轨道交流供电系统.doc

兰州交通大学毕业设计（论文）   - I -  摘    要  随着我国经济的发展，城市轨道交通,尤其是地铁，作为一种交通工具也迅速发展，并被越来越广泛的应用。我国直流牵引供电系统的研制与开发起步较晚，目前还没有厂家进行完善的开发和生产，所以直流牵引供电系统的保护将成为一个研究的热点问题。  本文首先在了解城市轨道交通系统组成和直流牵引供电系统组成的基础上，研究地铁的供电方式、保护原理及实现方式。再通过参数的计算及牵引负荷和牵引网短路电流特性的分析，用MATLABA/SIMULINK中电力系统仿真模块12脉波整流机组和牵引网稳态电流模型，对接触网上不同点的短路电流进行了仿真分析。本文研究了常见的几种馈线保护方法，对这几种保护进行了配置，并研究了故障保护流程。最后，对地铁馈线保护系统系统进行了简单的模块化设计，并简要分析了各模块，使结构更完整。  本文计算了钢轨直流电阻、电感和供电回路外电感等参数，研究了单边供电和双边供电时短路电流的计算。通过对接触网上不同点的短路电流的仿真，更精准的反应了短路后电流暂态过程。    关键词：地铁；直流牵引供电；馈线保护； 整流；短路电流

1 绪论  1.1 课题背景与意义  (1) 轨道交通及其背景  随着社会的进步和经济的发展，城市交通日趋紧张，这时地铁、轻轨等方式成为解决我国大中城市交通拥挤问题的最佳方案，由于城市轨道交通具有运载能力大、噪音废气污染小、运行快速准时、占用土地少等特点，使之对于缓解城市交通拥挤、改善城市大气环境以及推动城市经济和社会发展具有十分重要的意义。因而大力发展地铁等城市轨道交通，己成为各国的共识。  第一条地铁于1863年在伦敦修建以后，世界上许多大城市纷纷建立快速轨道交通系统。现在世界上有地铁的城市己达100多座，线路长达5200km。我国城市轨道交通系统起步晚，近10年来，进行不同程度的轨道交通项目建设前期工作和可行性研究的城市有20座，还有很多大城市都在策划修建大、中运量的地铁或轻轨交通项目，全国已建成的以地铁为主的轨道交通线路有145km。同时，许多城市正在筹建轨道交通系统。仅从中国15座大城市的轨道交通规划统计，线网总里程就己有2280km左右。而现在至少已有360km长度的轨道交通投入运行，而这些数量仅占已知规划总里程2280km的16%左右。另外，还有一些大、中城市，虽然尚未公布其轨道交通的建设规划，但大量的前期工作都已在开展，这说明我国城市轨道交通的建设总规模和建设进度都会超过现在的市场与社会需求，城市交通正面临一场大变革。  由此可见，中国的轨道交通发展前景是宏大的，有着广阔的市场，该行业的发展壮大，将推动轨道交通的各种配套技术尤其是高新技术产业的跟踪发展，进而形成城市轨道交通行业的产业化生产体系。 
(2) 轨道直流牵引供电保护研究的目的及意义  采用直流供电的城市轨道交通，其核心的技术是直流供电系统化的控制和保护装置，为地铁直流牵引供电系统的安全可靠运行提供保障的。所以在保证直流牵引供电系统安全可靠地向列车供电方面，其保护发挥了极其重要的作用。直流供电系统包了括直流开关柜、控制和保护系统、直流电缆、接触网等。其中控制和保护系统对确保轨道交通的安全、可靠的运行具有举足轻重的作用。它一方面确保向地铁列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，应有选择性地迅速切除故障，以保证列车、设备和旅客的人身安全。除了可靠性的要求之外，直流牵引供电保护系统必须在系统发生故障时快速、准确地切除故障，同时还要避免列车正常运行时一些电气参数的变化引起保护装置误跳闸。此外，在有效切除远端短路故障以及区分机车启动电流和远端短路等问题上，依然值得深入研究。  