（电力系统及其自动化专业论文）直流牵引供电系统数学模型与短路计算研究.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h ei n c r e a s eo ft h e t r a f f i c ，a san e wt r a f f i cf a c i l i t y , u r b a nr a i lt r a n s p o r t a t i o ni su s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y t h en e x tf e wy e a r sw i l lb e c o m et h es i g n i f i c a n tt i m eo ft h eu r b a nt r a n s p o r t a t i o n t h e r e s e a r c ho nt h ec a l c u l a t i o no fs h o r t - c i r c u i tc u r r e n ti nd ct r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m i sb e c o m i n gt h e r e s e a r c h i n gh o t s p o to ni n t e m a t i o n a la n dn a t i v e t h ec a l c u l a t i o no fs h o r t c i r c u i tc u r r e n ti nd ct r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi s i m p o r t a n tf o rt h ed e s i g n i n go fm a s st r a n s i tp o w e rs u p p l ys y s t e m i ti sn o to n l yt h eb a s i s f o rt h er e a s o n a b l es e l e c t i o no fd cq u i c ks w i t c ha n dd e s i g no fd cp r o t e c t i v e - r e l a y d e v i c e ，b u ta l s oa l li m p o r t a n tj u d g m e n tf o rt h ee s t i m a t i o no ft h ew h o l es y s t e m ss a f e r e l i a b i l i t ya n dt h ed e 洒s i o no ft r a c t i o ns u b s t a t i o n so p e r a t i o nm o d e f i r s t l yt h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fr u n n i n gr a i la n dc o n t a c tr a i l s d cr e s i s t a n c ew i t ht h et h i r dr a i lf e e d i n gs y s t e m ，t h e ns t u d i e dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do f r a i l si n t e r n a li n d u c t a n c ea n ds u p p l yc i r c u i t se x t e r n a li n d u c t a n c e ，t h u st h ei n d u c t a n c e p a r a m e t e ro fr u n n i n gr a i la n dc o n t a c tr a i lu n d e r5 0 h zw a sd e d u c e d ，m o r e o v e rt h e i n d u c t a n c ep a r a m e t e rw a s c o m p a r e dw i t ht h em e a s u r ed a t at ov a l i d a t ei t sv e r a c i t y t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo fr e c t i f i e ri nd ct r a c t i o ns u b s t a t i o na n d p o l y g o n a le x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i cm o d e lo fr e c t i f i e ri nd e