城市軌道交通牽引供電整流機(jī)組的技術(shù)探討

1、城市軌道交通牽引供電整流機(jī)組的技術(shù)探討趙俊茗 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 遼寧省大連市摘要：本文通過對(duì)城市軌道交通牽引供電整流機(jī)組的技術(shù)方面的問題進(jìn)行分析，并提出一些方法，期望能更好的促進(jìn)城市軌道交通的順利進(jìn)行。關(guān)鍵詞：城市軌道交通；供電系統(tǒng)；牽引變電所引言隨著我國城市建設(shè)的發(fā)展，城市軌道交通建設(shè)也在蓬勃開展。城市軌道交通供電電源一般取自城市電網(wǎng)，對(duì)于電力系統(tǒng)，城市軌道交通供電系統(tǒng)是一個(gè)重要用電負(fù)荷。城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)由牽引變電所和牽引網(wǎng)兩部分組成，牽引網(wǎng)由接觸網(wǎng)（或接觸軌）和回流網(wǎng)組成。電能從牽引變電所經(jīng)饋電線、接觸網(wǎng)輸送給電動(dòng)列車，再由電動(dòng)列車經(jīng)鋼軌、回流線流回牽引變電所。一、某

2、城市軌道交通線的列車運(yùn)行圖為了研究不同城市軌道交通線運(yùn)行規(guī)律對(duì)城市軌道交通供配電系統(tǒng)諧波潮流的影響，就必須結(jié)合其列車的運(yùn)行圖進(jìn)行分析。根據(jù)圖1a)中給出的某城市軌道交通1號(hào)線運(yùn)行交路及對(duì)數(shù)，結(jié)合城市軌道交通列車運(yùn)行圖的編制規(guī)則，對(duì)該城市軌道交通1號(hào)線的運(yùn)行圖進(jìn)行了簡化，如圖1b)所示。該城市軌道交通1號(hào)線列車運(yùn)行圖是建立在同一方向列車的運(yùn)行速度相同、列車在區(qū)間兩端站的到發(fā)或通過的運(yùn)行方式相同等理想條件下，未考慮客流量、線路土建結(jié)構(gòu)、成本、效率等因素。圖1某城市軌道交通1號(hào)線的列車運(yùn)行交路及運(yùn)行圖假設(shè)每個(gè)牽引變電所主要為本車站和左右相鄰兩車站的列車供電，選取某一固定時(shí)間間隔，對(duì)某一主變電所所轄的

3、各個(gè)牽引變電所承擔(dān)的列車數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出各個(gè)牽引變電所所帶負(fù)荷大小，最后根據(jù)牽引變電所諧波電流的仿真結(jié)果或既有的諧波電流發(fā)生量數(shù)據(jù)庫，來確定各牽引變電所在該運(yùn)行方式下的諧波電流發(fā)生情況，并以此為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合供配電系統(tǒng)線路參數(shù)對(duì)城市軌道交通供配電系統(tǒng)的諧波潮流進(jìn)行仿真，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)城市軌道交通供電系統(tǒng)進(jìn)行諧波預(yù)評(píng)估的目的。二、直流牽引供電系統(tǒng)保護(hù)仿真軟件的需求軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)主要特征如下:一條運(yùn)行線路上分布著若干個(gè)牽引變電站，牽引變電站中的整流機(jī)組將交流電流整流后提供給直流牽引網(wǎng)，為列車供電。直流牽引網(wǎng)由直流母線、饋線、回流線、接觸網(wǎng)、鋼軌和架空地線構(gòu)成，運(yùn)行中的列車通過受電弓從接觸網(wǎng)上

4、獲得電能，再由鋼軌回流;為了方便故障的切除，接觸網(wǎng)是分段的，每段接觸網(wǎng)由兩側(cè)的牽引變電站共同供電，保護(hù)裝置安裝在站內(nèi)的饋線開關(guān)上，當(dāng)某段線路發(fā)生短路時(shí)，兩側(cè)的饋線開關(guān)都要跳開，以實(shí)現(xiàn)故障切除;電動(dòng)機(jī)車是系統(tǒng)的唯一負(fù)荷，由于列車啟停和位置變動(dòng)等原因，負(fù)荷電流的波動(dòng)范圍較大。典型的雙邊供電直流牽引系統(tǒng)如圖1所示。圖1雙邊供電直流牽引系統(tǒng)示意圖供電系統(tǒng)保護(hù)仿真軟件需要具備如下功能:(1)圖形界面。要實(shí)現(xiàn)的功能包括:對(duì)一些需要由用戶給定的數(shù)據(jù)，軟件為其提供錄入界面;提供圖形建模區(qū)域以及與軌道交通實(shí)際設(shè)備相對(duì)應(yīng)的圖元工具箱;提供軟件功能觸發(fā)按鈕，用戶可以通過該接口觸發(fā)短路電流計(jì)算功能和保護(hù)定值校驗(yàn)功能;