国内在地铁直流牵引供电系统保护方面的研究还处于起步阶段，再加上建设轻轨与地铁等需要巨大的资金，投资大，几乎占到总投资1/3的轨道交通设备造价，以及占到总投资10%~15%的拆迁安装费用，建设周期长，特别是资金到位不及时，会造成利息超支等等，这所有的原因致使我国今天还没有样机和产品出现，在该领域的市场需求都来自于进口。国外进口设备与国内设备的差价为3~10倍，价格高且改动困难，而且每个工程的安装调试都受制于外商，每年为维持正常运行需从有关国家进口设备零部件要多花数亿元，使运营费用大大增加。鉴于以上原因，最近国家要求有关主管部门尽快制定量力而行、经济实用地使地铁直流牵引供电系统保护技术装备尽快国产化的要求，国产化率要确保不低于70%。其根本目的是降低造价，加快城市地铁交通的发展。因此，及早研制出具有自主知识产权的直流供电系统保护装置，具有重要的经济与战略意义。 
1.2 课题研究现状  地铁交通发展初期，在直流牵引供电系统保护方面还没有性能好、可靠性高的保护装置，一般仅靠电流速断和过电流保护来切断短路故障，效果往往很不理想。传统的直流牵引系统二次保护系统，都是由电磁式继电器所构成。到90年代末，北京地铁建成通车的“复一八线”，它的直流牵引系统的二次保护，也只是在电量保护中引进了国外的微机综合保护装置，而非电量保护仍然沿用电磁式继电保护方式。在这种保护系统中，使用了大量的中间继电器、时间继电器、重合闸继电器等分立元器件。由于使用的元器件数量和品种多，使得系统接线复杂，给系统调试以及修改接线带来困难。因其潜在故障点多，故降低了整个系统的安全可靠性。同时，还由于对各种继电器每年必须进行动作值、返回值、动作时间等项校验，维护时还要打磨继电器接点、检测接点的开闭特性、检查和清扫二次线等，因而维护、计表工作十分繁重。  从以上我们可以发现一个关键的问题：大量电磁式继电器的使用。如果能用先进而成熟的技术产品，并结合工程技术人员的经验，在其基础上进行二次开发，从而替代目前使用的各种传统的电磁式继电器，并结合己有的电量保护装置组成具有地铁特色的、全新的直流保护系统，就能顺利地解决这些问题，进而加快地铁保护系统的设备改造和技术进步，提高整个保护系统的安全可靠性[1]。  随着电子技术、计算机技术的发展，人们采用微处理器实现了电流上升率和电流增量保护，极大地提高了直流牵引供电系统保护装置的可靠性和准确率。目前，最先进的保护方法是，采用基于单片机或PLC（可编程逻辑控制器）的数字式保护装置取代传统的继电器保护装置，从而大大提高了可靠性、保护性能以及直流牵引供配电的自动化程度。  在轨道交通直流供电保护领域内，国产保护设备还处于起步阶段。目前，国内的地铁直流保护设备主要引进国外保护单元，在国内各地的工程建设中，因各地的实际情况不同，所采用的保护装置也不相同，如南京地铁采用了Secheron公司的SEPCOS保护单元，广州地铁采用了Siemens公司的DPU96保护单元，上海地铁采用了Adtrans的DCP106保护单元等[2]。  我国在这方面也做过一些工作：基本搞清了保护的配置，也开发了一些样机；有些厂家正在启动仿制。但是目前存在的主要困难是：一般直流保护与直流快速开关作成整体，而直流快速开关尚未国产化，难于找到很好的配套厂家；另外，缺乏大量的现场实测数据来检验所提原理和研制的保护的可行性。  在国外，主要有两家公司制造此类产品：瑞士Secheron公司的SEPCOS保护系统；Siemens公司的DPU96保护系统。  SEPCOS是瑞士Sechron公司研制的远方控制和保护系统，用于城市轨道交通系统、铁路系统等。它的控制和保护系统是基于几个微处理器的多功能的系统。可用于保护和控制直流牵引变电所中的馈线柜、正、负极柜和整流器。SEPCOS控制和保护系统是一个独立的、模块化的、可扩展的、可编程的系统。SEPCOS控制和保护系统具有多种控制和保护功能，满足电力牵引网络需要的4组功能：提高保护性的模拟输入量测量和保护功能、控制功能、记录功能和通讯功能。  