直流牵引（精选9篇）
直流牵引 篇1
摘要：本文主要介绍了广州地铁直流和交流牵引系统的组成和保护设置, 对两者的优缺点进行分析对比, 提出选择建议。
关键词：直流,交流,牵引系统
1 概述
目前, 广州地铁线网的发展速度进入快车道, 为满足不同需求而开通的线路也日益增多, 现有的线路包括广佛线、一号～五号线, 三号线北延段、八号线、APM线等等, 其中APM线的线路最短, 仅有3.96公里。APM线功能需求定位为广州中轴线旅游观光线路, 途经广州塔、海心沙、大剧院、花城广场、中信广场等标志性景点。其最为特殊的是列车供电采用AC600V的交流牵引供电系统, 这是广州地铁历史上第一条采用交流牵引供电的线路。在国内的其他地铁城市中, 交流牵引供电系统的出现也仅限于北京机场内采用的无人驾驶列车线路, 一般地铁列车供电均采用直流牵引供电系统。本文将针对广州地铁采用的两种牵引供电方式进行分析比较, 明确两者对于地铁列车供电存在的意义。
2 直流牵引供电系统
2.1 直流牵引供电系统组成
直流牵引供电系统在中国地铁行业应用比较普遍, 一般直流电压等级为DC1500V, 有个别城市如北京地铁线路采用DC750V。直流牵引供电是一项比较成熟的技术, 其系统组成主要包括以下几个部分:中压馈线开关、牵引变压器、整流柜、直流进线开关、直流馈线开关和牵引网组成。牵引网主要由直流馈线开关馈出电缆、上网刀闸、接触网/接触轨、牵引轨、均流电缆、回流电缆、负极柜等组成。牵引变压器和整流装置整体称为整流机组, 整流机组将中压交流 (一般为33KV或35KV) 通过降压整流变成直流1500V电源, 通过直流进线开关供给直流母排, 再从母排通过馈线开关和上网刀闸将直流电送至接触网/接触轨供列车使用。列车通过受电弓或集电靴取电, 电流经牵引电机流出后通过轮对接到牵引轨上, 经回流电缆引至回流箱, 然后通过电缆接到负母线, 再经负极柜流回到整流柜的负极, 完成回流。
广州地铁典型直流牵引供电系统的主接线图如图1所示:
2.2 直流系统保护设置
在直流系统中, 保护的设置对于系统的安全运行有着重要的意义。直流牵引系统保护一般包括以下几个方面:
1) 整流机组保护:牵引变压器电流速断保护、过电流保护、零序电流保护、过负荷保护、温度保护、整流器二极管保护、整流器交、直流侧过电压保护。2) 直流进线开关:大电流脱扣保护 (断路器本体保护) 、逆流保护。3) 直流馈线开关:大电流脱扣保护 (断路器本体保护) 、电流速断、定时限过电流、di/dt+△I保护、接触网热过负荷保护、双边联跳保护。
2.3 直流牵引系统的优缺点
采用牵引直流系统的优点在于可以稳定提供列车牵引电源, 受电压波动影响小, 对于高密度列车运作提供比较有力的动力保障, 此外直流系统在远距离供电方面电压降比较小, 可以适当增加相邻牵引所的距离, 减少初始投资。不足之处在于直流系统的设备投资比较大, 对设备安装的空间和维护要求要高一些, 保护设置比较复杂。
3 交流牵引供电系统
3.1 交流牵引供电系统组成
以APM线为例, 交流牵引供电系统采用的电压制式为AC600V, 系统主要由10KV馈线开关、牵引变压器、中性点电阻柜、交流进线开关, 母联开关、交流馈线开关、无功补偿装置、轨旁开关、接触轨等组成。其中无功补偿装置根据功率因素预定值采用自动投切的方式, APM接触轨有别于其他线路的接触轨, 其他线路接触轨只有一根轨组成, 但它是由五根轨组合组成, 三根为ABC交流三相牵引轨, 另外两根充当接地轨作用。
牵引变压器将AC10KV降压至600V, 通过交流进线开关输送至交流母排, 再经馈线开关、轨旁开关输送至接触轨, 列车通过集电靴从牵引轨上取电, 交流电机输出后通过接地轨接至接地系统, 形成回流。
3.2 交流系统保护设置
交流系统设备组成相对简单, 技术应用比较成熟, 保护设置主要考虑电量型保护, 主要设备的保护设置如下:
1) 牵引变压器保护:电流速断保护、过电流保护、零序电流保护、过负荷保护、温度保护 (铁芯及绕组温度保护) 。2) 交流进线开关:过电流保护、电流速断保护、逆向功率保护、低电压保护、接地故障保护、逻辑联锁保护、三相电流不平衡保护。3) 交流馈线开关:过电流保护、电流速断保护、零序电流保护、逻辑联锁保护。4) 交流母联开关:过电流保护、电流速断保护、备自投。5) 无功补偿装置:根据设定值进行自动投切。6) 中性点电阻:阻值为346欧姆, 设置过电流报警、过电压保护。
3.3 交流牵引系统的优缺点
交流牵引系统的优点主要体现在初始投资小, 对设备要求不高, 保护设置简单, 运行维护比较方便, 比较适合对牵引电源质量要求不高的线路使用, 此外中性点大电阻接地方式能保证出现单相接地的时候能在一定时间内 (APM设计为一小时) 继续维持供电系统运行, 保障运营列车的正常行驶。缺点也比较明显, 交流系统受电压波动影响较大, 远距离电压降比较明显, 为避免并网电磁合环影响, 整条线路的牵引电源要求均接自区域变电站的同一段母线。对列车运行的速度和密度也有一定的影响。
4 总结
通过对直流和交流系统的组成及保护设置的分析比较, 我们能清晰地看出两者的优劣点, 可以根据实际的需求选择合适的牵引供电系统, 在效益投资方面取得一个比较好的平衡, 从目前发展的趋势而言, 由于地铁线路的开通主要以长线路, 多站点的特点为主, 因此从运营角度考虑, 为保证列车连续供电质量, 一般都以选择直流供电系统为主。另外, 一些针对特殊需求而设置开通的线路, 由于线路较短, 列车密度低, 对连续供电质量方面要求没那么严格, 如APM线, 从节约投资, 降低维护费用的角度考虑, 采用交流牵引系统比较合适。
参考文献
[1]汪孔屏.浅议轨道交通直流牵引供电系统的构成及保护配置.
