直流远程供电范文

直流远程供电范文（精选7篇）

直流远程供电 第1篇

1.1 组网存在的供电问题

基于目前移动通信的特点, 通常都采用将基带单元 (BBU) 和射频拉远单元 (R R U) 进行分离, BBU集中放置在机房, 灵活机动地开展远端R R U模块建设, 既提高了组网效率, 又能满足各类无线环境的通信需求。但是在BBU加R R U的组网方式中, R R U作为远端有源模块, 远离机房设备, 其供电问题就变成了网络建设中的焦点。

1.2 基站建设和维护存在的问题

室外型小基站和拉远站点安装条件差, 取电困难且可靠性不高。各种站型的市电引入问题不好解决, 直接影响后续基站建设的工期, 导致不能按时完成。对于偏远农村的基站, 如果不建设机房, 会因为较偏僻产生安全问题以及停电次数较多、时间较长产生供电问题, 而建设机房后的配套投资明显增大, 投资收益的矛盾突出。

综上所述, 为了解决上述问题我们将直流远程供电系统作为专题, 主要针对南京移动溧水分公司溧水卧龙湖水库北直流远程供电系统进行实践。

2 远供方式

2.1 R R U及远端设备供电解决方案

目前对于R R U及远端设备的供电方案大致分为以下3种。

2.1.1 市电直接供电

即就近接入220 V交流市电直接给R R U单元、室内分布系统 (宏蜂窝基站、室内微蜂窝基站和直放站等) 供电。这种方式就近取电, 损耗小, 但是同样存在供电问题。市电并不是稳定的, 它存在着很多电能质量问题, 例如电压浪涌、高压尖脉冲、暂态过电压、电压下陷、线路噪声、频率偏移、持续低电压、供电中断等。这些质量问题既可以引起系统终端设备硬件老化等相对较轻的不良影响, 也可以导致数据完全丢失或主设备烧毁等较大的事故。而且就近取电又受取电场合等环境的因素的影响很大。

市电直接供电方式存在的问题归纳如下:

1) 供电的可靠性不能得到有效保障。随时受市电供应情况的制约, 如电网检修停电等情况;同时, 本地用电单位或个人经常以各种原因拉闸限电、断电, 导致可靠性差。

2) 普通民用交流电电压波动大, 影响系统设备功效, 极易造成系统终端设备被电源浪涌所冲坏。

3) 安装及维护需供电局、外单位或市民等的协助, 管理成本高。

4) 供电纠纷导致的R R U无法正常工作的情况屡见不鲜。

2.1.2 市电加U P S供电

市电直接供电最直接的考虑是采用一种市电加U PS (不间断电源) 的供电方式, 即在各终端设备旁配备小型U PS。

本地加装U PS解决方案的优点是:技术成熟、价格相对合理、已有大规模应用。

但由于要引入电池设备并安装于室外等环境, 因此也存在许多不足。

第一, 因为U PS设备电池容量有限, 所以小容量U PS后备时间是有限的, 而且U PS主机因大多要处于弱电井或室外安装, 环境非常差, 灰尘多, 所以U PS因环境因素容易损坏;第二, U PS电池的使用寿命受电池充放电次数限制及温度的影响较大, 所以说电池使用寿命对环境气候的依赖性较大, 如V R LA (阀控式密封铅酸蓄电池) 最佳使用温度为25℃左右, 气温每升高10℃, 电池寿命就减半;第三, U PS安装不便, 维护量大 (安装于楼顶、弱电井等, 空间狭小, 维护困难, 需定期巡检, 定期对电池充放电) 维护费用高, 而且更换新电池、处理旧电池所需费用巨大, 电池发生泄漏时可能损坏设备器件;第四, U PS投资成本费用高 (初期成本加每1~2年更换一次蓄电池的费用) , U PS安装点多而分散, 电池容易被盗。同样, 需要远距离拉线时, 必须单独进行管路施工, 无法走弱电管路。

2.1.3 直流远程供电系统

直流远程供电系统是利用宏基站或机房内的大容量通信电源和蓄电池组 (容量大) , 经由局端设备进行D C/D C (直流/直流) 升压, 以电缆、复合光缆为传输介质, 通过能量管理分配器分路监控、隔离、限流, 最后经远端设备转换成末梢网元设备所需的电压等级, 从而实现对末梢网元的不间断供电和电源集中监控的效果。

