地铁直流供电系统模型及直流短路分析_肖涛古.docx
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1、 Metro DC Power Supply System Model and DC Short Circuit Analysis A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate: Xiao Taogu Supervisor: Prof. Wang Keying South China University of Technology Guangzhou, China 摘要 近年来作为城市交通的重要组成部分的轨道交通在国内得到了大力发展,直流牵引 供电系统的可靠运行对于轨道交通的安全运营至关重要,所以开展对直流供电系统的相
2、 关研究具有十分重要的意义。 直流牵引供电系统是地铁供电系统的的重要环节,文章对直流牵引供电系统进行详 细的介绍,特别介绍最新型的等效 48脉波整流机组工作原理。分析地铁 24脉波整流机 组的工作原理及多段线性外特性模型,用理想电压源内阻的戴维南等效电路代替直流牵 引变电所建立数学模型。并通过广州地铁六号线现场测试 24脉波整流机组外特性来验 证该模型的准确性。 在直流牵引供电系统的短路模型下进行短路分析,并推导短路时短路电流、钢轨电 位及杂散电流的计算公式,通过对短路电流计算公式的分析得知短路故障初期电流上升 率最大,随着时间延长,电流上升率按照指数函数规律衰减,最终衰减为零。而且,电 流上
3、升率最大值与线路电感成反比,短路点越接近接触网末端,电流上升率越小。通过 对短路时钢轨电位的计算公式的 分析得知正常情况下钢轨对地电位以短路区间一半处 对称分布。 详细介绍直流牵引供电系统的保护配置原理,结合广州地铁工程实际,对地铁五号 线牵引供电系统现场进行相关短路试验验证相关保护配置的准确性,同时结合五号线短 路故障实例对现有的继保装置的直流定值进行了匹配性分析。 关键词:城市轨道交通,牵引供电,直流短路, 24脉波整流机组 Abstract In recent years, the rail transit in China has been rapidly developed as a
4、n important part of the urban traffic, and the reliablity to operation the DC traction power supply system plays a very important role in operating the rail traffic in safety. So its of a far-reaching influence to carry out a research related to dc power supply system. The Dc traction power supply s
5、ystem plays an important link in the whole metro power supply system. In this paper, it has been introduced in detail, especially the working principle of the latest equivalent 48 pulse rectifier unit. It also has analyzed the 24 pulse rectifier units work principle of subway and multiple linear ext
6、ernal characteristic model, and established mathematical model by replacing DC traction substation with the Thevenins equivalent circuit which contains ideal voltage source resistance. Then, it verifies the accuracy of the model by the methods that the Guangzhou metro line 6 tests 24 pulse rectifier
7、 units external characteristic in field. Based on the DC traction power supply systems short circuit model, this paper has analyzed the short circuit and deduced the calculation formulas of short-circuit current, rail potential and stray current, when the circuit is shorted. Then, by analyzing the c
8、alculation formulas of short-circuit current, it comes to a conclusion that the current rises fastest at its preliminary stage, then, as time goes on, getting weaker in a law of exponential function, until it stops. In the meantime, the current rising rate have an inverse relationship with line indu
9、ctance. So, closer the short dot gets to contact end, smaller the rate of rise of current becomes. According to analysis of the calculation formulas of rail potential, it also comes to a conclusion that raiFs potential to ground distributes symmetrically from the half of short circuit interval. It a
10、lso introduces the protection configuration principle of the DC traction power supply system. Combining with the practices of Guangzhou metro engineering, it does a series of relevant short circuit test on the traction power supply system of subway line no.5 to certify the accuracy of the protection
11、 configuration. And, in combination with the example of the 5th lines short circuit fault, it takes a matching analysis to the Dc setting values of relay protection equipment. Keywords: Urban Rail Transit;Traction power supply;DC short circuit;24-pulse rectifier unit 目录 摘要 . i ABSTRACT . II 第一章绪论 .
12、i i.i研究意义 . i 1.2国内外研究现状 . 1 1.3本文所做的工作 . 2 第二章地铁供电系统的组成和运行控制 . 3 2.1地铁供电系统的组成 . 3 2.2地铁变电所分类及其运行方式 . 4 2.2.1地铁变电所的分类 . 4 2.2.2变电所的运行方式 . 5 2.3交流中压环网系统 . 6 2.4地铁变电所主要设备 . 7 2.5地铁电力监控 . 9 2.5.1电力监控系统基本组成与功能 . 9 2.5.2监控的基本内容 . 10 2.6地铁直流牵引供电系统 . 11 2.6.1直流牵引供电系统组成 . 11 2.6.2直流牵引供电系统技术要求 . 12 2.6.3直流牵引
13、供电系统运行方式 . 13 2.6.4牵引变电所整流机组 . 13 2.7本章小结 . 19 第三章直流牵引供电系统数学模型 . 20 3.1整流机组的外特性 . 20 3丄 1 6脉波整流机组 . 20 3丄 2 12脉波整流机组 . 21 3.2 12脉波外特性计算实例 . 24 3.3 2200KW整流机组现场联调试验 . 25 3.3.1现场测试整流机组参数 . 25 3.3.2现场测试项目 . 26 3.3.3测试结果分析 . 27 3.4本章小结 . 31 第四章直流牵引供电系统短路分析 . 32 4.1直流牵引供电系统故障分析 . 32 4丄 1直流牵引供电系统故障原因分析 .