直流牵引 篇2
目资金申请报告
项目编制单位：北京智博睿投资咨询有限公司
资金申请报告编制大纲（项目不同会有所调整）
第一章 轨道交通牵引传动系统直流高速断路器项目概况 1.1轨道交通牵引传动系统直流高速断路器项目概况
1.1.1轨道交通牵引传动系统直流高速断路器项目名称 1.1.2建设性质
1.1.3轨道交通牵引传动系统直流高速断路器项目承办单位 1.1.4轨道交通牵引传动系统直流高速断路器项目负责人
1.1.5轨道交通牵引传动系统直流高速断路器项目建设地点 1.1.6轨道交通牵引传动系统直流高速断路器项目目标及主要建设内容
1.1.7投资估算和资金筹措
1.2.8轨道交通牵引传动系统直流高速断路器项目财务和经济评论
1.2轨道交通牵引传动系统直流高速断路器项目建设背景
1.3轨道交通牵引传动系统直流高速断路器项目编制依据以及研究范围
1.3.1国家政策、行业发展规划、地区发展规划
1.3.2项目单位提供的基础资料
1.3.3研究工作范围
1.4申请专项资金支持的理由和政策依据
第二章 承办企业的基本情况 2.1 概况 2.2 财务状况
2.3单位组织架构
第三章 轨道交通牵引传动系统直流高速断路器产品市场需求及建设规模
3.1市场发展方向
3.2轨道交通牵引传动系统直流高速断路器项目产品市场需求分析
3.3市场前景预测
3.4轨道交通牵引传动系统直流高速断路器项目产品应用领域及推广
3.4.1产品生产纲领
3.4.2产品技术性能指标。
3.4.3产品的优良特点及先进性
3.4.4轨道交通牵引传动系统直流高速断路器产品应用领域
3.4.5轨道交通牵引传动系统直流高速断路器应用推广情况
第四章 轨道交通牵引传动系统直流高速断路器项目建设方案
4.1轨道交通牵引传动系统直流高速断路器项目建设内容
4.2轨道交通牵引传动系统直流高速断路器项目建设条件 4.2.1建设地点
4.2.2原辅材料供应
4.2.3水电动力供应
4.2.4交通运输
4.2.5自然环境
4.3工程技术方案
4.3.1指导思想和设计原则
4.3.2产品技术成果与技术规范
4.3.3生产工艺技术方案
4.3.4生产线工艺技术方案
4.3.5生产工艺
4.3.5安装工艺
4.4设备方案
4.5工程方案
4.5.1土建
4.5.2厂区防护设施及绿化
4.5.3道路停车场
4.6公用辅助工程
4.6.1给排水工程
4.6.2电气工程
4.6.3采暖、通风
4.6.4维修 4.6.5通讯设施
4.6.6蒸汽系统
4.6.7消防系统
第五章 轨道交通牵引传动系统直流高速断路器项目建设进度
第六章 轨道交通牵引传动系统直流高速断路器项目建设条件落实情况
6.1环保
6.2节能
6.2.1能耗情况
6.2.2节能效果分析
6.3招投标
6.3.1总则
6.3.2项目采用的招标程序
6.3.3招标内容
第七章 资金筹措及投资估算 7.1投资估算
7.1.1编制依据
7.1.2编制方法
7.1.3固定资产投资总额 7.1.4建设期利息估算
7.1.5流动资金估算
7.2资金筹措
7.3投资使用计划
第八章 财务经济效益测算
8.1财务评价依据及范围
8.2基础数据及参数选取
8.3财务效益与费用估算
8.3.1年销售收入估算
8.3.2产品总成本及费用估算
8.3.3利润及利润分配
8.4财务分析
8.4.1财务盈利能力分析
8.4.2财务清偿能力分析
8.4.3财务生存能力分析
8.5不确定性分析
8.5.1盈亏平衡分析
8.5.2敏感性分析
8.6财务评价结论
第九章 轨道交通牵引传动系统直流高速断路器项目风险分析及控制
9.1风险因素的识别
9.2风险评估
9.3风险对策研究
第十章 附件
10.1企业投资项目的核准或备案的批准文件； 10.2有贷款需求的项目须出具银行贷款承诺函； 10.3项目自有资金和自筹资金的证明材料； 10.4环保部门出具的环境影响评价文件的批复意见；
10.5城市规划部门出具的城市规划选址意见（适用于城市规划区域内的投资项目）；
10.6有新增土地的建设项目，国土资源部门出具的项目用地预审意见；
10.7节能审查部门出具的节能审查意见； 10.8项目开工建设的证明材料；
直流牵引 篇3
摘要：为了避免直流牵引供电系统在电力系统发生振荡时继电保护装置出现误动作，并保证继电保护装置的灵敏性，须对振荡信号和短路故障信号进行严格区分。采用经验模态分解（EMD）方法对振荡信号和短路故障信号的特征量进行提取，可有效区分这两种信号，从而保证继电保护装置有足够的灵敏性，也实现不误动和不拒动的可靠性。
关键词：直流牵引 继电保护 经验模态分解 电力系统振荡
0 引言
近年来，我国城市地铁产业发展迅速，地铁供电系统的安全可靠运行是地铁安全运行的最基本保障，紧密关系着人民的生命财产安全及社会稳定。但是，由于有关直流牵引供电系统的继电保护技术发展时间较短，仍处于初级阶段，相对于比较完善的交流供电系统的继电保护技术来说，直流牵引供电系统的继电保护技术还存在着很多问题。例如，对于直流牵引供电系统经常出现的振荡电流，目前的继电保护技术采取的是“宁误动、不拒动”的方式，这显然不能满足继电保护的基本要求，使直流牵引供电系统的可靠性降低。
振荡是电力系统经常出现的一种现象，系统振荡时电流、电压会发生周期性变化。当电流的变化超过继电保护的整定值时就会引起继电保护装置误动作。要想避免误动作的发生，并保证继电保护装置的灵敏性，须对振荡信号和短路故障信号进行严格区分，构成振荡闭锁装置。振荡闭锁装置须满足4个基本要求：①供电系统发生振荡而没有出现短路故障时，应能可靠地将保护装置闭锁，振荡不停息，闭锁不解除；②在继电保护装置的保护范围内发生故障时，保护装置不被闭锁而能可靠动作；③在振荡过程中发生故障时，保护装置应能不受振荡影响正确动作；④供电系统先发生故障又发生振荡时，保护装置不会误动作。
1 直流牵引供电系统继电保护
1.1 di/dt-ΔI保护
继电保护装置是经常应用于接触网电力系统中的主保护之一，在我国的地铁供电系统直流侧的继电保护中已普遍应用。电流上升率 di/dt保护用于中、远端保护，整定值应确定动作值E、返回值F及动作延时时间Δt；电流增量ΔI保护用于近端保护，整定值应确定电流增量ΔI及动作延时时间Δt。由于地铁车辆起动时电流上升率和电流增量是地铁供电系统正常运行情况下的最大值，所以di/dt-ΔI继电保护装置的动作值按躲过车辆起动时的电流上升率和电流增量设置整定值。继电保护的动作条件有两个：①电流的初始上升率di/dt大于列车起动时的电流上升率di/dt；②电流增量ΔI大于列车起动时的电流增量ΔI。
di/dt-ΔI继电保护的整定值设置的较小，所以灵敏度极高。当直流牵引供电系统中出现振荡现象时，振荡电流的变化所引起的电流增量和上升率超过整定时也会造成保护装置动作。由于振荡电流出现的时间很短，不会对电气设备产生较大影响从而不需要继电保护动作，所以由振荡电流所引起的保护装置动作为误动作，应该避免。
1.2 保护装置产生误动作的原因
di/dt-ΔI继电保护装置容易受到振荡电流的影响而产生误动作的原因，是因为振荡电流的变化所引起的电流增量和上升率与电力系统发生故障时的波形十分相似。某站采集到的牵引直流电网发生振荡时的振荡电流波形如图1所示。
图1 振荡电流波形图
从图1中可以看出，振荡电流从0A升至4000A用了5ms时间，电流上升率为800A/ms，超出了di/dt-ΔI保护装置设定的整定值60A/ms，完全能引起保护装置动作。振荡电流的特点是电流的变化幅度大，即电流上升率高，但振荡电流存在时间短，能迅速恢复到正常值，不会对直流馈线和列车造成影响。而因为保护装置的误动作所造成的损失却是无法估量的，不但影响列车的正常运行、造成人民生命财产损失、影响社会稳定、还会减短电力系统及继电保护的使用寿命，所以必须安装振荡闭锁装置，对这种误动作进行避免。
由上面的分析不难发现，要想避免保护装置误动作，需要为保护装置安装振荡闭锁装置。但根据振荡闭锁装置的基本要求，振荡闭锁装置需要具有区分由短路电流造成的电流上升率和由振荡电流造成的电流上升率的能力，才能既保证继电保护装置的灵敏性，又保证继电保护不发生误动作。基于此，本文提出了利用EMD分解方法来提取直流牵引电网的振荡电流的特征量以便对振荡电流和短路电流进行识别。
2 经验模态分解（EMD）
经验模态分解（Empirical Mode Decomposition，简称为EMD），是由美籍华人黄锷博士率先提出的一种全新的信号处理方法。EMD的原理是根据被分析波形所具有的时间尺度趋势信息来分析信号，而不需要额外设定任何基函数。通过EMD，能自动将信号分解为仅反映信号局部波动的若干阶模态函数（Intrinsic Mode Function，简称IMF）。模态函数不需要用数学表达式来表达，而是根据被分析信号的波形发展趋势进行自我修正，这一优点明显强于需要提前建立基函数才能对信号进行分析的傅里叶变换和小波分解方法。下面简要描述一下EMD对信号的分解原理。
假设某平稳信号x（t）的傅里叶变换表达式为x（t）=αcosφ。这种分解方法对平稳信号是十分有效的。但当信号是不平稳信号时，可以用下式来表示其傅里叶变换：
x（t）=α（t）cosφ （1）
式（1）中振幅值和频率值都随时间变化（即模态函数，IMF），这就是不平稳信号的EMD分析结果表达式，它用IMF反映了所分析信号的特征，即不稳定性。对于一个数字信号来说，也同样可用EMD来分析，当对一个数字信号进行n阶分解后，可得到其n阶分解结果：
x（t）=c（t）+r（t）（2）
即信号被分解为n个模态函数c（t），n=1，2，…n和1个余量r（t），余量r（t）表示了原始信号中的变化趋势或为一个常数（无变化趋势）。
3 信号特征量提取及仿真验证
为了区分由短路电流造成的电流上升率和由振荡电流造成的电流上升率，采用EMD方法对采集到的电流进行分解，通过分解后的结果来提取二者的特征量。为了能将此种方法真正应用于实际的继电保护装置中，要求特征量的提取过程简单可靠，且特征要比较明显。对某直流牵引电网所采集到的，具有代表性的振荡电流波形和短路电流波形以及两种信号采用EMD分解后的波形一起表示在图2中。
图2 振荡电流和短路电流波形及EMD分解结果
比较图2中的波形能够看出，直流牵引电网的振荡电流和短路故障电流的波形模态差异明显，但用计算的方法来区分这两种波形并不容易。当将两种波形经EMD分解后，两种波形的特征则更加突显，基于分解后的波形区别两种波形变得十分容易。总结下来，其特征有两点：①振荡电流波形的IMF分量幅值大且多，而短路电流波形的IMF分量幅值少且小；②经EMD分解后，振荡电流波形的余量曲线斜率呈负数，表明振荡发生后，振荡电流整体减小的趋势；而短路电流的余量曲线斜率为正，表明了短路电流整体上升的趋势。采用将电流信号进行 EMD 分解后的余量斜率作为特征量，则可以准确而容易地识别直流牵引电网中振荡电流信号与短路故障电流信号。
为验证这种方法在各种情况下均能对振荡电流和短路电流进行很好的区分，仍取某地铁供电系统在距离继电保护安装处的1km，2km，3km 处发生短路时的仿真短路电流波形进行分析，经EMD分解后，提取3种波形的余量r（t）进行对比。分解的结果明显显示了各个短路电流的波形整体变大的趋势，在和振荡电流的EMD分解结果进行对比时，并不需要对其电流特征进行数量化。只需要对余量r（t）求斜率就可以进行比较，所以比较过程非常简单方便。其计算结果如表1所示。
表1 电流波形经EMD分解后余量r（t）的斜率计算结果
[电流波形
余量斜率][负荷振荡电流
-0.46][1km短路电流
4.19][2km短路电流
2.45][3km短路电流
1.79]
4 结论
由于直流牵引电网的振荡电流存在整体下降的趋势，导致其波形经过EMD分解后的余量r（t）斜率为负值，而短路电流的EMD分解后余量r（t）斜率为正值。因此可将斜率作为特征量区分振荡电流和短路电流，从而构成振荡闭锁装置。实用中，将振荡闭锁装置的整定值设置为0，当余量r（t）斜率为负值时闭锁di/dt-ΔI保护装置；当余量r（t）斜率为正值时，开放继电保护装置，然后按di/dt-ΔI的整定值判断是否需要继电保护动作，动作完成后，立刻再次闭锁保护装置。
参考文献：
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[3]贺家李.电力系统继电保护原理[M].北京：中国电力出版社，2010.