使用直流供电系统不受当地电网复杂的负荷变化、昼夜变化、电站多样化等因素而产生的电网电压过高或过低的影响。不受当地大型设备开启、关闭等因素而产生的电磁干扰、谐波、闪变和浪涌的影响, 杜绝了当地复杂电力网络中, 直接雷和感应雷对通信设备的损害。所以直流远程供电网络纯净、单一, 供电电压稳定, 可延长设备使用寿命。其特性如表1所示。

3 方案的比较

针对R R U供电解决方案的调研, 对比各解决方案的优缺点从下述几个方面进行比较。

3.1 降低管理成本方面

首先, 采用远程供电的整个流程, 在运营商安装部门内部就能完成, 无需供电局、外单位的协助, 大大降低了管理成本;其次, 采用远程供电系统, 供电部分可以同通信终端设备一起安装, 不需另行铺设专用线路, 大大地节省工程成本, 加快了工程进度。

3.2 降低运维成本方面

当供电设备点多面广时, 市电加U PS等供电方式涉及大量的运行维护成本, 而远供电源是一种免维护产品, 大大地降低维护成本。由于系统为“悬浮”系统, 解决了因市电的波动、雷电干扰、停电时间长所带来的种种问题, 节省了大量的维护工作量。

3.3 减少意外停电造成的损失方面

不难发现, U PS供电时间有限, 不能应对长时间的停电, 难免会因停电造成服务中断, 且超长使用寿命的户外U PS的电池寿命一般在l~2年, 而远程供电系统设备寿命在10~20年。

对上述供电解决方案的优缺点总结见表2。

鉴于以上原因, 采取远程供电方式在通信机房取电, 通过电缆或复合光缆传送到无线单元R R U部分, 既能保证电源供应的稳定性、增强向远端R R U设备供电的安全性和可靠性, 也不会增加经济成本, 同时减少了大量与业主协调的工作量。直流远程供电方案有利于网络中电源设备的集中建设、集中维护运行, 降低运行和维护成本, 同时也可提高电源设备的整体使用效率。

4 现场简介

溧水卧龙湖水库北直流远程供电系统远供电源项目主要是解决二干河拉远基站供电问题。主机房在距离1.2 km左右的卧龙湖水库北基站, 此次直流远供系统主要为二干河的两台R R U设备实施远程供电。局端设备安装于卧龙湖水库北基站, 从近端机房内取电, 升压后通过传输电缆送至拉远站点, 二干河远端设备降压为48 V为2台R R U设备进行供电。

该局端设备位于卧龙湖水库北基站, 将开关电源输出的48V直流电升压到D C 380 V (260~400 V可调) , 通过传输电缆输送二干河基站, 在经远端降压为D C 48 V给R R U供电。见图1。

5 实施效果

该项目建设完成15个月后对其建设成本和设备使用效率指标进行了比对, 通过比对得出结论:偏远郊区建设成本下降95%, 设备使用效率提升5%。远程供电系统的供电方式完全满足现行形势下通信设备的各种运用场景。

6 结束语

本次实践是对比两个情景相同的宏基站与远程供电系统的应用。建设成本下降较大, 特别是偏远的郊区, 下降率95%、设备利用率提升5%。另外, 远程供电系统更可大量使用在室分系统、拉远分布式基站、综合接入系统、无线宽带、监控等网络设备中。由于远程供电系统牵涉到局端的-48 V通信电源系统、远端的通信设备以及中间的供电线路, 每个点的实际情况又各不相同, 建议要针对每个点进行现场勘察并委托设计。另外, 远供中施工的杆路路由变化较多, 所以需完善直流远供施工及验收规范, 特别是“工程变更”与“重大工程质量事故报告表”“供电路由图”等。

目前其他运营商在实践中发现的一些问题, 都是与建设相关, 如建设前期没有进行设计与会审, 只是厂家提供了方案, 实施完成后没有验收, 工程工艺没有把关等。所以项目的委托设计、会审、相关资料与验收等工作非常重要, 资料的提供为日后的故障处理与日常维护工作及各维护专业职责划分等工作提供依据, 达到安全可靠与经济相结合的最佳组合。

