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1、直流牵引供电系统仿真计算摘要 在城市轨道交通蓬勃发展的今天，人们对城市轨道交通的安全与稳定提出了更高的要求。直流牵引供电系统是城市轨道交通的重要组成部分，供电的安全与可靠是城市轨道交通系统正常运行的保证。城市轨道交通短路故障的分析计算与仿真是提高牵引供电系统安全运行能力及相关保护与控制技术的基础。首先，本文对牵引变电所、牵引网、直流保护系统这三大部分的组成与结构进行了分析；根据城市轨道交通的特点对牵引变压器和牵引网的参数进行了分析计算，并建立了单边供电和双边供电方式下的等效电路模型，给出了不同供电方式下的稳态电流计算公式和计算实例。其次，本文对不同短路故障作了仿真分析。本文利用Matlab/S
2、imulink工具对当前城市轨道交通直流供电系统广泛采用的12脉波、24脉波直流供电系统进行建模与仿真，通过仿真分析比较了12/24脉整流机组在空载、负载时候的谐波含量，24脉波整流机组比12脉波整流机组呈现出更好抑制11、13次谐波的性能。在所建立模型的基础上，对采用DC1500V接触线供电的地铁线路进行了不同点发生短路故障的仿真与分析。由于当线路发生短路故障时不是一座变电所供给短电流，而是由全线相连的变电所供给短路电流。为更精确反应短路电流状况，本文建立了考虑四座变电所供电的双边供电模型，并对不同点短路故障进行仿真分析，得出了近端短路与远端短路时的短路电流变化规律。参数计算、建模等的精确程
3、度，都会对仿真得出的短路电流的上升率和幅值产生很大的影响。为更好的掌握短路电流的变化状况，文章仿真了直流侧参数对短路电流的影响，为直流保护整定值的调整提供理论依据。最后文章结合地铁的实际运行情况，对采用直线牵引电机的地铁机车启动的暂态电流和电机冲击电流加以仿真分析，结合给出的大电流脱扣保护与di/dt+I保护这两种主保护的整定原则，对大电流脱扣保护与di/dt+I保护参数予以整定计算，并对部分保护的配合使用作了分析。关键词：直流供电系统；地铁；24脉波整流；短路故障仿真；直流保护；电流上升率；电流增量DC traction power supply system simulationAbstr
4、act In the development of urban rail transit to flourish today, a higher demand for security and stability of the urban rail transport.The DC traction power supply system is an important part of the urban rail transport, the safety and reliability of supply to the normal operation of the guarantee o
5、f urban rail transit system.Analysis and Calculation of Shortcircuit fault for urban rail transit was used to improve the ability of safe peration of traction power supply system and was the basis for protection and control technology. First,In this paper, traction substations, Traction Network, DC
6、protection system, the three most composition and structure was analyzed; analyzed and calculated according to the characteristics of urban rail transit traction transformers and traction network parameters, and the establishment of a unilateral forequivalent circuit model in the electricity and bil
7、ateral power supply, given the formula and an example of the steady-state current in the power supply. Secondly, this article were made by the different short-circuit fault simulation.In this paper, the Matlab / Simulink tool widely used in urban rail transit DC power supply system 12 pulse, 24 puls
8、e DC power supply system modeling and simulation,Subway DC traction substation 12/24 pulse rectifier unit simulation model, and analysis the harmonic content of the 12/24 pulse rectifier unit load,and obtained 24 pulse rectifier unit 12 pulserectifier unit 11, 13 times harmonic suppression better.On