[4]杨正理.基于小波变换的模糊C-均值聚类算法在动态汽车衡中的应用[J].自动化仪表，2013（34）：73-77.
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[8]Daubechies.Ten lectures on wavelets.Capital City Press， Montpelier， Vermont1992.129-131.
[9]Stephane mallat， Wenlianghwang. Singularity detection and processing with wavelets. IEEE transactions on information theory，1992（2）：617-643.
作者简介：
刘军（1976-），男，江苏淮阴人，江苏长天智远交通科技有限公司，主要研究方法为机电一体化。
牵引供电系统直流侧短路故障分析 篇4
近年来, 我国经济飞速发展, 城市化进程逐步加快。城市轨道交通在节约空间、客运质量、节约能源、空气质量、景观质量等方面有显著的优势, 逐步成为许多城市交通发展的首选。
目前, 我国城市轨道交通系统普遍采用DC750V或DC1500V供电, 直流牵引供电系统是城市轨道交通系统重要组成部分。牵引供电系统直流侧易出现短路故障, 短路电流过高, 对城市轨道交通系统的安全运营造成严重的影响。所以就城市轨道交通系统的安全运行而言, 研究牵引供电系统直流侧短路故障具有十分显著的现实意义。
直流牵引供电系统
在直流牵引供电系统中, 高压交流电通过牵引变电所变成机车运行所需的低压直流电。低压直流电在接触网上传输, 机车通过受流器与接触网接触而获得电能。牵引供电系统主要由牵引变电所和接触网构成。牵引供电系统结构示意图如图1所示。
牵引变电所通过接触网向机车供电, 电流驱动机车运行后经走行轨返回变电站负极。在实际运行中, 牵引供电系统直流侧易出现短路故障, 会对系统运行造成影响。
直流侧短路故障分析
城市轨道交通系统中, 牵引供电系统直流侧短路故障主要有正极对负极短路与正极对地短路两种类型。正极对负极短路指的是接触网对走行钢轨短路, 正极对地短路指的是接触网对地短路。
正极对地短路故障
直流牵引供电系统中, 直流供电设备除了采用对地绝缘安装方式外, 在设备金属外壳与地之间还需设置直流框架泄漏保护。当供电设备的电流泄漏到设备柜体上时, 牵引变电所正极与设备柜体外壳发生短路, 形成牵引网正极对地短路故障。另外, 使用接触轨 (第三轨) 馈电方式系统运行中后期, 绝缘支座发生绝缘老化等情况, 会造成接触轨与地发生短路故障。此外, 对于高架段接触网, 由于这段线路接触网是露天的, 在雷雨天气, 雷击可能会造成接触网绝缘部件闪络放电, 造成接触网与架空地线短路, 即正极对地短路。正极对地短路故障示意图如图2所示。
正极对走行轨短路故障
正极对走行轨短路, 即馈电接触网对走行轨短路, 主要是由机车故障等外部原因引起的。接触网对走行轨发生短路故障时, 短路电流随短路故障点离牵引变电所的距离不同, 表现出的特性有很大不同。当离牵引变电所较近处发生短路故障时, 线路中产生的冲击电流会很大, 且短路电流上升变化率很大;随着短路故障点离牵引变电所越来越远, 短路电流曲线近似于指数函数曲线, 且电流上升变化率较小, 电流幅值也较小, 这个过程的电流情况一般与多机车同时取流时相似, 这就造成实际运行中远端发生短路故障时难以区分短路电流与机车启动电流的情况, 造成短路故障修复的延时。接触网对走行轨短路示意图如图3所示。
直流侧短路故障电流仿真
牵引供电系统直流侧发生短路故障时, 接触网上出现的短路电流由该供电区间上的所有牵引变电所提供, 其中, 短路故障点所在区间的2个牵引变电所馈给电流最大, 其次是离短路故障点所在区间两侧较近的2个牵引变电所。
牵引供电系统直流侧供电模型
搭建模型的过程中, 由于短路故障发生是瞬时的, 导致电流变化率很大。由于暂态参数的存在, 系统中必然会出现一个暂态的过程。根据文献和文献选取模型中的基本参数。
走行轨对地模型如图4所示。
直流侧短路故障电流仿真
在Matlab/Simulink仿真环境下, 搭建牵引供电系统直流侧短路故障仿真模型。仿真模型中主要参数设置如下:走行轨单位内阻为30 mΩ/km, 走行轨单位内电感为1.75m H/km;接触网单位电阻为28 mΩ/km, 接触网单位内电感为2.6m H/km;走行轨对地过渡电阻取3Ω⋅km, 小电阻Rf取0.001Ω。
当0.1s时距离变电所A 500m、1000m、1.5km处发生短路故障时, 牵引所A、B侧的短路电流波形如图5~7所示。
通过搭建模型与仿真, 得到直流侧短路故障电流波形。根据短路电流波形可知, 当供电区间发生短路故障时, 线路上会产生很大的暂态电流, 短路电流上升变化率很大, 短路电流稳态值也很大;随着短路故障发生点离相邻变电所越来越远, 短路电流上升变化率随之减小, 短路电流稳态值也逐渐减小。此外, 当短路故障点离两侧牵引所的距离相近时, 两侧牵引所的电流波形也相近。
总结
本文首先对城市轨道交通牵引供电系统直流侧短路故障类型进行分析, 在该基础上, 利用Matlab/Simulink软件建立了直流侧短路故障电流的仿真模型, 进而分析了短路故障电流与故障发生点所在位置的关系。
直流牵引 篇5
一、钢轨回流方式直流牵引系统的接地保护
1. 直流框架保护。
所谓框架即直流设备外壳, 直流框架保护实际上就是直流接地保护。直流框架保护的主要作用有:一是为了防止牵引变电所内直流开关柜内部设备的绝缘降低而对人身造成伤害;二是当开关柜内正极直接碰壳发生短路时, 可以快速切除故障, 起到保护作用。直流框架保护由1个电流元件和1个电压元件组成, 其保护原理接线如图1所示。
由图1可知, 由于电流元件是一个能承受100 k A短路电流、阻值为0.15 mΩ的分流器, 其一端接设备外壳, 另一端与变电所地网相连, 因而设备外壳与地是完全连通的。直流设备绝缘安装的目的是让泄漏的电流流经电流元件, 从而起到收集泄漏电流的作用。电压元件一端接钢轨 (负极) , 另一端接框架 (即地) , 它和钢轨电位限制装置的接法是一样的。
(1) 电流元件。电流元件是框架保护的主保护。一旦直流开关柜内发生正极碰壳故障, 电流元件即会启动, 保护动作 (跳闸) 后, 将该所断路器闭锁合闸。
(2) 电压元件。电压元件作为后备保护被而整定为报警和跳闸二段, 并被设置就地的投入/切除功能。当钢轨对地绝缘良好或绝缘泄漏电阻大, 不利于电流元件的检测和动作时, 电压元件即会检测到故障发生时的地–钢轨 (负极) 电压, 并动作跳闸。
当变电所内直流设备的正极对外壳短路、接触网对架空地线或钢轨短路时, 地电位或钢轨电位就会升高, 电压元件即会在钢轨和地之间检测到电压。当该电压大于电压元件的整定值时, 电压元件就会报警或动作, 相关的断路器就会跳闸。
框架电压保护动作后, 该牵引所的直流馈线断路器和整流器进线中压开关就会全部跳闸。这属于严重故障。因此, 框架电压保护只能作为钢轨电位限制装置的后备保护。在确保安全电压和可靠运行的前提下, 要合理设定两者的电压动作值和延时值, 保证钢轨电位限制装置接触器先动作。通常钢轨电位限制装置的U>设定在90 V以内, 延时设定在0.6 s内, 瞬时动作闭锁U>>值设定为DC (直流) 150 V;而框架电压的报警值设定在DC (直流) 95 V, 计数延时为0.8 s, 跳闸值为DC (直流) 150 V, 计数延时在0.5 s以上。在实际运营中, 由于钢轨电位经常莫名升高, 且长期达到电压元件动作值, 因而为了不影响运营, 很少投入框架电压保护。
2. 直流馈线保护。
牵引变电所的每台直流馈线开关柜里都装有一台直流馈线保护单元:除断路器本身具有大电流脱扣保护外, 还配置有电流速断保护 (Imax) 、电流上升率 (di/dt) 及电流增量 (ΔI) 保护、接触网过负荷保护、双边联跳保护、线路测试和自动重合闸装置。这些保护装置可根据故障类型选择性启动。