t a i l ，t h e nr e p l a c e dd c t r a c t i o n s u b s t a t i o nb yt h e r e m i n se q u i v a l e n tc i r c u i tw h i c hc o n s i s t e do fi d e a lv o l t a g es o u r c ea n d t h ei n t e r n a lr e s i s t a n c e ，s e q u e n t i a l l ye s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fd cp o w e r s u p p l ys y s t e m ，m e a n w h i l ed e s i g n e dt h ec a l c u l a t i o np r o g r a ma n di n t e r f a c eo f s t e a d y - s t a t es h o r t - c i r c u i tc u r r e n to nz e r of a u l ti m p e d a n c eo fd ct r a c t i v en e t w o r k w h a t sm o r e ，t h ec o n c l u s i o nw a sc o m p a r e dw i t ht h em e a s u r ed a t ao fm e t r ol i n et o v a l i d a t ei t sv e r a c i t y a tl a s t ，t h i sp a p e rn o to n l ye s t a b l i s h e dt h es i m u l a t i o nm o d e lo fd c p o w e rs u p p l y s y s t e mw i t h2 4 一p u l s er e c t i f i e r si n c l u d e db yu s i n gp o w e rs y s t e mm o d u l ei n s i m u l i n k ，b u ta l s os i m u l a t e da n da n a l y z e dt h et r a n s i e n ts h o r t c i r c u i tc u r r e n t sw h e na c o n t a c tr a i ls h o r t c i r c u i to c c u r r e da td i f f e r e n tp o s i t i o n s ，t h i sc a nr e f l e c tt h et r a n s i e n t p r o c e s so f s h o r t c i r c u i tc u r r e n t sa c c u r a t e l y k e y w o r d s ：r e c t i f i e r ；r u n n i n gr a i l ；c o n t a c tr a i l ；e l e c t r i c a lp a r a m e t e r ；s t e a d y - s t a t e s h o r t c i r c u i tc u r r e n t ；t r a n s i e n ts h o r t c i r c u i tc u r r e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：蒌照怎 签字日期：肋d 7 年月冲日 导师签名： 乌、儇酞 签字日期：y 矽年月冲日 致谢 本论文的工作是在我的导师吴命利教授的悉心指导下完成的，吴命利教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 吴命利老师对我的关心和指导。 吴命利教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向吴命利老师表示衷心的谢意。 杨少兵老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，麻建宗、迟美丹、张殿睿等同学对我论文研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景和意义 随着我国国民经济的迅速发展和城市交通量的增长，一些大中城市的交通拥 挤状况越来越严重，城市轨道交通作为一种高速、安全、舒适、快捷、容量大、 占地少、能耗小、污染少等优点的交通工具，能够有效的改善居民的出行结构， 提高城市公共交通的服务水平，已经越来越受到政府的重视。继北京、上海、广 州、天津、深圳、南京、重庆等城市相继建成地铁之后，武汉、长春、大连、合 肥等城市的轨道交通也正在规划和初步设计之中。