中央处理仪（DPU96）是Siemens开发的，可以由DC110V电源供电，同时又可以输出DC24V电源给隔离放大器供电，用于直流牵引供电系统综合保护和控制领域的系列产品。该系列产品包括下列单元：DPU96-PU中央处理仪、DPU96-BA直流隔离放大器、DPU96-VD分压器和DPU96-SW-PC应用软件。直流隔离放大器和分压器配合使用，用于电流和电压值的测量，同时又能起到电气隔离的作用。电流值测量的采样间隔为100μs。电压值测量的采样间隔为200μs。在信号处理中，采用8个连续测得的电流值和电压值获得平均值，以光纤信号的形式传送给中央处理仪，同时又以±10V模拟信号传进给指示仪表（电流表或电压表）。采用平均值作为测量值屏蔽了瞬时电流脉冲的干扰，分压器的测量范围为DC0V-3000V。直流隔离放大器与分压器配合可测量下列数据：馈线电流、馈线电压、线路测试电压和线路测试电流。直流隔离放大器和分压器均为绝缘封装，固定安装于直流开关柜高压室的标准安装轨上[3]。
1.3 本课题的研究内容与目标  由于目前国内地铁直流牵引供电系统馈线保护还不是很成熟，理论和现场资料数据较少，而且本人水平有限，论文预期达到以下目标：  (1) 简单介绍供电系统的组成及地铁不同的供电方式，熟悉直流牵引供电系统保护的原理和实现方式；  (2) 地铁直流牵引网的短路计算，这是变电所设备选择、保护设计和运行分析的重要依据。在所查资料基础上，从基本的参数计算开始，简单介绍了整流机组的概念和外特性及12脉波整流机组和电路。最后给出地铁直流牵引网短路电流的计算方法；  (3) 对地铁直流牵引供电系统馈线保护进行配置，给出相应的整定原则或保护特性、原理。本文地铁直流牵引供电系统馈线保护配置如下：大电流脱扣保护、电流上升率及电流增量保护（DDL保护）、框架泄漏保护、热力过负荷保护、双边跳联保护、定时限过流保护、低电压保护，并做了简单的故障处理流程；  (4) 建立简单的仿真模型，对12脉波和短路点不同位置是牵引网短路电流进行了仿真；  (5) 完成一个简单的地铁馈线保护系统。

2 直流牵引供电系统

要完成一个简单地铁馈线保护系统，首先要做的就是了解地铁供电系统的组成和供电方式，熟悉地铁直流牵引供电系统保护的原理和实现方式。这是后面内容的前提和基础。  2.1 城市轨道交通供电系统的组成  地铁作为城市轨道交通系统的一部分，在经济日益发展的今天，成为解决交通拥挤的重要方案。城市轨道交通采用直流供电，其供电系统一般为列车及辅助设施如照明、通风、空调、排水、通信、信号、防灾报警、自动扶梯等提供电能。城市轨道交通供电系统包括高压电源系统（即城市电网，主要给城市轨道交通提供外部电源）、牵引供电系统（为列车提供电力，由牵引变电所和接触网组成）和动力照明系统（由降压变电所和动力照明配电线路组成）。  给地铁、轻轨电动列车提供电能的变电所是牵引变电所，此外，城市轨道交通供电系统的变电所还有电源变电所（或称高压变电所）、降压变电所和牵引降压（混合）变电所。外部电源系统或一次系统是从发电厂经升压、高压输电、区域变电所到主降压变电所的部分，而牵引供电系统是从主降压变电所及其以后的部分。城市轨道交通供电系统如图2.1所示。  2.2 直流牵引供电系统  电气化铁道的牵引供电系统是完成对电力机车供电的属于铁路部门管辖的装置。直流牵引供电系统包括牵引整流机组、直流牵引变电所、牵引网和电力客车组成，每一个部分可以构成一个保护单元，形成一个包含主保护、后备保护、辅助保护的体系，其中，直流牵引变电所是直流牵引供电系统的核心。牵引供电系统的构成如图2.2所示。  (1) 牵引变电所  直流牵引变电所从双电源受电，整流机组变压器降压、分相，然后按一定的整流接线方式由大功率硅整流器把三相交流电变为直流电向电力列车供电。  (2) 牵引网  牵引网是沿线路铺设的为电力机车提供电能的装置，简单的牵引网包含了轨道和大地、馈电线、接触网、回流线。牵引电流从牵引变电所主变压器流出，经由馈电线、接触网供给电力机车，然后沿轨道和大地、回流线流回牵引变电所主变压器。  轨道——非电力牵引情况下只作为列车导轨；电力牵引时还需完成导通回流任务，是电路的一部分。