钢轨采用绝缘安装, 按照《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》 (CJJ49–92) 第4.2.1条规定:兼用作回流的地铁走行轨与隧洞主体结构 (或大地) 之间的过渡电阻值 (按闭塞区间分段进行测量并换算为1 km长度的电阻值) , 对于新建线路不应小于15Ω·km, 对于运行线路不应小于3Ω·km。理论上, 短路回路阻值较大, 应该是小电流。但在实际测量中, 钢轨与大地的过渡电阻通常只有1Ω左右, 低的甚至会降到0.5Ω以下, 即钢轨和大地基本是连通的, 所以正极对地短路实际上也会产生很大电流。因此, 直流馈线保护对于轨道交通的安全运营有着举足轻重的作用。
二、跨座式单轨交通直流牵引系统的接地漏电保护
重庆轻轨为跨座式单轨交通系统, 采用的是日本技术, 车辆通过橡胶轮胎在轨道桥梁上运行。该系统接触网的额定电压为DC1 500 V;刚性接触轨垂直布置在轨道梁两侧, 一侧为正极, 另一侧为负极;铝合金汇流排通过绝缘安装的支持绝缘子“T”形托架固定, 并通过调节孔垂直调整拉出值。
1. 接地漏电保护装置的工作原理。
为了能快速切除接触网正极对地的短路故障, 避免电压波动, 保证直流设备的正常运行和乘客安全, 在牵引变电所的负极与地之间设置接地漏电保护装置 (以下称64D) 是十分必要的。接地漏电保护装置原理如图2所示。
(1) 车辆在区间运行时的保护动作情况。由图2可知, 当车辆内部发生正极对车体外壳绝缘降低的情况时, GR动作, 车辆内部的线路断路器LB跳开。当发生车辆内部正极对外壳短路 (实际上是正负极短路) 或正极接触轨对地短路故障时, 由于GR或64D动作时间较慢, 因而直流馈线保护装置会快速启动, 断开故障线路, 并联跳邻所对应开关。
(2) 车辆在站台停靠时的保护动作情况。当车辆运行到车站时, 车体外壳就会与地连接, 如果此时车辆内部正极绝缘不良发生对地泄漏, 就要考虑车辆上GR与变电所64D的配合问题。一般车辆上的接地漏电保护装置GR整定值为100 V, 动作后车辆的线路断路器LB跳开。变电所接地漏电保护装置64D的动作电压一般整定为200 V左右, 动作后变电所所有直流馈线断路器跳开, 并启动重合闸。
2. 接地漏电保护与框架电流保护的配合。
为保证直流设备的安全可靠运行, 直流系统仍需保留框架保护的电流元件。接地漏电保护与框架电流泄漏保护配合原理如图3所示。
由图3可知, 框架电流保护主要用于变电所内的直流设备正极碰壳保护, 64D主要用于直流馈线正极绝缘不良和正极接地短路保护。当直流开关柜内部发生正极对框架绝缘不良或正极对地短路时, 因为框架电流保护时间为瞬时, 64D启动跳闸时间一般为延时0.3 s, 所以框架电流保护会先于64D启动。当直流馈线正极绝缘不良和正极接地短路时, 直流馈线保护装置和64D均会启动, 框架电流保护则不会启动。
三、关于钢轨电位限制装置的接地问题
在采用钢轨回流的直流牵引供电系统中, 由于钢轨采用绝缘安装, 因而需要在钢轨与地之间设置钢轨电位限制装置, 以防钢轨电压过高对人体造成伤害。
1. 钢轨电位限制装置动作原理。
钢轨电位限制装置一般由接触器、晶闸管、保护单元、显示设备、测量和操作回路、信号回路等部分组成, 动作原理如图4所示。
钢轨电位限制装置的动作特性为三级检压:
当U>为90 V时, 延时0.6 s直流接触器动作, 钢轨与大地短接, 经10 s断开。闭锁状态下, 当短路装置在2次动作时间间隔小于60 s且连续动作3次后, 短路装置不再断开;2次动作时间间隔大于60 s时, 则重新计数。
当U>>为150 V时, 直流接触器动作, 无延时永久合闸, 不再断开。
当U>>>为600 V时, 晶闸管装置瞬时短接钢轨与大地, 然后启动接触器合闸, 接触器合闸时间不大于100 ms。接触器合闸后晶闸管立即恢复高阻状态, 接触器闭锁保持在合闸状态。
2. 钢轨电位限制装置与直流系统接地保护。
国内最初引进此项技术时, 每个牵引变电所都设有2台钢轨电位限制装置, 即上、下行分开, 这样就便于查找钢轨电位升高的原因。现在的普遍做法是将上、下行钢轨通过均流电缆连接在一起, 每个变电所只设置一台钢轨电位限制装置。这样做的结果是当钢轨电位升高时, 无法很快区分出到底是哪条钢轨绝缘不良, 也使钢轨电位限制装置动作时杂散电流泄漏的概率增加了一倍。
从目前国内地铁钢轨回流方式直流牵引系统的实际运营情况来看, 钢轨电位升高、钢轨电位限制装置动作频繁的现象较为常见, 个别运营线路的钢轨电位甚至长期处于150 V左右的高位, 钢轨电位限制装置完全发挥不了其应有的作用。
钢轨回流方式不像跨座式单轨那样有64D作为专用的短路回路, 因而发生直流系统正极对地短路 (包括直流馈线保护和框架电流保护) 时, 直流馈线保护的灵敏性和可靠性会下降, 整定值不合适就有可能不会快速跳闸, 给地铁的安全运行和乘客的人身安全带来巨大隐患。
四、结论
直流牵引 篇6
从某种意义上说, 城市是人类活动的中心, 城市发展是社会进步的重要因素。随着城市化进程日益加快, 地铁车辆不断增多, 成为城市发展中一道亮丽的风景线。在地铁车辆中, 电气牵引系统是其不可或缺的重要元素, 扮演着重要角色。在新形势下, 我国地铁车辆的电气牵引系统主要以直流供电为主。一般情况下, 要是地铁列车属于六车编组, 需要采用四动两拖的结构。同时, 在动车电气牵引系统中, 直流结构、交流结构是主电路的主要表现形式。相应地, 下面是电气牵引系统结构图。
就地铁车辆电气牵引系统而言, 它具有多样化的特点。第一、在牵引、控制方面, 该系统是以车控方式为主。第二、在电制动方面, 主要以再生制动为主。一旦再生制动吸收条件发生变化, 再生制动便会和其中的电阻制动出现连续性调节。第三、在列车运行过程中, 该系统会充分利用轮轨黏着条件。在此基础上, 以地铁车辆自身的载重量为依据, 在空车到超员过程中, 能够对列车的牵引力、再生制动力的大小进行自动调整。进而, 使列车在该范围内对应的制动减速度、起动加速度保持不变。同时, 还具有一些其它方面的优点, 比如, 滑行控制、可靠的空转。很显然, 除了上面这些, 还有一些其它方面的特点。比如, 在地铁车辆中, 设有贯通高压母线, 母线断路器。它们可以保证地铁车辆通过线路上面的所有架空线水电分段区, 不会发生故障。相应地, 图2是电气牵引系统混合制动示意图[1]。
2 牵引系统的直流侧电流水谐波分析
在地铁车辆运行中, 其电气牵引系统的直流侧电流水谐波主要体现牵引逆变器方面。逆变器单元采用IGBT模块, 为两电平逆变电路。主电路由两个逆变器单元 (INVMK1、INVMK2) 组成, 每个逆变器单元集成三相逆变器的三相桥臂及制动相桥臂, 驱动2台异步牵引电动机 (1C4M) 。2个逆变器单元集成在一个牵引逆变器箱中, 驱动4台牵引电动机。
逆变器模块采用抽屉式结构, 冷却采用热管散热器走行风冷却方式。
牵引逆变器作为整个交传系统的重要组成部分, 它的基本功能是, 把从直流电源获得的直流电压变换成频率和幅值都可调的三相交流电, 并给牵引电机供电。根据中间储能元件的不同来分类, 逆变器可分为电压型逆变器和电流型逆变器。目前, 交流牵引多采用电压型逆变器, 因此以下所指的牵引逆变器, 除特别说明外均指直—交变换电压型逆变器。
TGN51J型牵引逆变器 (简称逆变器) 是在TGN51型牵引逆变器的基础上研制而成的, 每辆动车上配置一台牵引逆变器, 为4台牵引电机提供三相VVVF电源。TGN51J型牵引逆变器由两个逆变器单元集成在一个逆变柜中, 采用了两个通用的IBBM60G4型IGBT变流器模块, 单个模块的额定输出容量可达530k VA, 两套控制器合成在一个60R-6U的控制箱中, 便于控制和通讯。
IBBM60G4模块集成了8个3300V/800A的IGBT元件, 作为三相逆变器的三相桥臂及制动桥臂。另外, 模块还包括了热管散热器、温度传感器、门控单元、门控电源、脉冲分配、支撑电容器, 达到了一定程度的模块化和标准化。模块上IGBT元件之间及与支撑电容的连接使用了低感母排 (Busbar) , 减少了线路上的杂散电感, 省掉了吸收电路, 使电路更为简洁可靠。模块上散热器采用了热管散热技术, 靠走行风自然冷却, 使系统更简洁, 且无环境污染。因此, IBBM60G4模块具有热管走行风冷、无吸收电路、结构紧凑、体积小、重量轻等优点。