据有关专家预n - 至2 0 1 0 年， 我国大城市将修建地铁和轻轨线路总里程达1 0 0 0 公里以上，需用车辆3 2 0 0 多辆。 如果我国大城市都按与国际接轨水平建设城市轨道交通网络，那么我国至少要建 设2 0 0 0 公里以上的城市轨道交通网络，需用车辆将达1 2 0 0 0 辆以上。由此可见， 我国城市轨道交通在我国有着巨大的市场和广阔的前景【4 】。 直流牵引供电系统是城市轨道交通的重要组成部分，没有直流牵引供电系统 的安全供电作保障，就不可能有城市轨道交通的正常运行。直流牵引供电系统主 要由降压变压器、整流器、馈电线、接触网和走行轨等组成，由于在接触网下， 沿线有许多电动车组高速动态取流，使的接触网昼夜不停的处在振动、摩擦、电 弧、伸缩的动态运行的状态中，加上露天区段还要承受风、雾、雨、雪及大气污 染的作用，接触网发生短路故障的可能性较一般电力线路的概率要大得多。 在城市轨道交通系统中，直流牵引供电系统的短路电流计算对城市轨道交通 牵引供电系统的设计有着重要的作用，是直流快速开关合理选型及直流保护准确 整定的基础，是判断变电所运行的安全可靠性、确定运行方式的重要依据。直流 短路电流稳态值的计算，跟电力系统交流侧短路容量、整流机组参数、外特性以 及牵引网的电阻有关；而牵引网发生短路故障后，短路电流存在一个短时快速上 升的暂念过程，准确掌握这一过程对牵引变电所直流快速断路器继电保护的合理 配置与整定具有重要意义，例如瞬时动作的低压自动空气开关，就需要冲击电流 有效值来进行其动稳定校验。接触轨在不同的位置发生短路时，短路电流的数值 和暂态过程往往不同，从而建立直流牵引供电系统短路电流暂态仿真计算模型并 对这一过程进行仿真是十分必要的。另外，利用计算机对短路电流进行计算和仿 真不但可以轻松获取短路数据，还可以动态的改变参数来研究其对系统的影响、 避免直接进行短路试验获取数据时对相关设备的危害，具有经济、方便、安全等 突出优点。 1 2 国内外研究的现状 自2 0 世纪9 0 年代以来，国内外不少单位开展了直流牵引供电系统的仿真研 究。在牵引网电气参数计算方面，文献 1 ，2 】给出了牵引网电气参数的计算方法， 并提供了一种可行的近似计算直流暂念过程中回路阻抗参数的方法，建议用 直流电阻加上工频5 0 h z 下的电感作为回路参数。文献【1 3 】给出了北京地铁 线路的实测数据。 在直流牵引供电系统短路电流稳态值计算方面，文献 3 ，7 ，1 5 ，1 6 给出了6 脉波 和1 2 脉波整流机组外特性模型，并且介绍了在工程应用中对整流机组的外特性曲 线3 段线性化处理的方法，文献【4 】给出了6 脉波整流机组牵引网近端和远端发生 短路后短路电流的计算方法和仿真结果，文献 2 0 】介绍了2 4 脉波整流机组的外特 性模型，并提出了对整流机组的外特性曲线5 段线性化处理的方法，并结合试验 探讨了短路电流的计算方法。文献 7 ，2 1 介绍了直流牵引供电系统的数学模型， 文献 2 3 ，2 4 1 给出了城市轨道交通供电系统短路试验的几个具体实例。 在直流牵引供电系统短路电流暂态过程仿真方面，文献 1 7 ，1 9 1 给出了2 4 脉 波整流机组的组成原理，文献 2 2 1 介绍了2 4 脉波整流机组的s i m u l i n k 仿真模型， 并给出了正常运行情况下牵引网电压的仿真结果，文献【1 8 探讨了深圳地铁1 号线 接触网近端和远端发生短路时，短路电流的仿真结果。 目前国内对架空接触网供电方式下短路电流仿真的研究比较多，对第三轨( 接 触轨) 供电方式下短路电流仿真的研究较少。在第三轨供电方式下，第三轨和走 行轨均敷设在地下隧道内，四周为钢筋混泥土结构，这样采用第三轨的地铁供电 回路所处的环境比较特殊，与采用架空接触网方式的铁道供电回路( 如上海 地铁、广州地铁) 有很大差别。本文首先研究地下铁道在第三轨供电方式下， 由第三轨和走行轨所构成的牵引供电回路的电气参数计算问题，然后探讨第 三轨发生短路时，短路电流稳态值计算和暂态过程仿真问题。 1 3 本论文主要内容和结构 第一章概述，主要介绍直流牵引供电系统短路电流计算的必要性和重要性、 国内外研究现状以及本论文的结构。 第二章介绍了城市轨道交通供电系统( 包括直流牵引供电系统和交流供电系 统) 的构成和运行方式，研究了牵引变电所内整流机组的工作原理。 2 第三章研究了牵引供电回路中，牵引网电气参数的计算方法，并通过与实测 数据的比较证明其准确性，为直流牵引供电系统短路电流稳态值的计算和暂态 过程的仿真提供依据。 第四章分析了整流机组的外特性模型和牵引网的数学模型，并对直流牵引供 电系统原理图进行了简化，完成了直流牵引供电系统短路电流稳态值计算的程序 和界面设计，并对上海轨道交通3 号线和北京地铁6 号线接触网( 轨) 发生的短 路情况进行仿真。 第五章建立了直流牵引供电系统的m a ：r l a b s i m u l i n k 仿真模型，以北京地 铁6 号线为例，对短路点在不同位置时，牵引网短路电流的暂态过程进行了仿真 和分析。 第六章对全文进行总结，提出下一步需要解决的问题。 