图2.1城市轨道交通供电系统图

图 2.2 直流牵引供电系统图
馈电线—连接牵引变电所和接触网的导线，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。 
接触网——一种悬挂在轨道上方但与之保持一定距离的链形或单导线的输电网。电力机车的受电弓和接触网滑动接触取得电能。工作特点是：没有备用，无法应用备用措施，一旦接触网故障，整个供电区间全部停电；由于经常处于动态运行状态与受电器的机械作用，使接触网在这些震动、摩擦、电弧、污染等状态中发生故障的可能性较一般电力线路的故障率高很多；结构复杂，技术要求高，对接触导线的高度和拉力、定位器的坡度、接触网的弹性与均匀度都有定量要求。接触网有如下要求：气候条件良好；接触网强度高、安全可靠；结构轻巧、零部件互换性强；要采取耐腐蚀和防污秽技术；接触网有较好的弹性，接触线等部位有较好的耐磨性。从结构形式可以分为接触轨式（沿走形地铁一侧平行铺设的附加第三轨）和架空式（架设在走行地铁上部的接触网，又分为地面架空式和隧道架空式）。  回流线——连接导轨和牵引变电所主变压器接地相之间的导线，是将轨道、地中的回路电流导入牵引变电所。  除了以上部分外，还有分区所、开闭所。在电气化铁道上，为了提高运行的可靠性，增加供电供电工作的灵活性，在相邻两变电所供电的相邻两供电分区的分界处常用分相绝缘器断开。在单线单边供电区段，相邻两供电臂之间仅设分相绝缘器和旁路隔离开关以实现临时的越区供电。开闭所即单相开关站，其中只有配电设备而无牵引变压器，仅用于接受和分配电能。有时，地铁直流牵引变电所与向车站、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不同，直流牵引变电所间距仅为几千米，所以一般不设分区所和开闭所。  2.3 供电方式  2.3.1 地铁供电制式  根据IEC标准和我国相关规定，近年来各个国家和地区修建的地铁均采用两种供电制式[4,5]：  (1) DC750V第三轨受电制式  标称额定电压为直流750V，允许电压波动范围为500V~900V。地铁的传统供电方式是三轨方式，第三轨由高导电率的特殊软钢制成，沿线路平行架设于轨道的外侧，地铁车辆的受流靴与其接触受电。这种制式的历史悠久，在国内外应用较广泛，如前苏联、一些东欧国家、法国、新加坡等以及我国的北京和天津地铁就采用的这种方式。  (2) DC1500V架空接触网受电制式  标称额定电压为直流1500V，允许电压波动范围为1000V~1800V。由于采用了较高的供电电压，使接触网的馈电电流降低，从而便于采用架空接触网的型式来输送电流，也相应地改善了受流环境，提高了受流质量。DC1500V架空接触有柔性接触和刚性接触两种。刚性接触的主要优点是：刚性汇流排和接触线轴向无张力，不存在断排或断线的可能，安全可靠，对土建承力要求低。其汇流排铜当量截面约为1400mm2，载流截面大，因此无需架设辅助馈线。由于结构紧凑，可以减少隧道净空尺寸。刚性悬挂由于无张力，锚段关节处无需传统重力式的下锚装置。在接触网分段处、道岔处安装结构简单，隧道无需局部开挖，尤其是复式交分道岔处安装装配要简单得多。刚性悬挂基本无维护或者少维护，方便运营，降低运营维护费用。  架空接触网广泛应用于国铁、城市有轨及无轨电车、工矿企业的电气化有轨运输以及进入七十年代以后修建的城市地铁中，如日本、韩国、香港及我国上海和广州地铁就采用该种供电方式。  