逆变器设置了全面而完善的故障保护功能、模块级的故障诊断功能和一定程度的故障自动排除功能。
(1) 主要特点
主要部件模块化设计, 易于安装、拆卸和维修低感母排技术, 无吸收电路热管走行风冷, 无环境污染再生制动, 节约能源电机直接转矩控制, 有优良的动态响应控制系统微机化、数字化、网络化、信息化。
(2) 保护特性IGBT元件故障保护直流电压过压/欠压保护直流电流过流保护逆变器输出过载保护主电路接地保护插件不在位保护电源故障保护电机过热保护在技术应用过程中, 逆变器系统所输出的交流侧电压中有大量的谐波电压、基波电压。相应地, 在系统运行中, 交流牵引电机会吸收逆变器中的谐波电流、基波电流。但交流牵引电机属于电感类负载, 在谐波电压较明显的时候, 谐波电流并没有随着增加。就谐波电流来说, 牵引逆变器的输出端较多。
对于这方面来说, 研究者进行了一系列的实验操作。就其研究表明, 一旦逆变器把输出的VVVF交流电压供给交流牵引电机, 会有不同成分的谐波电流出现在逆变器的输入侧。就其产生的谐波电流来说, 不仅有直流电流成分, 也有六倍频的谐波电流成分。在此情况下, 逆变器的输入端需要有线路滤波器。它可以进行相关的滤波。如果没有, 大量谐波电流不会流入逆变器输入端口, 而是流经整个馈电线路。进而, 在线路杂散电容、杂散电感相互作用下, 并会出现这两方面的现象。一是:在系统运行过程中, 会产生大量的电磁干扰现象, 影响系统的正常运行。二是:会出现振荡现象, 具有高频成分, 而这也会破坏系统。因此, 在地铁车辆电气牵引系统运行中, 需要在牵引逆变器的输入端口设置线路的低通滤波器, 防止振荡现象、电磁干扰现象的发生, 保证地铁列车的安全、稳定的运行。
3 结束语
在对这方面进行分析的过程中, 还能得出这些结论。一是:当牵引电机对有功率进行消耗的时候, 直流电网会向牵引电机提供对应的电流, 属于直流电流。但是, 在电流输送的过程中, 系统会出现暂态电流。二是:牵引逆变器在受到变压变频控制的同时, 也会带走大量的谐波电流。在直流电网电流中, 牵引变电器会生产一定的稳态分量。此外, 在电网中, 那些同时进行变化的谐波电流会发生这样的状况, 出现暂态谐波电流。在一定程度上, 这些暂态谐波电流分量与系统的滤波器存在某种联系。具体来说, 在系统中, 滤波器的参数会对暂态谐波电流分量所能持续的时间造成影响。
摘要：本文结合作者多年来的工作经验主要探讨了地铁车辆牵引系统, 并通过对牵引逆变器的阐述, 对牵引系统直流侧电波谐波的产生进行了几点分析, 仅供参考。
关键词：地铁车辆,牵引系统,谐波电压
参考文献
直流牵引 篇7
作为城市轨道交通电力系统的重要组成部分,直流牵引供电系统的仿真技术一直备受关注,国外已有一些相对成熟的分析软件,如德国ELBAS公司的SINANET、德国IFB公司的Open Power Net、美国CarnegieMellon大学的EMM等,国内的一些设计院和科研所也自行开发了一些相关的软件。这些软件大都是针对电力机车和牵引供电装置的实时运行进行动态仿真, 旨在辅助城轨电网的设计和建设; 但是针对牵引供电系统继电保护仿真的软件研究还很欠缺[1,2,3,4,5]。
与交流系统相比,轨道交通直流系统的继电保护定值计算与校验手段相对落后。由于缺乏统一的整定规程,往往由技术人员根据保护装置的说明书,结合工作经验给出,线路正式投运之前,会进行列车的试运行,在此过程中,如果未发生开关跳闸等异常现象,则校验成功,系统将正式投入运行。显然,这种校验方式是不够充分的,仅能够保证在部分正常运行情况下保护不会发生误动,无法保证在故障或异常情况下保护能够及时、正确地动作。即使考虑周全,试验系统上的校验也无法考虑到所有复杂情况,而且随着线路复杂性的提高,工作量的加大,出现错误的几率也会随之增高,这与城市交通对安全性的高要求不相匹配。
本研究针对轨道交通直流牵引系统的继电保护定值缺乏有效验证手段的问题,开发相应的仿真校验软件。
1直流牵引供电系统保护仿真软件的需求
轨道交通直流牵引供电系统主要特征如下: 1一条运行线路上分布着若干个牵引变电站,牵引变电站中的整流机组将交流电流整流后提供给直流牵引网, 为列车供电。直流牵引网由直流母线、馈线、回流线、 接触网、钢轨和架空地线构成,运行中的列车通过受电弓从接触网上获得电能,再由钢轨回流; 2为了方便故障的切除,接触网是分段的,每段接触网由两侧的牵引变电站共同供电,保护装置安装在站内的馈线开关上, 当某段线路发生短路时,两侧的馈线开关都要跳开,以实现故障切除; 3电动机车是系统的唯一负荷,由于列车启停和位置变动等原因,负荷电流的波动范围较大。 典型的双边供电直流牵引系统如图1所示。
供电系统保护仿真软件需要具备如下功能:
( 1) 图形界面。要实现的功能包括: 1对一些需要由用户给定的数据,软件为其提供录入界面; 2提供图形建模区域以及与轨道交通实际设备相对应的图元工具箱; 3提供软件功能触发按钮,用户可以通过该接口触发短路电流计算功能和保护定值校验功能; 4能够输出软件的运行结果,用户可以查询各个开关处的短路电流及保护定值校验单。
( 2) 短路电流计算功能。由于系统负荷的波动性较大,仅进行稳态短路电流计算不足以区分正常的负荷波动和较小的短路电流,因此,软件需要同时采用稳态短路计算模型和暂态短路计算模型,通过对短路后馈线开关处暂态电流波形的分析,实现故障和负荷波动的区分。
( 3) 保护定值校验功能。在满足选择性、灵敏性和速动性3个基本要求的前提下,软件在校验过程中, 既要能够对单个保护进行校验( 其他保护闭锁) ,也要能够对保护之间的配合进行校验: 1区内故障时两端的馈线开关能够快速跳开; 2区外故障时馈线开关不能跳开; 3列车启停电流的波动不能导致保护误动。 制定校验规程时必须要遵循这3条原则。
2软件的结构及功能的实现
2.1软件的功能组成
软件的主要功能: 在分析各类接触网短路条件下, 馈线开关处短路电流的分布状况,校验开关所配置的继电保护整定值是否合理并给出修改意见。软件旨在减少馈线开关保护的误动和拒动,指导运营人员修改不合理的保护整定值。
该软件的功能架构如图2所示。
该软件架构中,基础数据录入功能为用户提供访问数据库的界面,实现添加建模及仿真所必须的基础数据,如各种型号的导线模型,各种型号电动机车启停的负荷电流模型,线路实际运行的保护整定单等。图形建模功能为用户提供图元工具箱,实现创建轨道交通电路图的绘制和参数录入,拓扑检查成功后存入数据库中。仿真功能使用接口为用户提供使用短路电流计算和保护定值校验模块的界面。短路电流计算和保护定值校验是系统的核心计算模块,它们从数据库中读取计算模型,并将计算结果保存到数据库中。用户通过图形界面所提供的查询窗口查看各个开关的短路电流情况和保护定值的校验结果。
2.2图形界面
( 1) 基础数据录入。在建模和仿真的过程中,需要从数据库中调用一些基础数据,这些数据由用户根据实际情况提前录入。其数据录入的类型如下:
1材料模型录入。录入当前轨道交通中常用的材料类型,以便用户在图形建模过程中,按照线路的实际情况选择材料。当材料类型不足时,可以在该录入界面下添加新材料类型并保存到数据库中。
2电动机车负荷电流曲线录入。电动机车是直流牵引供电系统的唯一负荷,机车的频繁启停会导致负荷电流的较大波动,严重时会导致保护误动,因此,机车负荷电流曲线将作为校验保护定值的一项依据。这里的机车负荷电流曲线是指,车辆运行过程中,馈线开关处所检测到的电流与运行时间的关系。负荷电流曲线会根据车型和线路的具体情况发生变化,一般应该由用户将现场录波仪器所采集到的负荷电流数据录入软件中,若现场无录波仪器,则根据车型选择软件提供的标准负荷曲线作为后续定值校验的依据。
3保护整定单录入。保护定值校验需要由用户提供待校验的保护定值整定单,软件的图形界面提供了录入接口。