3 第2 章城市轨道交通直流牵引供电系统 2 1 城市轨道交通供电系统的组成【5 ，7 2 5 】 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，一般包括高压 电源系统、牵引供电系统和动力照明系统。高压电源系统即城市电网，主要是给 城市轨道交通提供外部电源；牵引供电系统供给电动车辆运行的电能，它由牵引 变电所和接触网等组成；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。 生产电能的发电厂可能与用户相距甚远，为了减小线路损失和能量损耗，通 常在发电厂的输出端接升压变压器，使电压等级提高到1 1 0 , - 2 2 0 k v ，然后经过输 电线路到达各城市的区域变电所，区域变电所将电能降低一个等级，如l o , - , 3 5 k v 向附近各用电中心送电。城市轨道交通牵引用电既可以从区域变电所高压线路取 电，也可以从下一级城市电网取电，这取决于地方电网的具体情况和牵引用电容 量的大小。 对于直接从系统获得电力的城市轨道交通系统，往往需要再设置一级主降压 变电所，它将系统输电电压如1 1 0 , - - 2 2 0 k v 降到l o - , - 3 5 k v 以适应直流牵引变电所。 城市轨道交通供电系统的变电所除电源变电所( 或称高压变电所) 外，一般 包括牵引变电所、降压变电所和牵引降压( 混合) 变电所三种。牵引变电所是只 供给地铁、轻轨电动车辆电能的变电所，如轨道沿线区间单独设置的牵引变电所 或停车场的牵引变电所。降压变电所是将l o k v 电源降为3 8 0 v 2 2 0 v 动力照明电 源的变电所，它一般设置在车站内。牵引降压变电所是这两种变电所的结合，它 具有牵引和动力照明两种电源，一般设置在车站。 以上从发电厂经升压、高压输电、区域变电所至主降压变电所部分，通常被 称为外部电源系统或一次系统。 从主降压变电所及其以后的部分称为牵引供电系统，它应包括：主降压变电 所、直流牵引变电所、馈电线、接触线、走行轨及回流线等。 城市轨道交通供电系统的组成如图2 1 所示。 5 城市i 乜网 高压供电 图2 1 城市轨道交通供电系统 f i g 2 1m a s st r a n s i tp o w e rs u p p l y s y s t e m 2 2 高压电源系统 5 , 7 , 2 6 】 高压电源系统要视各城市情况而定，它可以是城市市电直接供给交通线路的 各变电所，也可以由城市高压供电线路集中供电给城轨交通线路，然后由电源变 电所再分配给轨道沿线各变电所，还可以是这两种情况的综合。根据我国城市电 网的发展和地铁的建设情况，高压电源系统供电方式主要有三种：集中式供电、 分散式供电和混合式供电。 一、集中式供电 沿地铁线路建设地铁专用的主变电所，主变电所电源电压一般为1 1 0 k v ；它 将从城市电网获得的电压降为地铁系统所需的电压等级( 3 5 k v 、3 3 k v 、2 0 k v 或 1 0 k v ) ，并向地铁的牵引变电所和降压变电所供电。上海地铁1 号线、地铁2 号线、 明珠线都采用此种式供电。如图2 2 所示。 二、分散供电方式 牵引、降压变电所 图2 2 集中供电方式 f i g 2 2c o n c e n t r a t e df e e d i n gs y s t e m 6 根据地铁供电系统的需要，在地铁沿线直接由城市电网引入多路电源，电源 电压等级一般为l o k v ，供应给各牵引或降压变电所，这种方式为分散式供电。分 散式供电保证每座牵引变电所和降压变电所能获得双路电源。沈阳地铁和北京地 铁5 号线为此种供电方式，如图2 3 所示。 区域变电所 牵引或降压变电所 图2 3 分散供电方式 f i g 2 3s c a t t e r e df e e d i n gs y s t e m 三、混合供电方式 即前两者的结合，以集中式供电为主，分散式供电作补充，使供电系统更加 完善和可靠。北京地铁1 号线和环线即为此种供电方式。 四、三种供电方式的比较 当采用集中供电方式时，设主变电所，需从城市电网中引入两路可靠电源( 一 般为1 l ok v 或3 5k v 电压等级) 。 当采用分散供电方式时，不设主变电所，各牵引变电所、降压变电所分别由 城市轨道交通沿线电网就近接引两路相互独立的3 5l 【v 或1 0k v 电源供电。 混合供电方式是前两种供电方式的结合，一般以集中供电方式为主，个别区 段的牵引或降压变电所直接引入城市电网电源为集中供电方式的补充。 与分散供电方式相比，集中供电方式具有一下有点： ( 1 ) 可靠性高，便于集中统一调度和集中管理。 ( 2 ) 施工方便，维护容易，电缆敷设路径比较好，在城市轨道交通地下部分， 电缆可沿隧道内壁上的支架敷设，在高架区段，电缆可沿线路两侧的支架敷设， 不存在另选径路开挖道路的问题，可以节省投资，方便电缆的维护保养。 ( 3 ) 计费方便、简单。采用l1 0k v 电压集中供电方式，运行管理单位与电 业部门的电度计费在主变电所设总计量就行，不必在各变电所分别计量、汇总， 计费方便、简单，同时也减少了个部门之间的联络环节。 ( 4 ) 抑制谐波效果较好。城市轨道交通是直流牵引供电系统，其牵引整流系 统是较大的谐波源，为减少谐波对电网的影响和危害，一般采用较高的脉波( 1 2 脉波或2 4 脉波) 整流机，二是选用较高电压的电源，因为大容量、高电压电网的 7 承受能力强，同时国际规定的谐波总畸变率和谐波电压含有率比小容量、低电压 电网要低的多，而且也有利于采取高次谐波防治措施。 总之，由于城市轨道交通的供电系统与城市电网的分布密切相关。因此设计 时应根据城市电网构成情况和城市轨道交通的具体情况，选用某种形式的供电方 式。 2 3 动力、照明供电系统与电力监控系统 一、动力、照明供电系统【5 2 7 】 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，示意图如图2 4 所示。 配电所配电所 图2 4 动力照明供电系统 f i g 2 4p o w e rs u p p l ys y s t e mo fo p e r a t i n ga n dl i g h t i n gd e v i c e 各部分功能： 降压变电所：将三相电源进线电压降压为三相3 8 0 v 交流电，降压变电所的主 要用电设备是电机、水泵、照明、通信、信号、防灾报警设备等。 配电所：配电所仅起到电能分配作用。降压变电所通过配电所将三相3 8 0 v 和 单相2 2 0 v 交流电分别供给动力、照明设备，各配电所对本车站及其两侧区间动力 和照明等设备配电。 配电线：配电所与用电设备之间的导线。 在动力供电系统中，降压变电所一般每个车站设置一个，有时也可几个车站 设一个；也可将降压( 动力) 变压器附设在某个牵引变电所之中，构成牵引与动力混 合变电所。 城市轨道交通车站及区间照明电源采用3 8 0 2 2 0 v 系统配电。正常时，工作照 明、事故照明均由交流供电，当交流电源失去时，事故照明自动切换为蓄电池供 电，确保事故期间必要的紧急照明。 二、电力监控系统 城市轨道交通内设有电力监控系统( s c a n d a ) 它的作用是保证控制中心对供 电系统的主变电所、牵引变电所、降压变电所等供电设备的运行状态监视、控制 和数据采集，起着中枢神经的重要作用。它由设在控制中心的主机、设在各变电 所的远程控制终端以及联结终端与中心的通信网络三部分组成，如图25 所示。 l 哗哗i 辈 i霹 f ij l 直直直鱼 图2 5 电力监控系统 f i 9 25s c a n d a 2 4 直流牵引供电系统及其运行方式 2 41 直流牵引供电系统构成 直流牵引供电系统由两部分构成：直流牵引变电所和牵引网。直流牵引变电 所是牵引供电系统的核心，按照i e c 和我国规定，目前我国地下通道的牵引网普 遍采用两种，一种是d c 7 5 0 v 接触轨授电，标称额定电压为直流7 5 0 v ，允许电压 的波动范嗣为5 0 0 v 9 0 0 v 。另一种是d c l 5 0 0 v 架空接触网授电，标称额定电压为 直流1 5 0 0 v ，允许电压的波动范围为1 0 0 0 v 一18 0 0 v 。直流牵引变电所将三相高压 交流电变成适合电动车辆运行的低压直流电，馈电线是将牵引变电所的直流电送 到接触轨或接触网上，接触网是沿列车走行轨架设的特殊供电线路，电动车辆通 过受流器与接触网直接接触而获得电力，走行轨构成牵引供电回路的一部分，回 流线将轨道回流引向牵引变电所。牵引供电系统的构成如图2 6 所示。 2 4 2 牵引变电所 主降压变电所直流牵引变电所 图2 6 直流牵引供电系统 f i g 2 6d c t r a c t i o np o w e rs u p p l y s y s t e m 直流牵引变电所从双电源受电，经整流机组变压器降压、分相后，按一定整 流接线方式由大功率硅整流器把三相交流电变换为与牵引网相应电压等级的直流 电，向电动车组供电。牵引变电所的位置和容量，是根据高峰小时的车流密度、 车辆编组及车辆型式通过牵引供电计算，经过多方案比较后确定。 牵引变电所的容量设置遵循一下原则进行设计： ( 1 ) 供电合理，运营方便，满足高峰运营时最大负荷的需要。 ( 2 ) 系统中任何不相邻的两座牵引变电所故障解列时，靠其相邻牵引变电所 的过负荷能力，仍应能保证列车的正常运行，不影响运送客流的能力。 地铁、城市轨道交通直流牵引变电所，有时常与向车站、区间供电的降压变 电所合并，形成牵引、降压混合变电所。此时，主电路结构和电气设备与一般的 直流牵引变电所相比有所不同；直流牵引变电所间距离仅几千米，一般不设分区 所和开闭所。 整流机组是直流牵引变电所的关键设备，为降低整流机组中的脉动分量和整 流变压器一次侧的谐波含量，新建的地铁线路一般采用2 4 相脉波的整流接线方式， 现代整流机组的单机功率可达3 5 0 0 k w 以上，其工作原理见2 5 4 节内容。 2 4 3 牵引网 牵引网是沿线路敷设的为电动车组供给电源的装置，它包括了钢轨回路( 包 括大地) 、馈电线、回流线和接触网的一个大的范畴，是轨道交通供电系统中向电 动车组供电的直接环节。 