直流牵引供电系统仿真计算毕业设计论文(编辑修改稿)

直流牵引供电系统仿真计算毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

稳态运行中其戴维南等值电路的计算方法，进而简要讨论了等效 24 脉波整流电路的处理方法，最后给出了一个 12 脉波整流机组的计算实例。 直流保护是确保地铁安全、可靠运行的保障。 这也是我国城市轨道交通发展的软肋。 目前，地铁供电保护设备基本上都是引进国外技术，还需要需要自主研发，如直流开关柜内的直流快速断路器、微机保护监控单元等 [4]。 本文主要研究内容 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 及直流保护问题。 论文的主要内容包括以下几个方面： 第一章，介绍了直流牵引供电系统的研究背景及直流短路故障的国内外研究现状，并描述了直流短路故障分析和直流保护的意义，最后介绍了本文主要研究的内容。 第二章，介绍了地铁牵引供电的整体结构，对牵引所中的整流机组原理及发展概括做了分析介绍，分析了整流机组产生谐波原因及其对网侧的影响。 其次介绍了牵引网的组成、布局、压损以及供电方式等，最后对直流供电系统的保护做了阐述。 第三章，地铁直流牵引网的短路参数计算。 这是变电所设备选择、保护设计和运行分析的重要依据。 本文首先对直 流各种短路故障进行了介绍，在所查资料基础上，从基本的参数计算开始，举例计算了牵引变电所的基本参数，介绍了牵引网阻抗的几种计算方法，建模分析了单边供电、正常双边供电、考虑相邻变电站影响的正常双边供电等的短路故障稳态电流计算。 最后对考虑相邻变电站影响的正常双边供电进行了举例计算。 第四章，直流短路故障仿真。 通过对 12/24 脉波整流机组建模，仿真得出了 6/12/24 脉华东交通大学毕业设计 3 波整流机组空载、负载电压电流波形，并对其进行谐波含量分析。 文中建立 24 脉波整流机组牵引供电的双边供电模型，并在此基础上仿真了不同短路点发生短路故障时 的电流变化和变电所供流情况；为更精确的掌握短路电流情况，本章建立了多座变电站影响时接触线对钢轨、接触线对扁铜短路以及直流侧电阻与电感变化对短路故障电流影响的仿真模型。 最后建立了短路故障冲击电流仿真和机车启动仿真模型，在此模型基础上仿真了机车近端启动、中端启动各变电所供流情况。 第五章，地铁牵引供电保护。 本文阐述了地铁保护发展和现状，对现在地铁常用几种保护原理作了分析，介绍了几种保护的整定值计算方法，最后对地铁保护的互相配合使用作了分析。 陆学文：直流牵引供电系统计算仿真 4 第 2 章 直流牵引供电系统 城市轨道交通几乎都采用直流供电制式，这是 因为城市轨道交通运输的列车功率并不是很大，其供电半径也不大，因此供电电压不需要太高，还由于直流制比交流制的电压损失小，因为没有电抗压降。 另外由于城市内的轨道交通，供电线路都处在城市建筑群之间，供电电压不宜太高，以确保安全。 基于以上原因，世界各国城市轨道交通的供电电压都在 550 一 1500V 之间，但其档级很多，这是由各种不同交通形式，不同发展历史时期造成的。 现在国际电工委员会拟定的电压标准为 :600V、 750V 和 1500V 三种。 我国国标规定为 750V 和 1500V。 目前我国许多城市都在考虑建造快速轨道交通，选择 750V 或 1500V供电电压是一个重大问题，它涉及到供电系统的技术经济指标、供电质量、运输的客流密度、供电距离和车辆选型等，必须根据各城市的具体条件和要求，综合论证决定。 地铁牵引供电系统的外部电源为城市电网。 城市电网 110kV 的高压电源 (或 10kV 的中压电源 )经过主变电所 (或电源开闭所 )后，将 10kV(或 35kV、 20kV)的中压电源送给牵引供电系统。 牵引供电系统主要负责将交流中压电压降压并整流成 750V 或 1500V 的直流电压，并为电力机车供电见图 21。 