( 2) 图形建模。图形建模是应用软件实现人机交互所必备的基础功能。该软件的一大核心特色就是图模一体化,用户通过对软件提供的图形元件进行参数修改和连接,搭建模拟实际线路的系统,有别于Simulink等大型电力仿真软件,该软件的图形建模功能有如下两个特色:
1提供了轨道交通建模所需的图元工具箱,图形元件分别对应于轨道交通中常见的电气构件; 元件参数根据城轨交通的自身特点进行了调整,同时添加了一些轨道交通所独有的复合元件 ( 如钢轨,接触网等) 。用户建模时,不需要再对各个元件进行阻抗上的折算,只需根据实际情况,输入线路距离、选择材料类型和电压等级。
2当系统较大时,软件允许将之拆分成几个子系统,分列在不同的图层中。软件提供的“拷贝”功能,支持同名元件同时出现在两个子系统中,这样设定的好处是,节省建模时间的同时,还可以通过这一元件实现子 系统之间 的互联,增加建模 图形的可 读性。
( 3) 仿真功能使用接口。软件的仿真功能使用接口为用户提供了使用短路电流计算和保护定值校验功能的入口界面。进行短路电流计算时,软件提供故障类型和故障位置的设置界面,故障信息输入完成后,软件调用短路电流计算模块,并将运算结果保存到数据库中。
进行保护定值校验时,软件提供保护校验设置界面,用户可以对单一保护进行校验,也可以进行所有保护的全自动校验,还可以对某些不关心的保护进行闭锁,设置完成后,软件调用保护定值校验模块,并将运算结果保存到数据库中。
( 4) 运行结果查询。仿真完成后,用户可以在软件提供的查询窗口中查看短路电流计算结果和保护定值校验结果。
2.3短路电流计算
直流牵引供电系统接触网短路的仿真过程中,该软件同时采用了稳态短路计算模型和暂态短路计算模型,前者可以得到故障后各个馈线开关处的稳态电流值,后者可以得到短路发生瞬时各个馈线开关处的电流变化情况。
稳态短路计算模型。直流牵引供电系统由整流机组和牵引网两部分组成,牵引网中的各类电气元件 ( 如钢轨、直流馈线等) 在稳态仿真时都可用阻抗参数来等效,关键在于如何确定整流机组的电压电流外特性。
文献[6]从经典的6脉波整流机组3折线模型出发,推导得出了12脉波整流机组的5折线模型,而现今上海、南京等大多数城市地铁所普遍采用的等效24脉波整流机组是由两个12脉波整流机组并联而成,这种条件下,5折线模型同样适用。
针对主流的等效24脉波整流机组,该软件采用上述的5折线外特性模型,每段折线分别对应一个工作区间。计算开始时,假定所有机组都工作于第一区间, 如果有任意一台机组的输出负荷不在其工作区间内, 则对其进行调整。调整的流程如图3所示。
实际上,当某段线路发生短路时,只需对短路点两侧各两个站( 共4站) 进行机组工作区间的调整, 其他整流机组距离远,提供的短路电流小,可以忽略不计。因此,即使线路复杂,软件也能有较快的运行速度。计算结束后,稳态短路电流计算的结果保存到数据库中。
暂态短路计算模型。暂态电流计算涉及的因素较为复杂。一方面,随着负载电流的变化,整流机组的工作区间会发生改变,等效内阻也必然随之改变; 另一方面,短路位置的不同,外部等效阻抗也会发生变化。暂
态短路电流很难用一种模型准确计算。
在计算接触网短路暂态电流的研究中,国内外普遍将其分为近端短路和远端短路。文献[7]中给出了接触网近端短路的计算模型,它忽略了外部线路的阻抗,通过分析整流桥臂的导通情况,最终得到出口短路的暂态电流公式; 文献[8]中给出了接触网远端短路的计算模型,因为整流器内阻可以忽略,而短路位置及短路类型确定后,在不考虑集肤效应的前提下,外电路的阻抗也能够确定,所以,理想条件下短路电流呈简单的指数曲线上升。
实际条件下,必然存在“两个阻抗数量级相当,互相都不能忽略”的情况,因此,仅仅依靠这两种模型是不足以准确得到接触网任意位置短路的暂态电流波形的。针对这种情况,本研究进行了深入的研究,得到了一种折中的模型[9],该模型的核心思想是,将两种经典模型的计算结果进行加权处理,再相加作为最终的计算结果,权重系数与短路位置( 在公式中体现为外阻抗的电阻值和电抗值) 存在着一定的函数关系,距离出口越近近端短路模型越占主导作用,距离出口越远远端短路模型越占主导作用。仿真实验证明,在短路之后的几个周波内,该模型的计算值是准确的,可以满足后续的校验需求。
2.4保护定值校验
轨道交通直流牵引系统的保护装置配置在馈线开关上,以西门子公司生产的Sitras Pro装置为例,配置的保护包括: 电流速断保护、过流保护、电流上升率保护、电流增量保护、欠压保护和阻抗保护等。该软件的校验功能包含两部分: 对单一保护原理的校验以及支持保护闭锁的全自动校验。
单一保护原理的校验。该软件对单一保护原理进行校验时,需要闭锁其他保护原理。轨道交通直流牵引系统的主保护包括电流速断保护,以及电流斜率保护[10],后者又包括电流增量保护和电流上升率保护两个模块。与交流电网的三段式保护不同的是,这两类保护是互为后备的。当短路发生在接触网近端时,短路电流迅速上升,会在极短的时间内到达电流速断保护的整定值,但此时还未达到电流斜率保护的最小延时,因此,电流速断保护会优先动作,电流斜率保护作为后备保护延时动作; 当短路发生在接触网远端时,短路电流上升相对缓慢,一般情况下,电流速断保护的整定值较高,短路电流会经过较长的时间才能到达动作值,这种情况下,电流斜率保护会优先动作,而电流速断保护将作为后备保护延时动作。两者的配合保证了故障发生后保护的速动性,因此需要对这两类保护的定值进行更加严格的校验。
电流速断保护校验。设短路发生后,馈线开关处的稳态电流值为I,保护的整定值为Imax( A) 。
故障位置设置在本段线路的中点,短路类型为接触网对架空地线短路,若开关处电流I > k Imax,( k≈ 1. 2) ,则定值Imax满足灵敏性; 反之,灵敏性不足,需要适当降低整定值。故障设置在线路中点的原因是,系统工作于双边供电模式,两端的电流速断保护共同保护线路的全长。
短路故障设置在下级线路的出口,短路类型为接触网对钢轨短路,若开关处电流I < k Imax,( k≈0. 8) ; 则定值Imax满足选择性,反之,不满足选择性,应该适当提高整定值。
电流增量保护校验。设电流增量保护的启动整定值为E( A/ms) ,跳闸值Itrip( A) ,该保护的校验需要结合电动机车的负荷电流。
设一辆机车启动过程中的最大电流变化率为A, 若E > k A,( k≈1. 2) ,则定值E满足选择性; 反之,机车负荷电流会导致保护的误启动,需要适当提高整定值。
设机车启动过程中的最大电流冲击电流为Istart, 若Itrip> k Istart,( k≈1. 2) ,则定值Itrip满足选择性; 反之, 机车负荷电流会导致保护的误启动,需要适当提高整定值。
电流上升率保护校验。设电流上升率保护的动作值为F( A/ms) ,保护延时整定值为tdur( ms) ,该保护主要用于区分远端短路电流和机车启动电流,原则上,延时越大越有利于躲开机车启动电流的冲击时间。
短路位置设置在本段线路的末端,短路类型为接触网对架空地线短路,通过暂态短路仿真得到馈线开关处的电流波形,获得t = 0 ~ tdur时间内馈线开关处的电流值,计算得出该短时间内的发热量,若超出线路的热承受范围,则需适当减少延时整定值;
短路位置设置在本段线路的末端,短路类型为接触网对架空地线短路,通过暂态短路仿真得到馈线开关处的电流波形,获得t = tdur时刻的电流上升率B,若B > k F,( k≈1. 2) ,则定值F满灵敏性; 反之,灵敏性不足,需要适当降低整定值。
后备保护校验。与交流电网相似,后备保护的保护范围一般超出本段线路,需通过较长时间的延时来完成与主保护之间的配合。针对这一特点,该软件对后备保护仅进行灵敏性校验,故障位置一律设置在该段线路的末端,故障类型为接触网对架空地线的短路。
全自动校验。全自动校验模式下,用户勾选出参与校验的保护,闭锁掉不参与校验的保护。该软件在运行的过程中,会根据参与校验的保护类型,按照上述的校验原则,自动设置短路位置及短路类型,全部计算完成后,系统会将未通过校验的保护定值及调整建议保存到数据库中,用户可以在查询界面查看结果。
3算例分析
以上海地铁为例,本研究取临平路至浦东南路共4个站点3段线路作为仿真对象,对上体馆站下行线路馈线开关的主保护定值进行校验,站点分布情况如图4所示。