一、轨道 1 0 轨道是在非电牵引情形下只为列车的导轨。在电力牵引时，轨道除了仍具有 导轨的功能外，还需要完成导通回流的任务，因此，电力牵引的轨道，还需要有 畅通导电的功能。 二、馈电线 馈电线是连接牵引变电所和接触网的导线，它把经牵引变电所变换成合乎牵 引制式用的电能馈送给接触网。 三、回流线 回流线是连接轨道和牵引变电所的导线，通过回流线把轨道中的回路电流导 入牵引变电所。 四、接触网 ( 1 ) 接触网的工作特点 没有备用，无法采用备用措施，一旦接触网故障，整个供电区间全部停电，列 车停运；经常处于动态运行状态，存在与受电器的机械作用，处于振动、摩擦、电 弧、污染等动态运行状态中，使其发生故障的可能性较一般电力线路的概率高很 多；结构复杂，技术要求高，对接触导线的高度、拉力、定位器的坡度，接触网的 弹性、均匀度都有定量的要求。 ( 2 ) 对接触网的基本要求 接触网悬挂应弹性均匀、高度一致，在高速行车和恶劣的气象条件下，能保 证正常取流；接触网结构要尽量简单，并保证在施工、运营及检修等方面具有充 分的可靠性和灵活性；接触网的寿命应尽量长，具有足够的耐磨性和抗腐蚀能力。 ( 3 ) 接触网一般分为架空式接触网和接触轨式接触网 架空式接触网是一种悬挂在轨道上方沿轨道敷设的、和铁路轨顶部保持一定 距离的输电网。通过电动车组的受电弓和接触网的滑动接触，牵引电能就由接触 网进入动车组，驱动电动机使列车运行。 接触轨是沿电牵引线路敷设的与走行轨道平行的附加轨，故又称为第三轨。 其功能与架空接触网一样，通过它将电能输送给电动车组。不同点在于，接触轨 是敷设在铁路旁边的具有高导电率的特制软刚制成的钢轨。电动车组伸出的受流 器与之接触而取得电能。 接触轨和架空接触网两种供电方式， 特点，车辆编组和客流大小，经过技术、 究竟采用何种方式，各城市根据自己的 经济比较确定。现在世界上采用接触轨 供电方式的城市占7 0 ，采用架空接触网的城市占3 0 。两种供电方式各有优缺 点，在技术上是同时并存的。 接触轨的主要优点是：使用寿命长、维修量小，在地面对城市景观没有影响， 适用于电压较低的制式。主要缺点是：车辆不能脱离电源，电压偏低，对于大运 量的车辆供电，使牵引变电所的距离较近。北京地铁采用了7 5 0 v 接触轨供电方式。 接触网的主要优点是：安全性好，车辆可随时脱离电源，电压较高，适应于 大运量系统供电。上海、广州地铁均采用了1 5 0 0 v 接触网供电方式。 2 4 4 牵引变电所向牵引网的供电方式 牵引变电所向牵引网的供电方式有三种，即单边供电、双边供电和上下行并 联供电，单边供电方式结构简单，但供电可靠性不高；双边供电方式能有效的提 高牵引网电压，可靠性好，但是结构复杂，继电保护装置的计算和整定也较复杂； 上下行并联供电方式将上下行接触轨并联，牵引网电压的波动性更小，电流分部 也更合理，但是当一个变电所发生故障解列时，运行比较复杂。牵引变电所向牵 引网的供电方式如图2 7 所示。 ( a ) 单边供电 ( a ) o n e w a yp o w e rs u p p l y 牵引所1 牵引所2牵引所3 ( b ) 双边供电 ( b ) t w o w a yp o w e rs u p p l y 牵引所1 牵引所2牵引所3 ( c ) 上下行并联双边供电 ( c ) t w o - w a yp o w e rs u p p l yo fp a r a l l e lc o n n e c t i o n 图2 7 牵引变电所向牵引网的供电方式 f i g 2 7f e e d i n gs y s t e mf r o mt r a c t i o ns u b s t a t i o nt ot r a c t i v en e t w o r k 2 4 5 牵引供电系统的运行方式 牵引供电系统的运行方式有两种，即正常运行方式和任一变电所解列的运行 1 2 方式，如图2 8 所示。 ( 1 ) 正常运行方式： 正线各供电区间，均由相邻牵引变电所双边供电；车辆段内接触网由车辆段牵 引变电所供电：停车场内接触网由停车场牵引变电所供电。 ( 2 ) 任一牵引变电所解列时的运行方式： 当任一牵引变电所解y u ( 不含线路端头牵引变电所) ，由相邻变电所越区“大双 边 供电。 当正线线路端头的牵引变电所解列，则由相邻的牵引变电所单边供电。 车辆段或停车场牵引变电所解列时，由正线牵引变电所通过合上正线与车辆 段或停车场接触网分段隔离开关向车辆段或停车场牵引网供电，而车辆段或停车 场牵引变电所不承担向正线支援的任务。 ( a ) 正常运行 ( a ) n o r m a lo p e r a t i o n ( b ) 任一牵引变电所解列 ( b ) o p e r a t i o n 喇n lo n es u b s t a t i o nd i s c o n n o c t c df r o mt h es y s t e m 图2 8 牵引供电系统的运行方式 f i g 2 8o p e r a t i n gm o d eo ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m 2 5 牵引变电所的整流机组【1 6 , 1 9 , 2 0 , 2 7 轨道交通直流牵引变电所的主结线，包括高压交流( 1 0 k v - 3 5 k v ) 电系统和直流 ( 7 5 0 v 1 5 0 0 v ) 受馈电系统两部分，整流机组( 整流变压器一整流器组) 作为交、直流 系统变换的重要环节设置的。 