9、 the basis of the model, DC1500V contact wire-powered subway line under different fault short-circuit fault simulation was analyzed. As not a substation supply line short-circuit fault current, but across the board is connected to the substation supply short-circuit current. More accurately reflect
10、the short-circuit current conditions this paper consider four bilateral electricity substation supply model, and analysis the difference between short-circuit fault simulation variation proximal short circuit and remote short-circuit short-circuit current.degree of precision parameter calculation, m
11、odeling, will have a huge impact on rate of rise and amplitude short-circuit current drawn simulation. To better grasp the changes short-circuit current conditions, the article simulation parameters DC-side short-circuit current. Finally, this paper combined with the actual operation subway, the sub
12、way locomotive using straight-line traction motor start the fault reclesing transient current to simulation analysis, combined with given current trip protection and di/dt+I protect the two majorprotection setting principles for the current trip protection and di /dt + I protection parameters be set
13、ting calculation, with the use and protection were analyzed.Keywords: DC traction power supply system; subway; 24 Pulsereetifier; Short-circuit fault simulation; DC protection; Current rising rate protection; Current incremental protection目录第1章 绪 论61.1 课题研究的背景及意义61.2 课题研究现状61.3 本文主要研究内容7第2章 直流牵引供电系统
14、92.1牵引变电所102.1.1 6脉波整流电路102.1.2 12脉波整流电路102.1.3 24脉波整流电路112.1.4 直流牵引供电系统谐波分析112.2牵引网122.3直流供电保护系统132.4 本章小结13第3章 直流短路计算143.1直流短路介绍143.2参数计算143.2.1牵引变电所143.2.2牵引网阻抗153.3短路电流计算163.3.1短路稳态电流163.3.2短路暂态电流233.4 本章小结23第4章 直流短路故障仿真模型244.1 12脉波牵引整流供电电路仿真模型244.1.1 12脉波整流电路仿真模型244.1.2 6脉波整流电路空载分析244.1.3 12脉波整
15、流电路空载分析254.2 24脉波牵引整流供电电路仿真模型274.2.1 24脉波整流电路仿真模型274.2.2 24脉波整流电路空载分析284.3 12/24脉波整流供电电路带负载仿真比较294.4 24脉波牵引供电整流电路短路故障仿真314.4.1 不同点短路故障仿真324.4.2 多座变电站影响的短路故障仿真模型344.5 直流侧参数对短路电流的影响374.6 短路故障冲击电流仿真394.7 机车启动仿真414.7.1 机车启动电路模型414.7.2 机车启动仿真模型414.8 本章小结43第5章 直流牵引供电系统保护445.1 地铁牵引供电系统保护概述445.2 大电流脱扣保护445.