5、能夠輸出軟件的運(yùn)行結(jié)果，用戶可以查詢各個(gè)開關(guān)處的短路電流及保護(hù)定值校驗(yàn)單。(2)短路電流計(jì)算功能。由于系統(tǒng)負(fù)荷的波動(dòng)性較大，僅進(jìn)行穩(wěn)態(tài)短路電流計(jì)算不足以區(qū)分正常的負(fù)荷波動(dòng)和較小的短路電流，因此，軟件需要同時(shí)采用穩(wěn)態(tài)短路計(jì)算模型和暫態(tài)短路計(jì)算模型，通過對(duì)短路后饋線開關(guān)處暫態(tài)電流波形的分析，實(shí)現(xiàn)故障和負(fù)荷波動(dòng)的區(qū)分。(3)保護(hù)定值校驗(yàn)功能。在滿足選擇性、靈敏性和速動(dòng)性3個(gè)基本要求的前提下，軟件在校驗(yàn)過程中，既要能夠?qū)蝹€(gè)保護(hù)進(jìn)行校驗(yàn)(其他保護(hù)閉鎖)，也要能夠?qū)ΡＷo(hù)之間的配合進(jìn)行校驗(yàn):區(qū)內(nèi)故障時(shí)兩端的饋線開關(guān)能夠快速跳開;區(qū)外故障時(shí)饋線開關(guān)不能跳開;列車啟停電流的波動(dòng)不能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。制定校驗(yàn)規(guī)程時(shí)

6、必須要遵循這3條原則。三、脈波整流機(jī)組的結(jié)構(gòu)和整流原理牽引變電所的主要功能是將其交流進(jìn)線電壓通過牽引變壓器降壓，然后經(jīng)整流器將交流電變成直流電供電動(dòng)列車使用。其主要設(shè)備是整流機(jī)組。整流機(jī)組由牽引變壓器與整流器組成。圖1所示為北京地鐵牽引供電系統(tǒng)原理圖。牽引變壓器采用2臺(tái)軸向雙繞組雙分裂式變壓器。每臺(tái)變壓器結(jié)構(gòu)如下：1臺(tái)雙繞組雙分裂變壓器由鐵心、2個(gè)獨(dú)立的高壓網(wǎng)側(cè)繞組和2個(gè)獨(dú)立的低壓閥側(cè)繞組組成。高壓2組網(wǎng)側(cè)繞組用樹脂澆注在一起，在圖1北京地鐵牽引供電系統(tǒng)原理圖圖224脈波牽引整流機(jī)組原理圖外部并聯(lián)。高壓網(wǎng)側(cè)繞組采用延邊三角形聯(lián)結(jié)，由主繞組和移相繞組組成。低壓2組閥側(cè)繞組沿軸向布置于同一鐵心柱上

7、，將其頭尾各自采用y聯(lián)結(jié)和d聯(lián)結(jié)分別引出，分裂成2個(gè)支路。這種閥側(cè)繞組分裂為2個(gè)支路布置在同一個(gè)鐵心柱上的軸向雙分裂變壓器可以使閥側(cè)2個(gè)支路并列運(yùn)行，同時(shí)向負(fù)載供電，即同時(shí)各供1個(gè)三相橋式整流器3，即整流機(jī)組主要由2臺(tái)軸向雙分裂式牽引變壓器1T、2T和4組全波整流橋B1B4組成。2臺(tái)牽引變壓器的網(wǎng)側(cè)繞組采用沿邊三角形接線分別移相±7.5°相位角，閥側(cè)繞組采用d、y接法，2臺(tái)變壓器的閥側(cè)繞組的線電壓相位互差15°，分別經(jīng)全波整流后，在直流側(cè)并列運(yùn)行，形成24脈波的整流變電系統(tǒng)4。圖2所示為24脈波牽引整流機(jī)組原理圖。四、短路電流計(jì)算直流牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)短路的仿真過

