电压损耗损耗电流耐压 原边次边 2 d s p s3 3 k v 1 18 0 vd y 5 d t l 04 0 0 0 k v a8 11 2 k -l9 k -1 2 6 17 0 k v 3 1 ) k v 1 6 2 2 5 2 d s p s 3 3 k v4 - 1 1 8 i l vd y 5 d d 02 5 0 0 k v a8 7 9 k -l3 k -2 2 l7 0 k v 3 l j k v 1 4 2 2 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 1 # 整流机组整流后输出的空载直流电压波形如图3 6 所示，其输出直 流波形在一个周期中脉动1 2 次，每个波动的间隔为3 0 。 储整流机组1 2 脉波空载电压 图3 - 61 # 整流机组1 2 脉波空载输出电压波形 2 # 整流机组的输出空载直流电压波形图3 - 7 所示，和1 # 整流机组的 输出空载直流电压波形具有1 5 。的相位差。 硝整流机组1 2 脉波空载电压 图3 - 72 # 整流机组1 2 脉波空载输出电压波形 两台整流机组并联运行即2 4 脉波整流器输出空载直流电压波形如图 3 - 8 所示，波形在一个交流周期内脉动2 4 次，每个波动的间隔为1 5 。 2 4 脉波整流器空载电压 图3 - 82 4 脉波整流器空载输出电压波形 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 3 2 42 4 脉波整流机组的输出外特性 整流机组的外特性，是指直流输出端电压随其负荷电流或短路电流变 化的关系曲线，它和整流变压器的阻抗有关，而且和整流器特性及其整流 接线方式、有无平衡电抗器，以及整流时的换相重叠角等多种因子有关。 因此，要精确绘出不同运行( 或故障) 状况下的整流机组外特性曲线是非常 复杂的，传统的整流机组外特性模型为三相6 脉波3 折线模型，本文参照6 脉波整流电路的分析方法研究2 4 脉波整流器的外特性多区段曲线。 对于我国城市轨道交通大多采用的轴向双分裂式三绕组变压器，以耦合 系数k 为基础，分裂式变压器耦合系数： ， 七： 兰点苎 ( 3 8 ) 彳，+ 五+ 毛 式中x 。为交流电源的系统阻抗( 归算至二次侧) 。 以耦合系数七为基础，当0 k ( 撕一1 ) 撕时，可以得出1 2 脉波整流电 路稳态电压调整特性【1 9 1 可分为如下区段表示。随着电抗系数r f ( r e a c t i v e f a e t o r ) l 拘增长，整流机组的外特性曲线经历六段曲线，如式( 3 - 9 ) 所示。 。 灯：盟( 3 9 ) o 圪。= 屹一兰t l 协地4 拉南( 三丘耵v2 一、3 ，r ，：t , j 3 ( 1 - , ) 2 + l 屹一三堡拿t 厶 2 一、3 七2 万2 一、3 七 圪：亟掣、厍一( 2 + 瓜) z ( 三墨厶) z 2 4 3 , y2 n ，：鱼掣吃一三坚掣t l 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 圪5 - 2 ：以o 产- k ) f ( 4 - 3 k ) 屹一三( 1 一七：) t 厶( 3 1 0 ) 、3 ( 1 一七) + 1 2 万 以由交流电源的系统阻抗与整流变压器阻抗组成，为直流空载电 压，l 为直流输出电流。在0 4 2 2 6 k 0 6 6 6 7 时，1 2 脉波整流电路电压调 整特性用屹。纠区段表示，一：的状态不出现。当耦合系数0 6 6 6 7 k 1 时，整流机组电压调整特性用l 屹。表示，的状态不再出现。 考虑到整流变压器的负载能力要求，整流机组工作的临界条件可以由 ( 3 9 ) 式求得： 圪一+ d ：临界点的条件为 ：d ，临界点的条件为 丝：蛐 屹。 6 盟= ：堂墨兰坠 屹。 6 ( 3 + 2 ) 4 3 k 2 6 k + 4 v d 3 - ，d 4 临界点的条件为 盟： 兰竺一 乃。 3 ( 3 七+ 2 ) 4 3 k 2 6 k 4 ，d “挣- 临界点的条件为 盟：垡二丝r _ 圪。3 ( 3 七+ 2 ) 4 3 k 2 6 k + 4 ，d 5 一i - ，d 5 2 临界点的条件为 挚：坐笪墨! ：! ! ! 些 ( 3 - 1 1 ) 18 ( 1 + 七) 3 七2 6 k + 4 对凇t l 惦s m ，姗【建立的2 4 脉波整流电路的输出特性进行曲线 拟合( 图3 - 9 中宰号点所示) ，并结合2 个并联1 2 脉波整流电路的输出特性曲 线( 图3 - 9 中曲线所示) ，经综合分析与拟合得到等效2 4 脉波整流电路的外 特性曲线与2 个1 2 脉波并联输出曲线大致相吻合；作为一般工程计算，可 以等效为2 个1 2 脉波整流器并联工作；该特性曲线已经在西南交通大学与 广州地铁开发的城市轨道交通牵引供电系统仿真软件中得到了应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 虽 骞 2 4 脉波整流器多区段输出外特性 爱毁一 收避 j x 弋d 3 、士 絮 v d 4 卡 - v d 5 、牛 、嘻 00 20 40 60 8 ；k c x l d u d o 图3 - 9 整流机组外特性曲线 整流机组工作在区间1 、3 、5 1 区间上时，外特性表达式为直线，区间 2 、4 表达式为曲线。简化计算中，可用连接曲线起点、终点的直线来等效 代替。各工作区间直线表达式的斜率即为电压源内阻，截矩即为等效理想 电压源数值。直流侧供电仿真过程中整流机组可用变化理想电压源和内阻 的戴维南等效电路来描述。如图3 1 0 所示。整流机组工作在不同的负荷区 间，使用不同的电压源内阻和理想电压源数值进行计算。 图3 1 0 整流机组