牵引变电所的主要功能为：将其交流进线电压通过整流变压器降压，然后经整 流器将交流电变成直流电供电动车辆的牵引电动机用。为了提高直流电的供电质 量，降低直流电源的脉动( 波动) 量，通常采用多脉波整流的方法，它可以是6 脉波、 1 2 脉波整流，还可以增加到2 4 脉波整流。为此，整流变压器不仅仅起降压作用， 1 3 还要将三相交流电变成多相交流电供整流器整流，整流变压器与整流器合称为整 流机组。 设计选择整流装置时，既要考虑直流供电质量，还要顾及整流变压器的利用 率。从这一点来说，直流牵引供电制式比交流牵引供电制式有利，因为交流牵引 供电制式是在机车上将高压交流电进行降压整流的，即整流装置完全装在机车上， 而车上的空间是有限的，它不可能安装太复杂庞大的设备，只能进行单相整流供 电。相反地，直流牵引变电所却可以在地面安装比较完善的整流装置。 整流机组从提高变压器利用率、减少注入电网谐波含量两方面考虑，经济而 有效的方法是在三相桥式整流电路的基础上增加整流相数。为此，用三相桥式整 流电路构成1 2 相脉动整流或等效2 4 相整流的接线方式，目前获得了广泛应用。 下面先介绍一下整流的相关知识。 2 5 1 整流技术概述 在电能基本转换形式中，a c d c 最早出现，a c d c 变换电路指能够直接将交 流电能转换为直流电能的电路，泛称整流电路。在应用中构成直流电源装置，是 公用电网与电力电子装置的接口电路，其性能将影响公用电网的运行和用电质量。 整流电路的主要功能： ( 1 ) 调压：指直流输出电压随电网电压的变化而增减； ( 2 ) 稳压：指电网电压不变时，直流输出电压应在网侧电压波动和负载变化 时维持恒定。 大多数电子设备都采用工频交流供电，这些设备的电源大部分都含有整流电 路。通常的整流器就是由二极管整流桥和滤波电容构成的。由于这种整流器只在 交流电压高于滤波电容上的电压时吸收能量，所以输入端电流呈脉冲状，包含大 量的谐波分量。高次谐波含量的升高使得基波分量降低，还会使功率因数降低， 通常电容滤波二极管整流电路的输入端功率因数只能达到o 6 5 左右，而其中相移 无功分量几乎为零! 整流器的输入端功率因数低，意味着需要吸收较多的无功功率， 这会加重供电系统的负担，造成较大的线路损耗和容量浪费。 2 5 26 脉波整流机组 我国早期建设的地铁线路普遍采用6 脉波桥式整流机组，它包括整流变压器和 三相桥式不可控整流电路。6 脉波桥式整流机组结构简单，计算容量最小，反电压峰 值最小，绕组结线组合多，易于形成等效1 2 相电路。广泛应用于3 0 0 v 以上大容量 1 4 整流装置中。图2 9 是一个最常见的6 脉波整流机组，对应的电压相量关系如图 2 1 0 所示。 一 一 -_ j z2z 当握 z z2s 1 图2 96 脉波整流电路 f i g 2 96 - p u l s er e c t i f i e r s 2 1 06 相整流电路电压向量 f i g 2 1 0v o l t a g ev e c t o ro f 6 - p u l s er e c t i f i e r s 2 5 31 2 脉波整流机组 为减轻一次侧交流线电压的畸变程度，增加直流输出电压的脉波数以减低纹 波电压，在香港和广州城市轨道交通中广泛采用1 2 脉波整流机组。图2 1 1 为1 2 脉波牵引整流电路的结构示意图，其一次侧公用一个星形接线绕组，二次两个绕 组分别作星形和三角形连接，形成1 2 脉波整流所需要的3 0 。相位差。实际中常采 用三绕组或四绕组的特种结构变压器，绕组连接方式为y - y ，y 和v y 孓 ，y ，利用副边或原、副边星形与三角形两绕组间各相间电压依次形成 3 0 。相移，以及上述各相间电压的倒相( 1 8 0 0 相位差) ，从而构成1 2 脉动整流接线 方式。 目前我国城市轨道交通所用的1 2 脉波整流机组一般采用轴向双分裂式三绕组 变压器，设计的漏抗较大，可等效平衡电抗器的作用。 1 5 豪 - 旦厂y 、y 一、_ j _ 旦厂y 、r 、_ | 图2 1 11 2 脉波整流电路 f i g 2 11 12 - p u l s er e c t i f i e r s 整流变压器绕组以一y 接线方式为例，十二相整流电路接线方式如图2 1 2 ， 对应的电压相量关系如图2 1 3 所示。 图2 1 21 2 相整流电路接线图 f i g 2 12w i r i n gd i a g r a mo f12 一p u l s er e c t i f i e r s 从图中可以看出，当不考虑平衡电抗器的作用时，相当于两组相位差为3 0 度 的三相桥整流电路交替向直流负载供电，在一个工频周期内每个桥臂整流管导电 时间为兀3 ，整流后的直流电压每工频周期有1 2 次脉动，形成十二相整流。