地铁供电系统直流侧短路故障研究
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摘要
地铁供电系统,是地铁工程中重要机电设备系统之一,它担负着为地铁列车和各种辅助设备供电的重要任务。供电系统的安全性,关系着乘客安全、运营人员安全、行车安全、设备安全等多个方面。直流系统短路故障分析即是地铁供电系统设备选型及继电保护整定计算的依据,同时也是保证继电保护可靠性、选择性、灵敏性及速动性的基本条件,为地铁供电系统的安全性提供了必不可少的保障,具有重要意义。
本文对地铁供电系统的结构进行了分析,结合地铁供电系统的主变电所、牵引变电所、牵引网三大部分的结构特点,将从城市电网到主变电所部分采用阻抗等效的计算方法,着重分析以牵引变电所与牵引网作为基础结构的供电系统直流侧短路电流的计算方法。
首先在分析各种牵引变压器及整流器的基本结构的基础之上,着重分析当前应用较为广泛的24脉波整流器在不同负载情况下的导通过程及短路电流计算方法。以此为基础,研究了将整个牵引供电系统作为一个整体的短路电流计算方法,建立仿真计算模型,并形成算法。然后采用LU分解法,在VC++/MFC基础上开发了地铁供电系统短路计算软件。最后通过仿真结果与上海地铁3号线的短路实验结果的对比,验证了软件计算结果的可靠性。
在仿真计算的基础之上,通过理论分析得到,24脉波整流电路在轻负载或短路的情况下,桥臂三相电流趋于对称的特点。提出了24脉波整流电路近端短路电流计算方法,并推到了简化计算公式,最后通过Matlab仿真验证了计算方法的正确性。然后以6脉波整流电路远端短路电流理论计算方法为基础,推导了24脉波整流电路远端短路电流计算方法。建立了较完善的24脉波整流电路理论分析方法,可为地铁供电系统短路分析及设备选型的理论分析提供基础。
本文短路故障分析是建立在各种牵引网线路保护方式基础之上的,如大电流脱扣保护、电流变化率及电流增量保护、过电流保护等。文中针对以上几种保护方式的若干关键问题进行了详细分析,如电流变化率、最大短路电流、供电回路时间常数、稳态短路电流等。
As China's rapid economic development and the acceleration of urbanization, for most of cities subway construction has become the best choice to ease traffic pressure and to reduce environmental pollution, and the best economic use of land. So the number of subway lines in major cities is increasing. Metro power supply system is one of the important electrical equipment in the subway system, which bears the subway trains and various auxiliary equipment supply task. Power system security is important for the safety of passengers, operations personnel safety, traffic safety, equipment safety and other aspects. Fault Analysis of DC system is not only the basis of power supply system equipment selection and protection setting, but also ensure the protection reliability, selectivity and sensitivity, which provides power supply system the essential security protection.
In this paper, the structure of Metro power system was analysis, and power supply system was divided into the main substations, traction substations, traction network. Substation from the city grid to the main substations was equivalent into impedance, analyzes was focus on the traction substation and traction network as main infrastructure, to calculate the dc-side short-circuit current. First, based on the basic structure of a variety of traction transformer and rectifier, the widely used 24-pulse rectifier was analyzed under different load conditions. On this basis, the short circuit current calculation method of power supply system was analyzed. Then based on VC++/MFC and LU decomposition method, the development of the Metro power system short circuit calculation software was realized. With the comparison of the simulation results and the Shanghai Metro Line 3 the short circuit testing results, reliability of the software was verified.
On the basis of the simulation, the analysis method of the short circuit current calculation was analyzed, and a simplified appropriate model for the Metro power system short circuit was established, which can provide the theoretical basis for system analysis and equipment selection.
Meanwhile, in this paper the short-circuit failure analysis is based on the line protection means, such as high current trip protection, current incremental and rate protection, over current protection and so on. And a number of detailed analysis for the key issues of those protection methods were analyzed, such as the current rate, the maximum short circuit current, time constant, steady-state short-circuit current ext.