8、程中，該軟件同時(shí)采用了穩(wěn)態(tài)短路計(jì)算模型和暫態(tài)短路計(jì)算模型，前者可以得到故障后各個(gè)饋線開關(guān)處的穩(wěn)態(tài)電流值，后者可以得到短路發(fā)生瞬時(shí)各個(gè)饋線開關(guān)處的電流變化情況。穩(wěn)態(tài)短路計(jì)算模型。直流牽引供電系統(tǒng)由整流機(jī)組和牽引網(wǎng)兩部分組成，牽引網(wǎng)中的各類電氣元件(如鋼軌、直流饋線等)在穩(wěn)態(tài)仿真時(shí)都可用阻抗參數(shù)來等效，關(guān)鍵在于如何確定整流機(jī)組的電壓電流外特性。文獻(xiàn)6從經(jīng)典的6脈波整流機(jī)組3折線模型出發(fā)，推導(dǎo)得出了12脈波整流機(jī)組的5折線模型，而現(xiàn)今上海、南京等大多數(shù)城市地鐵所普遍采用的等效24脈波整流機(jī)組是由兩個(gè)12脈波整流機(jī)組并聯(lián)而成，這種條件下，5折線模型同樣適用。針對(duì)主流的等效24脈波整流機(jī)組，該軟件采用上

9、述的5折線外特性模型，每段折線分別對(duì)應(yīng)一個(gè)工作區(qū)間。計(jì)算開始時(shí)，假定所有機(jī)組都工作于第一區(qū)間，如果有任意一臺(tái)機(jī)組的輸出負(fù)荷不在其工作區(qū)間內(nèi)，則對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的流程如圖3所示。實(shí)際上，當(dāng)某段線路發(fā)生短路時(shí)，只需對(duì)短路點(diǎn)兩側(cè)各兩個(gè)站(共4站)進(jìn)行機(jī)組工作區(qū)間的調(diào)整，其他整流機(jī)組距離遠(yuǎn)，提供的短路電流小，可以忽略不計(jì)。因此，即使線路復(fù)雜，軟件也能有較快的運(yùn)行速度。計(jì)算結(jié)束后，穩(wěn)態(tài)短路電流計(jì)算的結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫中。暫態(tài)短路計(jì)算模型。暫態(tài)電流計(jì)算涉及的因素較為復(fù)雜。一方面，隨著負(fù)載電流的變化，整流機(jī)組的工作區(qū)間會(huì)發(fā)生改變，等效內(nèi)阻也必然隨之改變;另一方面，短路位置的不同，外部等效阻抗也會(huì)發(fā)生變化。暫

10、態(tài)短路電流很難用一種模型準(zhǔn)確計(jì)算。在計(jì)算接觸網(wǎng)短路暫態(tài)電流的研究中，國內(nèi)外普遍將其分為近端短路和遠(yuǎn)端短路。通過分析整流橋臂的導(dǎo)通情況，最終得到出口短路的暫態(tài)電流公式;中給出了接觸網(wǎng)遠(yuǎn)端短路的計(jì)算模型，因?yàn)檎髌鲀?nèi)阻可以忽略，而短路位置及短路類型確定后，在不考慮集膚效應(yīng)的前提下，外電路的阻抗也能夠確定，所以，理想條件下短路電流呈簡單的指數(shù)曲線上升。實(shí)際條件下，必然存在“兩個(gè)阻抗數(shù)量級(jí)相當(dāng)，互相都不能忽略”的情況，因此，僅僅依靠這兩種模型是不足以準(zhǔn)確得到接觸網(wǎng)任意位置短路的暫態(tài)電流波形的。針對(duì)這種情況，本研究進(jìn)行了深入的研究，得到了一種折中的模型，該模型的核心思想是，將兩種經(jīng)典模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行加權(quán)處理，再相加作為最終的計(jì)算結(jié)果，權(quán)重系數(shù)與短路位置。在公式中體現(xiàn)為外阻抗的電阻值和電抗值，存在著一定的函數(shù)關(guān)系，距離出口越近近端短路模型越占主導(dǎo)作用，距離出口越遠(yuǎn)遠(yuǎn)端短路模型越占主導(dǎo)作用。仿真實(shí)驗(yàn)證明，在短路之后的幾個(gè)周波內(nèi)，該模型的計(jì)算值是準(zhǔn)確的，可以滿足后續(xù)的校驗(yàn)需求。結(jié)束語本研究介紹了軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)仿真校驗(yàn)軟件的功能需求和實(shí)現(xiàn)方法，并用算例形式呈現(xiàn)了實(shí)際應(yīng)用效果。軟件使用結(jié)果表明，開發(fā)仿真軟件對(duì)保護(hù)定值進(jìn)行校驗(yàn)，既能夠考慮到所有可能發(fā)生的情況，又能夠指導(dǎo)工作人員對(duì)整定值進(jìn)行調(diào)整，有利于城軌交通安全、高效運(yùn)行。參考文獻(xiàn)：