由于电气特性方面DC1500V系统有较明显的优势，并且安全性较好，近年DC1500V架空接触网制式在一些国家的地铁建设中应用较多，可以说这种制式近来发展较快，代表了地铁供电系统的发展趋势。 2.3.2 牵引变电所牵引网的供电方式  (1) 单线区段单边供电——两相邻牵引变电所间毗连的供电分区的接触网互相绝缘，每个牵引变电所仅向自身管辖的接触网供电。优点是：任一供电分区的故障只影响本供电分区，不会影响其它非故障供电分区，因而事故影响范围小。  (2) 单线区段双边供电——两相邻变电所的接触网互相连通，两变电所同时向他们之间的接触网供电。优点：减小牵引网中的电压损失和电能损失，改善供电臂的电压水平，降低运营成本；减轻对邻近通信线的电磁干扰；设备负载较均匀。缺点：断路器等设备、继电保护和倒闸操作比较复杂；牵引网中可能出现穿越电流或平衡电流，从而产生附加的电能损失。  (3) 复线区段单边分开供电——复线区段同一供电区间的上、下行接触网由牵引变电所实施单边供电。这种供电方式不设分区所，独立性强，开关设备、继电保护和倒闸操作比较简单。用于运量小、坡道平缓且供电臂较短的场合。  (4) 复线区段单边并联供电——复线区段同一供电区间的上、下行接触网由牵引变电所实施单边供电，同时在若干点或仅在供电分区末端将上、下行接触网并联起来。  (5) 复线区段双边纽结供电——分区所的主接线由4台工作断路器接成四边形结构，其中2台断路器分别将两相邻牵引变电所之间毗连的两个供电臂上下行接触网末端横向联通，负责实现上下行线路的并联供电；另外两台断路器分别将两相邻牵引变电所之间的上下行接触网纵向联通，负责实现两相邻牵引变电所之间的双边供电。
2.4 保护原理及实现方式  2.4.1 保护原理  牵引供电系统可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见的、同时也是最危险的故障就是发生各种形式的短路。当被保护线路上发生短路故障时，其主要特征就是电流增加和电压降低。利用这两个特征，可以构成电流电压保护。  直流牵引系统保护因地铁牵引供电系统的不同而不同，最初的地铁供电系统一般是第三接触轨供电方式，由于供电电压为直流750V，供电距离较短但回路电阻相对较大，短路电流较小，有时会存在很难区分短路电流与列车牵引负荷电流的情况。早期直流保护系统缺少性能优越的保护装置，多采用继电式保护装置，一般仅设电流速断和过电流保护装置来切除故障。当车辆密度大时，可能出现最大负荷电流大于末端短路电流或两者相接近，故这种保护装置的效果往往不理想，为了解决上述问题，一种方法是增加双边联跳保护。因为直流牵引系统正常情况下采用双边供电，当双边供电回路上出现故障时，往往相对于某一侧的牵引变电所为近端故障，短路电流较大，很容易使电流保护动作，而对于另一侧为远端故障，其短路电流往往不能引起直流断路器跳闸。若采用了双边联跳保护，则另一侧的直流断路器也会立即跳闸；另一种方法是采用双边联跳保护与低电压保护相配合。因为发生短路情况会引起直流电压下降，这样当电流较大而过电流又不能动作时，低电压保护可以做为上述保护的后备保护，我国北京、天津地铁采用上述保护配置。  由于现在多采用架空接触网牵引供电系统，其供电电压为1500V，短路情况与750V三轨供电系统不同。在牵引变电所近端发生故障时，短路电流很大，电流速断和过电流保护装置可以切断故障。但是，当故障发生在中远端时，由于线路阻抗变大，短路电流相对变小，电流速断和过电流保护可能不会动作，目前一般采用能反映故障电流上升率和电流增量的保护装置来使断路器跳闸[4]。 2.4.2 实现方式  过去的以继电式和晶体管式为主的保护的灵敏性和可靠性已经越来越不能满足地铁供电的安全可靠性，而现在的微机保护装置有许多优势：维护调试方便；可靠性高；易于获得附加功能；灵活性大；保护性功能得到很好改善。由于受到用户的青眯，而且计算机软件、硬件日新月异，是国内外地铁微机保护逐渐发展，采用的32位微机处理器，主频可达40MHz，功能逐渐完善，为小型、可靠性更高的微机直流保护的研究奠定了基础。目前的直流牵引系统保护多采用微机保护，如Siemens和Adtranz公司研制的保护。他们的主保护均为di/dt-∆I保护，有延时和瞬时跳闸两部分。
