轨道交流供电系统

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MA TLABA/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