这种 情况下每桥臂整流管不能有效利用，是其缺点。 67 。涉cn o 釜 - - u c a 一 图2 1 3 1 2 相整流电路电压向量 f i g 2 13v o l t a g ev e c t o ro f12 - p u l s er e c t i f i e r s 1 6 接入平衡电抗器后，由于其感应电压的存在，则两组三相整流桥相当于并联 工作，同时向负载供电，且每个桥臂整流管导电时间为2 3 ，提高了整流管的利 用率。两组整流桥任意时刻并联工作的必要条件是，导电时刻两组桥路同时并联 导电支路的电压必须相等。 2 5 42 4 脉波整流机组 大功率整流装置中的网侧谐波电流，是电力系统中主要的谐波源之一。为了 减少牵引整流变电站网侧谐波电流对城市电网的影响，我国城市轨道交通的牵引 整流变电站正由原来的1 2 脉波向2 4 脉波发展。等效2 4 脉波整流系统在抑制谐波 方面可取得良好的效果，对电网造成的电流谐波含量比1 2 脉波整流下降大约5 0 。 由2 4 脉波整流机组构成的直流牵引供电系统电路原理如图2 1 4 。 v 图2 1 4 直流牵引供电系统电路原理图 f i g 2 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fd ct r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m 两个相同的十二脉波整流机组并联工作并不会改变整流脉波数，只有当两个 机组的整流变压器网侧绕组分别移相+ 7 5 。和一7 5 。，并联工作时，才能形成等效 二十四脉波整流。目前在不改变整流器等其它设备基础上，为了实现两台整流变 压器在网1 呗1 j 士7 5 。的移相，通常变压器一次侧三角形绕组上加延长绕组。1 # 整流变 压器为d y l l d d 0 联结( 参见图2 1 5 ) ，一次侧绕组移相+ 7 5 。；2 # 整流变压器为 d y l d d 2 联结( 参见图2 1 6 ) ，一次侧绕组移相7 5 。2 台整流变压器一次侧并联 在同一电网中，二次侧线电压相同，相位相差1 5 。各台二次侧分别连接两组三 相全波桥式整流电路，输出等效1 2 脉波直流电压。两组等效l 相整流输出并联， 构成等效2 4 相整流输出，变压器低压侧出端接线方式如图2 1 7 所示。 1 7 图2 1 51 桴变压器绕组联结图( 组别d y l l d d 0 ) f i g 2 15c o n n e c t i o nd i a g r a mo fw i n d i n g so f1 _ t r a n s f o r m e r 图2 1 62 撑变压器绕组联结图( 组别d y l d d 2 ) ； 疰 j 乏池池w 2 n ： 屯犯u 二v 2 o i u 2 j v 2 i 1 r ql ，l 1 ，1 r 、j y i r 、k i r nl ，l i 卜j l l r 、j l 一，l 卜、j i 、ul ，l l 1r 、j i i - l r 、j t - l n i - - i k i l 、一i - i 4 - 一 图2 1 72 4 脉波整流变压器出端接线示意图 f i g 2 17w i r i n gd i a g r a mo ft r a n s f o r m e ro u t p u tt e r m i n a li n2 4 - p u l s e r e c t i f i e r s 值得注意的是，由于变压器采用了轴向双分裂式结构曲折形联接整流变压器， 1 8 坦习烈亨坦一蓍 一 2 一3蕊飘 2 1lj 3rrjr吖c一，t 2 一 3可弓辛bq量戳翮 阀侧绕组间具有较大的短路阻抗( 分裂阻抗) ，因此一般都不设桥间平衡电抗。 2 6 小结 本章主要研究以下两方面内容： ( 1 ) 介绍了城市轨道交通供电系统的组成和直流牵引供电系统的构成，介绍 了牵引供电系统的运行方式和牵引变电所向牵引网的供电方式。 ( 2 ) 分析了1 2 脉波整流机组和2 4 脉波整流机组的工作原理，牵引网的组成 和各部分作用，为建立直流牵引供电系统的数学模型和仿真模型提供依据。 1 9 第3 章牵引供电回路电气参数计算 地下铁道在第三轨( 接触轨) 供电方式下，由第三轨和走行轨所构成的 牵引供电回路的电气参数计算问题，包括回路的电阻和电感( 电抗) 。供电 回路的电气参数是重要的基础数据，据此进行地铁的牵引计算、供电计算、 直流短路暂态过程计算和稳态计算等。由于接触轨和走行轨的电阻和电感与材 料、型号和空间布置位置等均有关系，并且由于存在铁磁非线性，它们随着电流 的变化而变化，很难用解析式来精确表达，这样单独讨论牵引供电回路的电 气参数是困难的。文献【1 ；2 】提供了一种可行的近似计算方法，建议用直流电阻 加上的电感作为回路参数。 3 1 钢轨直流电阻计算 3 1 1 钢轨基本参数 钢轨的主要成分为铁，还含有锰、碳、硅、硫、磷等