Siemens公司研制的直流馈线保护由跳闸单元、直流断路器、分流器、直流变换器和电容控制的脱扣器几部分组成。其中跳闸单元3UB61是保护的核心部分，包括4块电子电路板（电源模块、跳闸电压和跳闸模板、信号评价模板、显示存储报告模板），其保护配置如下： 
(1) 电流上升率保护； (2) 大电流脱扣保护； (3) 热力过负荷保护； (4) 双边跳联保护； (5) 框架泄漏保护。 
Adtranz公司研制的直流牵引网保护（DCP）是集保护、控制与一体的保护，包括3个模块：相关馈线区段的保护、馈线控制、与操作和现场总线的通讯。其配置如下： 
(1) 电流速断保护； (2) 定时限过电流保护； (3) 热力反时限保护； (4) 电流上升率保护； (5) 框架泄漏保护； (6) 双边跳联保护。 
还有日本的微机保护，其主保护采用电流增量保护和双边跳联保护配合。 
2.5 小结 
本章主研究了以下三方面内容： 
(1) 介绍了城市轨道交通系统的组成，并对直流牵引供电系统各部分做了简单介绍； (2) 介绍了地铁的两种供电制式及牵引变电所向牵引网的供电方式； 
(3) 简单分析了地铁直流牵引供电系统馈线保护原理，并介绍了一些实现方式。 
3 地铁直流牵引网短路计算 
在地铁直流牵引供电系统中，短路电流计算和电力系统与交流供电网阻抗参数、整流机组参数及牵引网阻抗有关。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。本章在直流电阻、电感等参数计算的基础上，简单分析12脉波整流机组和24脉波整理机组，给出牵引网短路稳态电流的简单计算。
3.1 参数计算 
3.1.1 钢轨直流电阻、电感计算
(1) 直流电阻  为了计算钢轨直流电阻，先给出以下内容：钢轨除了主要成分铁外还含有锰、碳、硅、硫、磷等，密度为7.83g/cm3，电阻率ρ取2.1×10-7Ω.m。我国定型生产的标准钢轨有P60、P50、P43和P38，标准长度为12.5m和25m两种。北京地铁以前主要采用了P50和P43，P43主要用于车场线，新通车的复八线则采用了P60。为减少钢轨接头数目，地铁正线上采用了无缝线路。接触线采用导电性良好的铝平炉软钢制成，在15℃时，电阻率不超过1.25×10-7Ω.m，标准长度为12.5m，为减少接缝，在隧道内焊接成100m的长轨节，在车场线焊接成50m的长轨节。
各型钢轨和接触线的基本参数见表3.1[6]。

注：1）P75和P65为原苏联钢轨型号； 
2）走行轨的电阻率ρ=2.1×10-7Ω.m；接触线的电阻率ρ=1.25×10-7Ω.m；
3）r1为与钢轨横截面面积相同的圆半径，r2为与钢轨横截面周长相同的圆半径。
有了以上内容，以下的计算都以P50型钢轨为例。

2) 电感 ① 概念 
感电感等于回路总磁链除以产生磁场的电流。对长为L的导体通以电流I，则会在导体内外都产生磁场。因此，与导体交链的磁链包括内部磁链ψi和外部磁链ψe，相应的，导线电感也有内电感Li和外电感Le组成。
单位长度导体的内电感

② 相对磁导率 
由于钢轨的相对磁导率随μr随钢轨电流的变化而产生复杂变化，所以可以根据电流确定相对磁导率μr。首先确定钢轨表面的磁场强度H=I/P（A/cm），其中，I是钢轨电流，单位A；P是钢轨横截面周长，单位cm。再根据μr（H）函数数据表确定磁导率。