仿真参数如下所示( 其中序号1,2,3,4分别对应从左到右的4个站) :
( 1) 整流变压器参数如表1所示。
( 2) 整流器容量: 3. 600 MW;
( 3) 站间距:1 ~2:3 468 m;2 ~3:2 373 m;3 ~4:2 461 m;
( 4) 钢轨单位电阻: 0. 030 Ω/km; 钢轨单位电感: 1. 498 m H / km;
( 5) 接触网单位电阻: 接触线0. 058 3 Ω/km; 承力索0. 074 4 Ω/km; 辅助馈电线0. 058 3 Ω/km; 即总单位电阻为0. 058 3 / /0. 074 4 / /0. 058 3 = 0. 020 9 Ω/km; 电感忽略不计;
( 6) 架空地线单位电阻0. 145 8 Ω/km; 单位电感1. 194 6 m H / km;
( 7) 整流机组与母线连接线单位电阻0. 047 Ω / km; 母线与接触网( 馈线) 单位电阻0 . 047 Ω / km; 整流变与整流器单位电阻0. 043 74 Ω /km; 电感忽略不计。
软件的仿真建模界面部分示意如图5所示。
仿真中,设置的主保护的整定值如表2所示。该整定值为线路实际运行中所采用的整定值。
本研究按照线路的实际参数进行图形建模,输入整定单,分别对浦东大道站的电流速断保护、电流增量保护及电流上升率保护进行校验,校验完成后,在图形界面中可以查询校验结果,输出到excel表格中的校验单如图6所示。
图6中,第一行校验的是电流速断保护的灵敏性, 短路位置设置为线路中点,接触网对架空地线短路,短路电流要小于接触网对钢轨短路的情况,此时如果能够可靠动作,则说明区内故障均能够动作,保护的灵敏性达到要求; 第二行校验的是电流速断保护的选择性, 短路位置设置在下段线路的出口,接触网对钢轨短路的短路电流要大于对架空地线短路的情况,此时如果保护仍未动作,则说明保护不会越区跳闸,满足选择性的要求。其他行的情况类似。软件的校验结果表明, 上述各主保护的整定值满足灵敏性和选择性的要求, 保护不会发生误动和拒动的情况。
4结束语
直流牵引 篇8
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。
1 大电流脱扣保护
该保护属于开关自带, 用于切断大的短路电流。大的短路电流对线路会造成巨大的损坏, 故大的短路电流一出现应立即切断, 其切断时刻应在其达到电流峰值之前。
假设被保护线路短路电流的最小值为Idmin, 动作电流整定为Idz>k Idmin (其中k为可靠系数) , 一旦检测到瞬时电流超过动作电流时, 立即跳闸, 其固有动作时间仅几毫秒, 所以大电流脱扣保护非常灵敏, 尤其电流上升非常快的近端短路, 往往先于电流上升率及电流增量保护动作。
2 电流上升率保护 (di/dt) 和电流增量保护 (ΔI) 中谁较早激活就由谁决定跳开高速直流断路器。
延时跳闸元件主要起识别远端短路电流并跳该保护作为馈线保护的主保护, 他既能切除近端短路电流, 也能切除大电流脱扣保护不能切除的故障电流较小的远端短路故障。该保护克服了单独 (di/dt) 保护受干扰而误动, 以及 (ΔI) 保护存在拒动现象的缺点。保护动作特性分为两部分, 瞬时跳闸和延时跳闸。
保护原理:在运行当中, 保护装置不断检测电流上升率。当电流上升率在给定的时间T1内高于保护设定的电流上升率F时, di/dt保护启动, 进入延时阶段。若在整个延时阶段, 电流的上升率都高于保护的整定值, 则保护动作;若在延时的阶段, 电流上升率回落到保护整定值之下, 则保护返回。图1为保护的动作特性。曲线1在A点处di/dt>F, 保护启动, 经延时在B点处发跳闸命令。曲线2是列车加速时的电流曲线, 由于di/dt未超过F, 保护不动作。 (见图1)
在di/dt保护启动的同时ΔI保护也启动进入保护延时阶段, 从ΔI保护启动的时刻开始继电器以启动时刻的电流作为基准点计算相对电流增量。若电流上升率一直维持在di/dt保护整定值之上, 在达到ΔI延时值后, 电流增量达到ΔI保护整定值, 则保护动作。在计算电流增量的过程中允许电流上升率在相对较短的时间内回落到di/dt保护整定值之下。只要这段时间不超过di/dt返回延时整定值, 则保护不返回;反之保护返回。图2是保护的动作特性, 图中F为di/dt的整定值, 在A点曲线电流上升率超过F, K为故障时的最小电流增量, T2为ΔI延时整定值。当检测到的电流增量小于K时, 可以肯定不是故障情况;若大于K则有可能是故障情况, 需检测其他参数 (如t或I) 来进一步判断。 (见图2)
对图中各曲线的分析如下:a.曲线1的电流增量小于K, 肯定不是故障情况, 该电流曲线实际表示机车在距离牵引变电所很远处启动时的机车启动电流。b.曲线2的电流增量小于K, 也肯定不是故障情况。c.曲线3的电流增量虽然超过ΔI整定值, 但电流变化率的延时时间不足 (小于T 1) , 在这一段时间内不作ΔI的判断, 经过几毫秒的延时后电流就开始下降, 故不是故障情况。该曲线实际表示列车的电杆架接触, 电容器充电的线路电流曲线。d.曲线4的电流增量超过ΔI整定值, 延时时间也满足, 故可以肯定是故障情况。e.曲线5的电流增量超过K, 有可能是故障情况。再检测电流上升持续时间, 发现其值超过了di/dt延时整定值, 则肯定是故障情况。如果此时没能通过检测时间t参数来激活电流变化率di/dt保护, 则电流增量保护动作使直流馈线断路器跳闸清除故障。f.曲线6的电流增量超过K, 有可能是故障情况。在电流上升的过程中, 电流上升率回落到di/dt整定值以下, 且超过了di/dt返回延时值, 因此保护返回。在B点保护重新启动, 并以B点作为新基准点。该曲线是列车驶进车站的电流变化曲线。
对于远端故障电流由于其上升的速率比近端的慢, 峰值也小很多, 通常与列车启动或通过接触网分段时的电流瞬时峰值相近, 甚至小于该电流。所以远端故障电流与列车启动电流的区分是变电所直流保护的难点。
3 过流保护
可作为上述两种保护的后备保护。在保护控制单元预先整定电流Imax值和时间T值。当通过直流馈线短路的电流值在预先设定的时间T内超过Imax值时, 过流保护装置动作使直流馈线断路器跳闸来清除故障。显然, Imax值应小于大电流脱扣保护装置动作值Idz。对于I-max值的设定, 可分别设定正反方向的Imax+值和Imax-值。
4 自动重合闸
使用自动重合闸的目的是为了在瞬时性故障消除后使线路重新投入运行, 从而在最短的时间内恢复整个系统的正常运行状态。对于直流牵引系统, 经常会发生短路而使过流脱扣器经常动作。但由于大部分短路故障是短暂的, 所以使用自动重合闸系统可提高系统的可靠性。断路器每隔一段时间 (时间长短可调节) 重合闸一次。如果重合闸的次数超过预定的次数, 合闸仍不成功, 则认为是永久性故障, 闭锁重合闸回路。
由于近几年整流变电所采取了上述一系列保护, 使得多次架线烧断接地都能及时跳闸, 从而有效的保护了线路及设备, 避免了架线回火及烧毁电力机车等事故的发生, 为矿区铁路运输生产的安全提供了技术支持。
摘要：随着鹤岗分公司铁路运输部直流牵引电力机车运用台数的增加, 直流牵引供电系统可靠的直流保护是十分必要的。
直流牵引 篇9
近年来, 随着城市轨道事业的蓬勃发展, 以往的地铁直流牵引供电系统控制及保护装置的性能及技术特点已不能完全满足地铁运行的全部要求。新型设备的研发、应有已形成行业不可逆的发展形势。
目前, 国外厂家依靠其雄厚的技术实力几乎占据了整个国内城市轨道交通市场。国外研制开发的直流继电保护装置主要有Adtranz公司的DCP 106型继电保护装置, WHIPP&BOURNE公司的MTR-10、MTR-20、MTR-30等型号的继电保护装置, SIEMENS公司的SITRASDPU96型继电保护装置以及Secheron公司的SEPCOS继电保护装置等。上述装置都已经发展了多代产品, 本文将详尽阐述、研究DCP 106型继电保护装置的功能管理及直流系统短路试验的录波分析。
1 系统简介