本文对地铁供电系统的结构进行了分析,结合地铁供电系统的主变电所、牵引变电所、牵引网三大部分的结构特点,将从城市电网到主变电所部分采用阻抗等效的计算方法,着重分析以牵引变电所与牵引网作为基础结构的供电系统直流侧短路电流的计算方法。
首先在分析各种牵引变压器及整流器的基本结构的基础之上,着重分析当前应用较为广泛的24脉波整流器在不同负载情况下的导通过程及短路电流计算方法。以此为基础,研究了将整个牵引供电系统作为一个整体的短路电流计算方法,建立仿真计算模型,并形成算法。然后采用LU分解法,在VC++/MFC基础上开发了地铁供电系统短路计算软件。最后通过仿真结果与上海地铁3号线的短路实验结果的对比,验证了软件计算结果的可靠性。
在仿真计算的基础之上,通过理论分析得到,24脉波整流电路在轻负载或短路的情况下,桥臂三相电流趋于对称的特点。提出了24脉波整流电路近端短路电流计算方法,并推到了简化计算公式,最后通过Matlab仿真验证了计算方法的正确性。然后以6脉波整流电路远端短路电流理论计算方法为基础,推导了24脉波整流电路远端短路电流计算方法。建立了较完善的24脉波整流电路理论分析方法,可为地铁供电系统短路分析及设备选型的理论分析提供基础。
本文短路故障分析是建立在各种牵引网线路保护方式基础之上的,如大电流脱扣保护、电流变化率及电流增量保护、过电流保护等。文中针对以上几种保护方式的若干关键问题进行了详细分析,如电流变化率、最大短路电流、供电回路时间常数、稳态短路电流等。
As China's rapid economic development and the acceleration of urbanization, for most of cities subway construction has become the best choice to ease traffic pressure and to reduce environmental pollution, and the best economic use of land. So the number of subway lines in major cities is increasing. Metro power supply system is one of the important electrical equipment in the subway system, which bears the subway trains and various auxiliary equipment supply task. Power system security is important for the safety of passengers, operations personnel safety, traffic safety, equipment safety and other aspects. Fault Analysis of DC system is not only the basis of power supply system equipment selection and protection setting, but also ensure the protection reliability, selectivity and sensitivity, which provides power supply system the essential security protection.
In this paper, the structure of Metro power system was analysis, and power supply system was divided into the main substations, traction substations, traction network. Substation from the city grid to the main substations was equivalent into impedance, analyzes was focus on the traction substation and traction network as main infrastructure, to calculate the dc-side short-circuit current. First, based on the basic structure of a variety of traction transformer and rectifier, the widely used 24-pulse rectifier was analyzed under different load conditions. On this basis, the short circuit current calculation method of power supply system was analyzed. Then based on VC++/MFC and LU decomposition method, the development of the Metro power system short circuit calculation software was realized. With the comparison of the simulation results and the Shanghai Metro Line 3 the short circuit testing results, reliability of the software was verified.
On the basis of the simulation, the analysis method of the short circuit current calculation was analyzed, and a simplified appropriate model for the Metro power system short circuit was established, which can provide the theoretical basis for system analysis and equipment selection.
Meanwhile, in this paper the short-circuit failure analysis is based on the line protection means, such as high current trip protection, current incremental and rate protection, over current protection and so on. And a number of detailed analysis for the key issues of those protection methods were analyzed, such as the current rate, the maximum short circuit current, time constant, steady-state short-circuit current ext.
引文
[1]于松伟.城市轨道交通供电系统设计原理与应用.第1版.西南交通大学出版社,2008年
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[4]J.C. Brown, PhD. Calculation and measurement of rail impedances applicable to remote short-circuit fault currents. IEE PROCEEDINGS-B, JULY 1992:Vol.139, No. 4
[5]Paolo Pozzobon. Transient and steady-state short-circuit currents in rectifiers for DC traction supply. IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, NOVEMBER 1998:VOL.47, NO.4
[6]Yii-Shen Tzeng, Nanming Chen, Modes of operation in parallel-connected 12-pulse uncontrolled bridge rectifiers without an interphase transformer. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, JUNE 1997:VOL.44, NO.3
[7]曹建设,杲秀芳.直流牵引网短路电流的计算.城市轨道交通研究,2008年：第二期,31-34页
[8]乌正康,杨其华.地铁牵引供电网短路稳态仿真分析.铁道学报,1993年3月：第一期,第15卷
[9]李良威.城市轨道交通直流侧短路故障研究.硕士学位论文,成都：西南交通大学,2007年12月
[10]孔玮.城市轨道交通直流牵引系统故障分析及若干问题的研究.博士学位论文,北京：华北电力大学,2005年5月
[11]鲁彦青.牵引供电系统的建模与仿真.硕士学位论文,北京：北京化工大学,2009年6月
[12]李墨雪.直流牵引供电系统建模及基于电流变化特征量的保护算法研究.硕士学位论文,北京：北京交通大学,2010年1月
[13]杜芳.地铁机车建模及直流牵引供电系统故障分析.硕士学位论文,北京：北京交通大学,2010年6月
[14]任韬.城轨牵引供电系统短路试验及短路特征分析.硕士学位论文,北京：北京化工大学,2010年4月
[15]谢方.城市轨道交通直流供电整流机组研究.硕士学位论文,成都：西南交通大学,2009年6月
[16]魏宏伟.城市铁路供电系统仿真软件的开发及其应用.硕士学位论文,成都：西南交通大学,2004年9月
[17]北京城建设计研究总院.GB 50157-2003地铁设计规范
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[41]周凌.多绕组移相整流变压器的设计研究.硕士学位论文,长沙：湖南大学,2007年9月
[42]龚廷志.直流牵引供电系统数学模型与短路计算研究.硕士学位论文,北京：北京交通大学,2009年9月
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