16、2.1 大电流脱扣保护原理445.2.2 大电流脱扣保护整定原则455.3 di/dt+I保护455.3.1 di/dt+I保护原理455.3.2 di/dt+I保护的整定计算475.4. 其他保护介绍485.4.1 低电压保护485.4.2 定时限过流保护。485.4.3 直流双边联跳保护。485.4.4 热力过负荷保护485.4.5 接地保护495.5 各保护的配合使用495.6 本章小结50结论与展望51谢辞53参考文献54附录A55第1章 绪 论1.1 课题研究的背景及意义 随着社会的发展，人口大量的涌入城市，导致我国的各大城市普遍存在着交通堵塞、交通秩序混乱、城市用地紧张、环境污染严
17、重等问题，这时地铁、轻轨等方式成为解决大中城市交通拥挤问题的最佳选择，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。当今是否拥有地铁、地铁线路总里程的长短都已经成为一个重要的参照物，来衡量一个城市的经济实力、一个国家的综合国力以及当地人民群众的生活水平质量。因而大力发展地铁等城市轨道交通己成为各国大城市的共识。由此可见，中国的轨道交通建设具有宏大的发展前景，广阔的市场价值，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
18、产业化生产体系。 城市轨道交通直流牵引供电系统是城市轨道交通的重要组成部分，其可靠、安全供电是城市轨道交通系统正常运行的保证。为保证地铁系统安全性及可靠性，地铁供电系统设备都己实现自动化和智能化，系统保护、监控、控制和自动化装置已由单独的元件发展成为综合自动化系统。目前地铁一般运用大电流脱扣保护、电流变化率及电流增量保护、过电流保护、欠电压保护、热力过负荷保护、双边联跳保护等等。上述各种保护的实现都必须先经过整定计算来进行参数设置，而整定计算是建立在直流系统短路计算的基础上，所以对直流供电系统进行计算分析具有重大意义。直流牵引供电系统的特殊性增加了故障计算与分析的复杂性，传统的供电计算方法，每
19、次计算仅仅涉及两个变电所，认为正常双边供电时，列车仅从相邻的左右两个牵引变电所取流。而实际上城市轨道交通列车在短路故障时由连成一体的所有牵引变电所供给短路电流。因此要精确计算短路电流。首先需要建立精确的直流牵引供电系统模型，模型计算的结果将影响保护装置的选择性、速动性、灵敏性、可靠性。所以建模计算分析对地铁安全、可靠的运行有着重大的意义。本文建立了考虑4座变电所影响的双边供电短路故障模型，并通过实例分析计算得出短路故障时的电流大小，为保护装置的设定提供理论依据，使得保护装置的动作值更加合理。最后把电路建模计算结果与仿真结果相互效验，确保模型的正确性与可行性。文章最后对现在地铁使用的保护原理和相
20、互配合方式进行了阐述。 随着计算机技术的发展，用计算机实时模拟城市轨道牵引列车的运行情况和电气参数的动态过程，对供电系统工程进行辅助设计，多方案比选、运营维护中的故障分析等，提高了设计效率、节省工程投资、减少运营成本，这无疑是供电系统的一种高效的模拟工具和手段，是供电系统理论和实践相结合的发展方向。本文通过对6脉波组、12脉波组、24脉波组整流电路的仿真比较， 24脉波整流电路呈现出更好的抑制谐波的性能。接着本文建立采用24脉波整流电路牵引供电的双边供电模型，希望通过仿真得出不同短路故障点时的暂态电流波形特征，直流侧电阻和电感变化对短路电流的影响，机车启动电流曲线。为地铁牵引供电设计、装置选择
21、、运营维护、保护装置整定提供数据参考。1.2 课题研究现状国外城市轨道交通由于发展的历程比较长，直流侧短路故障的研究相对来说比较成熟。国内在直流供电系统方面的理论研究步伐也在逐渐加快。谐波问题是当下城市轨道交通的一大难题之一，城市轨道交通的供电系统波形畸变主要源于车辆供电的整流、逆变装置，其次是直流电源的成套装置及其他电子装置3。为了提高直流供电的电能质量，降低直流电源的脉动量，通常采取多脉波整流方法，早期采用六脉波、十二脉波整流，到现在趋向于二十四脉波整流。亦有学者对48脉波整流电路进行了分析18。然而二十四脉波整流电路的功率因素已经达到0.997左右，也就是说基本达到饱和，再提高整流脉波数
22、对提高功率因素已经没有多大的效果。但是在实际应用中功率因数与理论计算还有相当大的差距，这是我们应该努力的方向15。由于城市轨道交通供电的复杂性，使供电故障电流计算也是成为一大难题，由于铁轨很容易受到集肤效应的影响，在故障暂态过程中阻抗是随频率改变的。要准确计算直流牵引供电系统直流侧故障电流，必须考虑轨道参数的暂态变化。然而轨道是不规则体，要直接精确计算轨道的暂态阻抗非常的复杂。有很多文章对此进行了研究，如文献12提出通过求解电流密度扩散偏微分方程，得到实心圆柱体阻抗表达式，并将其等效成一个无限RL并联网络文献13利用等周长原则，详细推导出圆柱形导体模型暂态内阻抗的解析表达式。文献14采用了将牵
23、引网轨道等效为等周长的圆柱体的方法，得出了轨道暂态电阻及电感。文献6提出6脉波整流，直流侧远端短路时故障电流的计算方法，将交流侧及整流机组等效成直流电压源和电阻电感串联。在考虑杂散电流收集网在内的多导体供电系统模型，利用多折线法精确计算不同点处短路故障稳态短路电流。文献7采用基于张量分析的时变拓扑法实现直流牵引系统交直流变换过程的建模与数字仿真计算，详细地分析了直流牵引系统交直流变换基本构成单元三相桥式6脉波整流和并联12脉波桥式整流的运行工况，以及非理想状态下各参数对整流外特性的影响。文献9采用Matlab/Simulink 软件对直流供电网系统进行建模与仿真计算，详细地分析了 24 脉波整