14、32 4丄 2直流牵引供电系统故障电流分析 . 32 4.2直流牵引供电系统短路时刚轨电位分析 . 34 4.2.1钢轨电位限制装置工作原理 . 35 4.2.2钢轨对地电位升高的主要因素 . 36 4.2.3短路故障时轨电位值推导过程 . 36 4.3本章小结 . 37 第五章直流牵引供电系统的保护 . 39 5.1直流牵引供电系统的保护配置原理 . 39 5丄 1直流开关保护原理 . 39 5丄 2直流馈线开关保护整定原则 . 43 5.2直流供电系统短路试验 . 46 5.2.1短路试验方案 . 46 5.2.2短路仿真分析 . 48 5.2.3短路试验实测结果分析 . 50 5.3直流
15、牵引供电系统短路故障实例分析 . 55 5.3.1事件经过和变电所设备动作情况 . 55 5.3.2馈线开关及轨电位装置动作合理性分析 . 57 5.4本章小结 . 59 绪论 . 60 . 61 攻读硕士期间发表的论文 . 63 致谢 . 64 第一章绪论 1.1研究意义 城市轨道交通 ( Rail Transit)具有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约 能源和用地等特点。世界各国普遍认识到:解决城市的交通问题的根本出路在于优先发 展以轨道交通为骨干的城市公共交通系统。随着我国国民经济的持续发展,城市化进程 的加快,城市交通矛盾日益突出,发展城市轨道交通已成为大城市公共交通的根本方针
16、 和缓解城市交通拥堵的最佳选择。进入 20世纪 90年代,我国的轨道交通进入快速发展 时期,截止 2011年底,共计 12个城市已开通轨道交通线路,总里程超过 1100公里; 此外,已有超过 30多个城市动工建设,规划总里程 2600公里,投资超过 10000亿元。 地铁供电系统是城市轨道交通运营的动力源泉,对于直流牵引供电系统的故障分 析、保护及控制技术及相关问题研究具有十分重要意义。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控制技术的基础,目前我国直 流牵引供电系统故障机理研究稍显滞后。由于牵引列车在线路取流来自由接触网连成一 体的全线所有牵引变电所,因
17、此首先需要 建立精确直流供电系统模型,直流牵引短路故 障过程受到交流侧系统阻抗及整流器换阀过程影响,对交直流变换的整流机组建模及运 行特性分析相当重要。 研究直流牵引供电系统的继保技术,一方面可以确保向地铁列车提供安全可靠供 电,减少甚至消除不必要的停电,提高经济效益,另一方面可以在直流牵引供电系统发 生故障时,需要保护装置有选择性及时切除故障,保护供电设备及人员安全。 1.2国内外研究现状 国外城市轨道交通由于发展历程较长,各方面的研究相对比较成熟,直流牵引供电 的研究主要在两方面:整流机组的数学模型研究和牵引网电气 参数计算研究。文献 1 中将整流机组的交直流变化过程用整流器的外特性方程描
18、述,并应用于地铁牵引供电系 统的短路计算分析,文献中将牵引直流供电系统等效为直流电压源、等值电源电阻与电 抗、接触网线路电阻与电抗的串联回路。文献 2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短路电流进行仿真分析。文献 3给出了 12脉波整流机组的外特性 模型。在牵引网参数计算方面,文献 4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态过程中回路阻抗参数的方法,建议用直流电阻加上工频 50HZ下 的电感作为回路参数。 牵引列车在线路取流来自由接触网连成一体的全线所有牵引变电所,所以必须在线 网直流牵引供电系统的短路模型下进行短路稳态分析,目前国内对于供电系统继
19、保定值 的设置都是通过仿真系统来验证保护的准确性,很多设计院所都开发了自己研发的仿真 软件,比如广州地铁设计院与西南交大联合开发的 Simsystem轨道供电仿真软件(文献 5)等等。但是对于短路保护的计算目前基本都是基于仿真软件,较少通过现场短路 测试来验证保护准确性。 在直流牵引供电初期,技术人员对于牵引供电保护系统的研究还不是很深入,一般 只是利用电磁式继电器设置电流速断保护和过流保护切除短路故障,效果很不理想。随 着研究的深入,电子技术的飞速发展及 PLC等微处理器的应用,电流上升率保护及电流 增量保护成为直流牵引供电的主要保护,极大的提高了直流牵引供电保护装置的的可靠 性和准确性。目
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