牵引供电系统的主要组成部分有牵引变电所和牵引网 [4]。 Y H3 5 K V 电 源 进 线 1 3 5 K V 电 源 进 线 2整 流 变 压 器 机 组 1 整 流 变 压 器 机 组 21 5 0 0 V+_上 行 下 行走 行 轨机 车D LGG 1G 2 图 21 城市轨道交通牵引供电系统图 华东交通大学毕业设计 5 牵引变电所 世界各大城市的城市轨道交通早期建设的地铁线路运用的牵引变电所普遍采用了 6 脉波整流电路或 12 脉波整流电路。 近年来在城市轨道交通线路的建设中以及对原有牵引整流所的改造中，越来越多地采用将两个 12 脉波整流器并联运行以等效为一个 24 脉波整流器的整流电路。 因为 24 脉波牵引整流系统相比 12 脉波牵引整流系统具有更强的削弱网侧谐波电流的功能，因此可以减小谐波含量、降低轨道交通对公用电网的不良影响，同时在电压调节控制上 有更强的灵活性并且可以减少直流侧电压的波动，所以 24 脉波牵引整流系统将成为我国城市轨道交通中电网建设的主流。 本文将着重讨论 24 脉波整流系统的仿真模型。 6 脉波整流电路 原理如图 221 所示，变压器原边接三相交流电，副边与整流桥相连，三相交流电压各相差 0120。 6 脉波整流电路输出电压波形每个周期波动 6 次见图 222，输出电压空载幅值为： UUdo  ， 波形中主要包含 6n 1 次谐波。 A B C 图 221 6 脉波整流原理图 图 222 6 脉波整流电路空载输出电压 12 脉波整流电路 6 脉波整流是 12 脉波整流的基础。 选择两组三相变压器和整流器系统，使两组变压 器二次电压之间相位相差 030 ，其直流电压脉冲分量的相位角也相差 030 ，将两组桥式整流器输出并联运行，即可实现将三相交流电源整流输出 12 脉波直流的目的。 其电路原理图如图223。 陆学文：直流牵引供电系统计算仿真 6 D, 11y + 高 压 阀 dU 侧 _ Y, 0ny 图 223 12 脉波整流原理图 图中的两台变压器在工程上已广泛采用带双低压输出的轴向分裂四线圈整流变压器，即一台双输出变压器作两台变压器用，从而减少工程的占用地面积和费用。 12 脉波整流电路输出电压波形每个周期波动 12 次，输出电压空载幅值为： UUdo  ， 波形中主要包含 12n 1 次谐波。 24 脉波整流电路 T1 1D U1 1dU 高 压 网 T2 2D 侧 U2 2dU 图 226 24 脉波整流电 路原理图 24 脉波整流电路原理见图 226，图中 T1,T2 为两台十二脉波轴向双分裂式整流变压器，且 T1 和 T2 低压输出电压相差 015 相位角。 D1 和 D2 为两台十二相整流器。 T1 和 D1 单独工作时，输出 12 脉波的直流电源； T2 和 D2 单独工作时，也输出 12 脉波的直流电源。 如图 226 所示工作时，由于 T1 和 T2 具有 015 相角差，合成输出 24 脉波的直流电源。 当一台变压器需要检修时可以由另一台单独工作输出 12 脉波直流电流。 的整流变电系统。 值得注意的是，由于变压器采用了轴向双分裂式结构，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器 [9]。 24 脉波整流电路输出电压脉动 24 次，含24n 1 次谐波，空载输出电压幅值为： UUdo 。 直流牵引供电系统谐波分析 在理想的电 力系统中，电流和电压都是纯粹的正弦波。 由于电力系统中某些设备和负荷的非线性，即所加的电压与产生的电流不成线性关系而造成波形畸变。 当电力系统向非线性设备及负荷供电时，这些设备或负荷在传递、变换、吸收系统发电机的基波能量的同华东交通大学毕业设计 7 时，又把部分基波能量转换为谐波能量，向系统倒送大量的高次谐波，使电力系统的正弦波形畸变，电能质量降低。 牵引供电系统是城轨供电系统的主要谐波源。 