24、流装置的运行工况以及理想状态下的整流特性，系统地研究了直流供电网短路故障暂稳态过程。文献5讨论了 12 脉波整流电路的外特性曲线，明确了在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。1.3 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
25、。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
26、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
27、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。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，
28、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
29、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2-1。牵引供电系统的主要组成部分有牵引变电所和牵引网4。 图2-1 城市轨道交通牵引供电系统图2.1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
30、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。2.1.1 6脉波整流电路 原理如图2-21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。6脉波整流电路输出电压波形每个周期波动6次见图2-22，输出电压空载幅值为：，波形中主要包含6n1次谐波。 A B C 图 2-21 6脉波整流原理图 图 2-22 6脉波整流电路空载输出电压2.1.2 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，其直流电压脉冲分量的相位角也相差
31、，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2-23。 D, + 高 压 阀 侧 _ Y,图 2-23 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：，波形中主要包含12n1次谐波。2.1.3 24脉波整流电路 T U1 高 压 网 T 侧 U2 图2-26 24脉波整流电路原理图 24脉波整流电路原理见图2-26，图中T1,T2为两台十二脉波轴向双分裂式整流变
32、压器，且T1和T2低压输出电压相差相位角。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2-26所示工作时，由于T1和T2具有相角差，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24n1次谐波，空载输出电压幅值为：。2.1.4 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
33、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
34、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5、7次以上谐波，12脉波整流只产生11、13、23、25次以上谐波，24脉波整流只产生23、25、47、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5、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，然而要使则要网侧绕组的外
35、延匝数与原绕组的匝数比，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，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。2.2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
36、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)750500900150010
37、001800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231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 231 接触轨供电原理图2.3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。
38、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件，由于使用的元器件数量和品种很多，使得系统接线复杂，潜在故障点多，降低了整个系统的安全可靠性。随着电子技术