国内现行牵引供电系统多采用DC750V和DC1500V两种电压等级。在正常运行时, 两套整流机组并联运行, 牵引网越区隔离开关打开, 相邻的两座牵引变电所构成双边供电方式, 共同向其供电范围内的接触轨供电。
运营初期和近期, 当其中一套整流机组发生故障时, 另一套整流机组在其允许的负荷能力情况下, 可维持向接触轨提供电源。
运营远期, 一套整流机组发生故障时, 另一套整流机组同时退出运行, 该牵引变电所解列, 与其相邻的两座牵引变电所通过故障所处的接触轨越区隔离开关, 共同对退出运行的牵引变电所供电范围的电动车组进行大双边越区供电。
当正线任一座牵引变电所解列时 (不含线路端头的牵引变电所) , 由相邻的两座牵引变电所越区构成“大双边”供电。
当线路端头牵引变电所解列时, 由相邻的牵引变电所单边供电。见图1。
2 保护及控制装置
2.1 保护及控制装置的功能
(1) 独立过电流保护。此保护功能显示一条确定的不受时间影响的特性曲线, 它的作用是防短路电流。
(2) 热反向保护和过电流保护。此保护功能显示过电流和热反向保护特性曲线, 它的作用是防止配电设备热过载、防止馈电线路段产生过电流。
(3) 上升变化率保护。由于上升变化率保护具有上升有关 (di/dt) 和变化有关 (ΔI) 的限流功能, 所以它提供了更广泛的保护。
(4) 电缆监视。检测电力电缆的绝缘故障。可以对电力电缆实施同步和独立监控。
(5) 线路测试。在合闸直流断路器前, 综合线路测试功能承担检测线路段是否存在短路故障。如果线路段存在故障和异常, 线路测试也会自动重合闸直流断路器。
(6) 事件分析和记录功能。
综合事件功能允许连续分析各类故障:
信息存储器按时间顺序记录出现的告警和故障信息。
如果发生脱扣, 则记录实际信号和测得数值。
2.2 通讯网络接口
鉴于行业发展的趋势和通信网络稳定运行等特点, 直流系统通信方案采用光线以太网网络。见图2。
其网络有以下优点:
(1) 大大降低了通信控制器的复杂程度和CPU负载;
(2) 讲不通通信网络转换为统一的通信接口, 管理更为简单;
(3) 网关将不同间隔层的设备影响降到了最低;
(4) 网关将间隔层设备自身的通信网络故障隔离在网关意外, 不会影响到铜线控制器的工作。
3 控制及保护装置功能管理
由于控制机保护系统的配置全面, 为实际系统运行提供了广泛的可选空间。所以, 一下将详尽阐述保护装置一些常备的重要功能管理内容。
3.1 独立过电流保护
带定时限特性曲线的独立过电流保护功能是用来保护馈电线路段免受短路电流的影响。
变送器测量线路工作电流。见图3。
如果测得的线路电流超过整定值I>>, 则保护功能动作并起动延时段。如果延时t>>段后 (保护功能) 动作状态仍存在, 则生成一个使脱扣逻辑电路动作的脱扣指令。
为了选择与方向有关的保护功能, 可分别调整馈电电流和再生电流的保护动作整定级。
3.2 上升变化率保护
上升变化率保护是通过限制与上升 (di/dt) 有关的和与变化 (ΔI) 有关的电流来保护馈电线路段。
在这种情况下, 上升率保护充分利用线路段的物理性能。稳态短路电流和时间常数的大小与短路环线长度的变化有关。也就是说, 短路环线 (远端短路点) 越长, 稳态短路电流越小, 时间常数越大。
从线路段的这种特性曲线来看, 合成短路电流有一个与电流上升 (di/dt) 和电流变化 (ΔI) 有关的特定范围。见图4。
根据线路段的物理性能, 下列任务可以归入上升率保护:
(1) 早期切断大短路电流;
(2) 区分工作电流和短路电流, 并切断短路电流。
上升率保护通过一个变送器对检测到的线路段工作电流进行评估分析, 如果超过整定值, 则生成一个使脱扣逻辑动作的脱扣指令。
从电流上升保护的特性曲线中可以推断出保护功能的脱扣与测得电流起始上升率 (di/dt) 和最低电流变化 (ΔI) 有关 (即三者之间的函数关系) 。
保护系统动作之后, 在INS信道 (特性曲线的右侧-瞬时信道的工作范围) 或者在DEL信道 (特性曲线的左侧-延时信道的工作范围) 对测得的电流进行评估分析。
保护特性曲线两个工作范围之间的界限取决于测得电流的起始上升率 (di/dt) 。如果起始上升率 (di/dt) 高于设定的di/dt ins点, 则在INS-信道 (瞬时信道) 进行评估分析;如果起始上升率 (di/dt) 低于设定的di/dt ins点, 则仅在DEL (延时信道) 范围进行评估分析。
保护特性曲线的灵敏度可以分别确定, 用设定dl del确定DEL信道的灵敏度, 用设定dl ins确定INSL信道的灵敏度。
DEL信道是用来区分远离变电所的工作电流和短路电流, 变电所的电流变化 (ΔI) 和上升率 (di/dt) 相对较小。
INS信道是用来检测位于变电所近端的且上升率 (di/dt) 大的短路。
INS信道的脱扣。见图5。
INS-信道应能早期检测多半位于变电所近端的而且电能高的短路, 并能快速反应使直流断路器脱扣。早期检测的目的是减少直流断路器的通态电流, 从而降低开关的磨损。
当被测电流的电流上升 (di/dt) 超过设定的di/dt ual时, 则使INS信道的上升率保护动作。同时从保护动作瞬间起连续不断确定合成电流的变化 (ΔI) 。
如果测得的电流变化 (ΔI) 超过设定的dl ins, 则立刻生成一条使脱扣逻辑动作的脱扣指令。
DEL-信道的脱扣:
上升率保护中, INS-信道用于检测发生在近端的各种短路;DEL信道用于检测发生在远离变电所的各种短路。
当被测电流的电流上升率低于设定di/dt ins点时, 会启动DEL信道的上升率保护。保护启动瞬间时的实际电流可作为以后检测合成电流变化 (ΔI) 的基值。
在电流上升率下降或下跌后以及在增加延迟时间t del后, 如果被测电流变化 (ΔI) 超过设定dl del点, 则生成一条使脱扣逻辑动作的脱扣指令。
从图6可以看出, 在t del时间段, 可以抑制意外脱扣, 特别是对电流到达峰值之后趋于下降的电流曲线来说更是如此。
3.3 线路测试
一般来说, 直流牵引电网线路段的供电是利用直流断路器由开关柜提供, 而直流断路器的通/短功能可以通过线路测试来完成。见图7。
合闸直流断路器前, 由线路测试功能测试线路段以确保通过一系列测试后线路段已无短路。为了确定线路段是否存在短路现象, 线路测试功能承担分析待测线路段的电阻值。为此, 在直流断路器两端并联一个电阻测试回路, 通过它向待测线路段短时施加电流。了解测试回路的测试电阻与线路段的剩余电阻后, 确定如何自调测试电流。分析测试电流和线路段上合成电压降来推算剩余电阻。
根据下式得到测试值:
4 系统短路试验
在直流系统的短路试验测试中, 检测控制及保护装置的性能, 更是通过装置本身的故障录入功能实现对故障的深层次分析及处理。
4.1 试验准备
根据直流牵引系统的供电原理, 选择供电分段。检测供电分段内直流馈线隔离开关和断路器的位置是否满足试验要求, 做好安全防护。
4.2 试验接线
(1) 试验区段供电分段示意图如图8。
(2) 短路试验接线示意图如图9。
(3) 短路试验接线示意图如图10。
4.3 波形分析及数据整理与计算
试验结束后, 同过保护及控制装置与调试计算机的数据录入, 把相关试验数据进行整理分析。现以一既有试验为例。见图11、图12。
最大短路电流估测值:Imax=11000KA
开关的开断时间估测值:T=98.7ms
直流母排的电压实测值:Ud=-430V
根据波形分析得, 此设备在短路瞬间短路电流达到峰值。动作时间在标准范围内延时启动断路器分闸动作。
5 结语
基于我国城市轨道交通事业的蓬勃发展趋势, 对现行直流保护装置的研究更需深入进行。尤其在轨道交通供电工程施工及委托管理阶段, 施工单位是否有能力确保系统的安全运行, 绝对取决于对设备保护及控制装置的掌握程度。这就要求我们在未来的施工及管理过程中, 要深入研究、切实掌握、紧跟技术潮流。只有这样才能在工程建设施工管理中取得领先地位。
参考文献
[1]陈民武, 李群湛, 智慧, 杨博.牵引供电系统设计方案的综合评判[J].高电压技术, 2010 (02) .
[2]魏光.基于V型接线的同相牵引供电系统[J].电力自动化设备, 2010 (12) .