其中采用的牵引整流机组，属于非线性受电设备，电压畸变的程度取决于整流装置容量和电网容量的相对比值及供电系统对谐波频率的阻抗。 当然，非正弦电 压施加在线性电路上，电流也是非正弦。 这种非正弦的参数、牵引整流机组的整流相数、接线方式的不同，波形畸变程度也不同。 整流机组产生的谐波次数与整流机组输出脉波数有关，理想情况下，反映到整流机组高压侧产生的谐波电流次数为 (nk 士 l)的整数倍，式中 n 为整流机组脉波数， k 为正整数，整流机组脉波数越高，整流越平稳，产生低次谐波越少。 6 脉波整流只产生 7 次以上谐波， 12 脉波整流只产生 11 2 25 次以上谐波， 24 脉波整流只产生 2 2 4 49 次以上谐波。 实际上，由于各种非理想因素的存在， 12 脉波整流也将产 生 7 次谐波。 24 脉整流电路的引入对网侧谐波影响的因数主要包含两点：首先是网侧绕组移向角 误差，其次是整流机组两台变压器的的负荷不平衡。 由上面 24 脉波整流电路原理可知道要形成 24 脉波，需使 015 ，然而要使 015 则要网侧绕组的外延匝数与原绕组的匝数比 00 in/ in/  NN ，该比值不为整数，而实际应用中匝数比为整数，这就不可避免的造成误差；另外，由于网侧绕组分别接成三角形和星形，实际应用中由于绕组匝数是整数，不可能使阀侧匝数比等于 3 ，只能接近。 由此引起的误差就会导致负荷的不平衡，从而引入谐波分量。 牵引网 牵引网由接触网、钢轨回路、馈电线和回流线等组成，它是轨道交通供电系统中向电动列车供电的直接环节。 接触网分为 架空式接触网和接触轨式接触网。 我国在地铁轨道系统中，架空式和接触轨式均有采用。 一般，牵引网电压等级较高时，为了安全和保证一定的绝缘距离，宜采用架空式接触网。 在净空受限的线路和电压等级较低时多采用接触轨式接触网。 牵引变电所是沿铁路线布置的，每一个牵引变电所有一定的供电范围。 供电距离过长，会使末端电压过低及电能损耗过大。 供电距离过短，又使变电所的数目过多而不经济。 牵引变电所的数量与直流牵引电压等级、牵引网最大电压损失允许值等多个因素有关。 牵引网最大电压损失允许值一般发生在双边供电分区中部或单边供电分 区末端，该值应能保证列车的正常启动。 牵引网电压损失包括牵引网平均电压损失、最大电压损失。 其中，牵引网最大电压损失值是影响牵引变电所数量的关键因素，平均电压损失值对牵引网能耗影响较大。 根据文献 [1]其波动范围应满足表 1 中的规定。 表 1 系统电压波动范围 系统标称电压（ V) 系统最低电压（ V) 系统最高电压（ V) 750 500 900 1500 1000 1800 牵引变电所向接触轨供电有两种大的分类 :单边供电和双边供电，如图 2— 31 所示。 接触网通常 在相邻两牵引变电所间的中央断开，将两牵引变电所之间两供电臂的接触网分为两个供电分区。 每一供电分区的接触网只从一端的牵引变电所获得电流，称为单边供电。 若在中央断开处设置开关设备时，可将两供电分区连通，此处称为分区亭。 将分区亭的断陆学文：直流牵引供电系统计算仿真 8 路器闭合，则相邻牵引变电所间的两个接触网供电分区均可同时从两个变电所获得电流，则称为双边供电。 接触轨系统是牵引供电系统的重要组成部分。 变电所 变电所 分区亭 图 2— 31 接触轨供电原理图 直流供电保护系统 地铁直流供电保护系统对确保地铁交通安全可靠运行具有举足轻重的作用。 它一方面确保向地铁机车提供安全可靠的供电，减少甚至消除不必要的停电时间，从而提高经济效益。 另一方面在直流牵引供电系统发生故障的情况下，有选择性地迅速切除故障，以保证机车、设备和乘客的人身安全，同时还要避免机车正常运行时一些电气参数的变化引起保护装置误跳闸 [2]。 在地铁交通发展的初期，直流供电保护系统在性能、可靠性方面还很不完善，一般仅依靠电流速断保护和过流保护切除短路故障，效果往往很不理想，保护装置都是由电磁式继电器构成。 这类保护装置中使用了大量的中间继电器、时间继电器、重合闸继电器等元器。