摘要：直流远程供电方式是在通信机房取电, 通过电缆或复合光缆传送到无线单元RRU (射频拉远单元) , 既能保证电源供应的稳定性, 增强向远端RRU设备供电的安全性和可靠性, 也不会增加经济成本, 同时减少了大量与业主协调的工作量。直流远程供电方案有利于网络中电源设备的集中建设、集中维护运行, 降低运行和维护成本, 偏远的郊区建设下降95%, 电源设备的整体使用效率提升5%。

IDC机房直流供电探讨 第2篇

目前在全国通信运营商乃至全社会的IDC机房中, 服务器全部采用交流电源供电, 需要在IDC机房专门配置UPS电源, 由于可靠性要求的提高, 系统又广泛采用并机冗余、系统冗余 (即双总线系统) , 给运营商带来了巨大的投资压力和维护压力, 采用-48V直流电源供电可以全部或部分解决以上问题。本文将从可靠性、建设投资、运行成本、可操作性等几个方面进行综合比较, 分析采用直流电源供电的可行性。

一、可靠性

从单机可靠性来看, 根据通信行业标准YD/T1051《通信局 (站) 电源系统总技术要求》, 直流配电设备的MTBF (平均失效间隔时间) 要求不小于100万小时, 交流配电设备的MTBF仅要求不小于50万小时。高频开关整流设备的MTBF要求不小于5万小时, 而UPS单机的MTBF仅要求2万小时。

从系统可靠性看, UPS系统中仅有并机系统的并联主机之间、为双电源服务器供电的双总线系统的两套系统之间构成了冗余关系, UPS主机、蓄电池组、STS (静态切换开关) 之间均为串连关系, 总的可靠性是所有设备可靠性的乘积, 低于单个设备的可靠性。通常情况下UPS主机各带一组电池运行, 一旦主机发生故障, 该组蓄电池的后备作用立即消失, 系统后备时间立即缩短。在直流系统中, 整流器模块之间、蓄电池组之间都构成了并联冗余关系。按照通信电源设计规范, 整流器是每10台备用1台, 考虑到绝大部分时间蓄电池并不需要充电, 实际备用的整流器数量还要远远大于这个数量。直流系统蓄电池组不能发挥后备作用的外部因素, 只有蓄电池熔断器熔断 (可行性非常小) 一种情况, 除此以外直流系统所有蓄电池组都一直可以为直流系统提供后备。根据YD/T1051的要求, UPS系统的MTBF不小于10万小时;按照最低等级的要求, 直流系统的MTBF也要达到20万小时。

从故障修复时间来看, UPS系统设备结构复杂、型号众多, 运营商一般不具备维修能力, 一旦发生故障, 就只能退出系统, 等待厂家工程师到现场维修, 停机时间比较长, 此时系统已经没有备用机组, 运行存在较大风险。直流系统的开关整流器采用模块化结构, 通常每个运营单位所配置的型号也只有少量的几种, 可替换性非常好, 备用模块数量也比较多, 一旦整流器模块发生故障, 可以在非常短的时间内进行在线更换。

从可并联性来看, UPS电源需要电压、频率、相位三者都做到完全相同才能并联, 需要比较复杂的控制逻辑和器件, 而直流电源只需要做到电压相同就可并联, 非常容易实现。在并联控制功能失效时, UPS电源只能单机或单系统运行;而直流电源系统通常具有系统控制和模块控制两级电压调整单元, 系统监控模块失效时可以通过手动调整模块输出电压, 保证系统的正常运行。在UPS系统后期在线扩容时, 通常厂家会要求在旁路状态下进行并机调试, 通信设备运行存在较大的风险;而直流系统就完全没有这种风险。在对UPS系统进行改造时, 由于无法保证两套系统的同步, 对单电源设备而言, 只能按先断后接方式割接, 通信设备需要中断运行;而直流系统只需要做到电压、极性相同, 就可以把两套系统输出端连接到一起, 可以做到先接后断, 保证了通信设备的无间断运行。

从输出电源的品质来看, UPS输出电源存在交叉谐波污染, 污染的结果轻则造成设备误码、数率下降, 重则造成设备电源损坏, 设备宕机。反观直流电源, 不仅开关整流器配置有大容量的滤波电容, 蓄电池组本身也相当于一个容量巨大的滤波电容, 系统的输出纹波杂音始终处于比较低的水平。

从实际运营经验来看, 直流系统发生的故障很少, 原因也主要是交流输入中断;而UPS系统则频繁发生故障, 造成计费、灾备等重要系统瘫痪, 在历年的技术杂志和交流会上, 都多次见到类似的教训交流。