39、、计算机技术的发展，微处理器的应用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，采用基于可编程控制器的数字式保护装置取代传统的继电器保护装置，大大提高了可靠性、保护性能以及直流牵引供电的自动化程度。随着科学技术的发展，未来的趋势是向计算机化、网络化、保护、控制、测量、数据通信一体化及人工智能化发展19目前地铁一般运用主保护为大电流脱扣保护、电流变化率及电流增量保护，后备保护有过电流保护、欠电压保护、热力过负荷保护、双边联跳保护等。2.4 本章小结 本章介绍了地铁牵引供电的整体结构，首先对牵引所中的整流机组原理及发展概括做了分析介绍
40、，并对整流机组产生的谐波做了分析。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3章 直流短路计算3.1直流短路介绍通过对城市轨道交通牵引供电系统短路过程分析计算，正确选择和校验电器设备，完善直流供电系统保护装置的设置和整定值计算的原则方法，为供电设计和运营维护提供理论依据，提高系统运行可靠性。牵引供电系统可能会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各种形式的短路故障。因此我们所说的地铁供电系统发生故障主要是轨道短路故障，随着机车位置的移动，受电弓与接触导线一直处于滑动接触状态，长时间处于高速摩擦、振动等恶劣工作环境中。机车运行时
41、如果两者接触不良，就要造成过热或产生电弧，使接触导线受损伤。另外由于受电弓对接触导线有迅速移动的向上压力，使接触导线经常处于振动状态，因此引起机械方面故障的几率增大。这些损伤及故障都可能导致牵引网短路，所以牵引网发生故障的可能性很高。根据直流短路方式的不同分为金属性短路和非金属性短路11。金属性短路故障是指与钢轨间发生金属接触，或由于整体绝缘支座(用于接触轨与大地的绝缘，支座底部设置了接地扁铜，与整个供电系统地网相连接)被击穿后发生的接触轨与接地扁铜直接短路。例如对供电系统进行停电检修作亚时，维修人员恰巧将金属工具放置在接触轨与钢轨之间而忘记取走，送电时将发生接触轨对钢轨的直接短路故障。非金属
42、性短路主要是指线路上发生非金属性情况下的一种短路，如雨、雪等淹没或覆盖接触轨的情况，此时以雨雪作为导体。另外，供电系统运行初期，接触轨由整体绝缘支座固定在道床上，与接地扁铜之间绝缘良好。但随着运行时间的推移，绝缘支座发生绝缘老化或支撑件上出现污秽物，产生的泄漏电流通过绝缘支座流向接地扁铜然后经变电所地网流回变电所负极，这种由绝缘泄漏引起的短路故障也为非金属性短路故障的一种。在接触轨供电系统中，电弧短路故障也是可能发生的一种非金属性短路故障。电弧短路是指带电体对导体放电产生的短路，如接触轨对地放电。3.2参数计算3.2.1牵引变电所 在进行直流牵引供电系统的仿真时，牵引变电所一般按戴维南或诺顿等
43、效电路建模，在戴维南等效电路中，牵引变电所用等效内电阻Req与理想电压源VS相串联来表示（见图）。理想电压源由交流电源空载电压、系统阻抗、和整流机组的有关参数和运行状态等因素所决定。通过计算分析出整流电路的外特性，然后再分析运行状态来计算出短路阻抗。目前地铁的发展趋向于采用24脉波整流方式，24脉波整流机组可以等效为两个相同容量的12脉波整流机组并联。 图3-1 牵引变电所等效模型 1. 实例计算 ：设系统一次侧短路容量100MVA，某轴向双分裂式12脉波整流机组，额定容量3450kVA，网侧额定电压33kV，阀侧额定电压 1180kV，分裂变压器穿越阻抗百分比:8%，半穿越阻抗百分比6.5%
44、。由以上参数可计算得到理想空载直流电压，穿越阻抗、半穿越阻抗、系统阻抗、换相电抗、祸合系数等参数如下:空载电压： ;(若采用6脉波机组则：；若采用24脉波机组：)交流侧短路阻抗：0.01394；穿越电阻：;半穿越电阻：;分裂电抗：;换相电抗：;耦合系数：；由耦合系数就可以计算出整流机组的工作区间，求得各种运行状态下的理想等效电源和等效电阻。从而求得该运行状态下的稳态短路电流7。3.2.2牵引网阻抗在输电系统中线路的计算模型一般以四个参数描述7: 1.反映线路通过电流时产生有功功率损失效应的电阻;2.反映载流导线周围磁场效应的电感;3.反映线路带电时绝缘介质中产生泄漏电流及导体附件空气游离而产生
45、有功功率损失的电导;4.反映带电导线周围电场效应的电容。 由于在直流牵引系统中牵引网电压等级低、距离短并且走行回流轨对地采用绝缘安装方式，一般为简单计算采用串联电阻和电感的牵引网电路模型，忽略对地电容和电导的影响，对于轨道电气参数的计算从以下三个方面进行分析:1. 轨道的电阻; 2.轨道的内电感; 3.轨道的外电感。 轨道的外电感反映轨道周围的磁场效应，当牵引网的各条轨道间距以及外部安装环境确定，轨道的外电感就基本上确定7，而电阻和内电感却受众多因素的影响，作为正极的铁三轨和负极回流线的走行轨都具有较大的不规则横截面，显著的集肤效应以及磁饱和特性，使得轨道电阻和内电感的计算变得非常复杂。当突然发生短路故障时，暂态初始时刻导体中电流传播会产生集肤效应，导体有效肤深小，故使得暂态初始时刻电阻大、内电感小，体现出故障初始时刻时间常数较小，但随着时间的推移导体有效肤深逐渐变大，电阻逐渐减小而内电感逐渐增大，时间常数也逐渐增大，集肤效应对轨道电气参数的暂态变化起主导作用，但是导体的集肤效应阻抗同时又受到磁导率产的影响，而铁磁材料的磁导率又与电流大小密切相关。一般来说，铁磁材料的磁导率随着电流增大而增大，并呈现出非线性变化特征，而且磁导率随着电流的增大会出现饱和现象，到达饱和状态后，磁导率波动较小。直流牵引网短路电流上升速率很大，在极短的时间内就上升到数千安培，使得材料