从以上分析可以看出, 直流系统的可靠性要高于UPS系统, 具有更高的运行稳定性。

二、工程投资

为满足设备的供电需要, UPS系统需要UPS主机、蓄电池组、输出配电柜这些基本配置, 还需要根据需要配置隔离变压器、谐波滤波器、STS、LBS (系统同步控制器) 等选件, 直流系统需要配置开关整流器、交流配电屏、直流配电屏, 下面就两种系统的单项投资进行分项比较:

1、主设备:

单套“1+1”并机的大型UPS主机价格和开关电源系统 (开关整流器、交流配电屏、直流配电屏) 接近, 如UPS系统采用两套并机系统组成双总线结构, 则UPS系统主机的价格是开关电源系统的两倍。

2、蓄电池组:

UPS蓄电池组需要经逆变器变换后再向设备供电, 存在变换损失, 直流系统蓄电池直接向负载供电, 对相同功率的负载供电, 直流系统配置的蓄电池容量较UPS系统要小6~9%。如UPS系统采用双总线结构, 则UPS系统配置的蓄电池容量还需要再增加一倍。

3、隔离变压器、STS、LBS:

只有UPS系统需要配置。

4、谐波滤波器:

6脉冲UPS主机的电流谐波含量在33%左右, 12脉冲UPS主机的电流谐波含量在14%左右, 有一些厂家的UPS主机配置了无源滤波器, 可以在特定状态下将谐波含量控制在5%以内, 但是运行状态发生变化 (比如启动油机供电) 时, 谐波又会出现明显的增加, 目前对UPS谐波抑制的有效办法还是另行配置有源滤波器。开关整流器的有源滤波器现在已经可以集成在三相整流器中, 输入电流谐波含量可以控制在5%以内, 并且设备的价格没有明显增加。

5、电缆投资:

一台UPS主机整流器输入电缆的投资与直流系统交流输入电缆投资相当, 冗余主机整流器输入电缆、 (主机、系统) 旁路电缆是UPS系统较直流系统净增加部分。因输出电压相差较大, UPS系统电池连接电缆和输出电缆截面要远远小于直流系统, 相差的程度取决于直流电缆的长度。

6、机房投资:

单套UPS系统与直流系统占地面积大致相同、机房投资大致相当, 如UPS采用双总线结构则投资需再增加一倍。

7、初期投资:

直流系统采用模块化结构, 可根据负载增加逐步增加整流器模块, 直流配电屏也可根据需要扩容, 初期投资较小;从安全性角度出发, UPS主机的和输出柜必须一次安装到位, 也就是说, 初期就要投入全部资金, 初期投资远比直流系统大。

总体上看, 只要合理规划机房平面, 就能有效减少直流输出电缆的截面和长度, 从而使直流系统的造价低于UPS系统。

三、运行成本

电源系统的运行成本主要包括电费成本、维修成本、人力成本三类成本, 各类成本的比较如下:

1、电费成本:

在设备耗电量一定的情况下, 影响电费成本的主要因素是系统的变换损耗和线路损耗。从系统变换损耗来看, 虽然目前主流的双变换式UPS厂家都宣称变换效率可以达到92%左右, 但这个测试结果是在较高负载率条件下测试出来的, 实际运行的情况是, “1+1”并机系统的单机负载率最大仅能达到40%、双总线系统的单机负载率最大仅能达到20%, 在系统负载未达到设计值前实际的单机负载率还要低于这个数值。此外, 为满足谐波抑制的要求, UPS主机前端通常还需要配置有源或无源滤波器, 这又会损失2%左右的转换效率。综合考虑以上因素后, UPS主机的能量转换效率通常只能达到50%~90%。开关整流器在40%~100%负载率时效率均可达到91%左右, 模块化结构的特点, 使整流器的负载率可以人为控制在经济范围内, 从而使系统保持较高的转换效率。输出线路损耗方面, 假设UPS系统和直流系统都按照按照设计规范配置电缆, UPS输出线路的能量损耗大约为2~4%/100m, -48V直流系统输出线路的能量损耗大约为2%/100m。因此, 直流系统的能量损耗低于UPS系统, 尤其在系统负载率较低时更为明显。

2、维修成本:

UPS系统本身设备较多, 双总线供电时设备数量还要再增加一倍以上, UPS主机、STS、LBS等设备故障率也相对较高, 通常情况下也只能由厂家工程师进行现场维修。直流系统设备数量和种类较少, 同时只有整流器模块易发生故障, 损坏模块可以由维护人员更换后送到厂家维修。UPS系统的维修成本要高于直流系统。

3、人力成本:

UPS系统设备种类和数量较直流系统多, 需要进行的检查测试比直流系统系统要多, 对维护人员技术素质的要求比直流系统要高, UPS系统的维护人力成本要高于直流系统。

从以上三项主要运行成本来看, 直流系统都要优于UPS系统。

四、采用直流电源的可能性

IDC机房采用直流供电, 除了运营商自身的充分认识和准备外, 还需要外部环境的配合, 包括服务器厂家大量推出直流供电的服务器、客户大量托管直流供电的服务器。

可喜的是, 近年来, 越来越多的服务器厂家已经意识到了采用直流电源的必要性, Intel联合一些主要的IA架构服务器生产商推出了SSI—DPS标准, 市场上已经开始出现直流电源供电的服务器, 部分主流设备厂家已经可提供交流、直流两种供电方案供客户选择。从价格上看, 直流供电服务器价格与交流供电服务器价格相当。

作为推行直流供电的最后一环, 对客户进行必要的宣传引导是非常重要的。运营商的客户经理应当了解直流供电的优势, 并积极向客户进行宣传, 让客户在采购设备时有意识地采购直流供电的服务器。

五、结论

直流供电在可靠性、工程投资、运行成本方面具有非常明显的优势, 通信运营商作为IDC行业的领导者, 加强与服务器厂家和客户的合作, 就一定能推动IDC机房直流供电的发展, 产生巨大的经济效益和社会效益。

低压直流供电系统研究综述 第3篇

1 低压直流供电系统电能质量及可靠性分析

一般来说, 低压系统用户对两个方面的问题较为关注:其一是电能质量, 其二是供电可靠性[2]。其中数据类负载无论是对电能质量, 还是可靠性要求, 均有着非常高的要求。下面笔者从“稳态”与“暂态”两方面对低压直流供电系统电能质量及可靠性进行分析。

1.1 稳态

如图1, 是电脑负载电流, 是一个极具典型性的二级管整流桥电子设备电流波形, 电脑主要产生的是低次谐波电流。要想使谐波含量得到有效减弱, 便需要使用功率因数补偿电路对电流波形进行改善。

同时, 使谐波含量减弱还有一个方法, 即为对负载采用直流供电。在负载直流供电的情况下, 负载电流基本上处于恒定状态, 同时交流端电流接近于正弦波形。

1.2 暂态

重要场所会采取各种电子及照明设备, 如计算机与应急灯等。在电压瞬变与中断供电的情况下, 可能会引发两方面的问题:一方面, 计算机重启可能导致数据丢失;另一方面, 照明需求得不到满足。解决上述问题的方案可以配置UPS, 也可以采取直流供电措施。在直流供电方式下, 进行三相电压突变实验。

如图2所示, 通过此实验得出结论:高频整流装置在故障的情况下, 能够维持稳定的直流电压, 并且计算机及照明设备均没有受到威胁。因为采取直流供电只需要进行一次变流, 和交流系统UPS两步变流相比较, 能够大幅降低损耗。

2 低压直流供电系统保护及控制探究

2.1 低压直流供电系统保护

接地故障是低压直流系统中最常见的故障, 而在交流系统中应用较为普遍的剩余电流保护装置, 在此显得无能为力。主要基于两方面的原因, 其一是动作原理, 其二是分断能力。因此, 以电气安全为目的的直流系统接地方式具有深远的价值。对于低压直流供电系统来说, 在电机防护方面, 安全电压需维持120V, 短路故障切除时间为5秒, 主要的保护方法为直流断路器或熔断器。在对地绝缘强度减弱的防范方面, 接地故障切除时间需2小时, 利用绝缘监测设备进行保护[3]。另外, 在电力电子整流器短路保护方面, 需对过大电流进行及时限制, 进而集成于整流器内部的限流电路。

2.2 低压直流供电系统控制

1) 为了验证直流系统的稳压能力, 以交流侧三相故障为例, 实验设定在0.4秒的情况下, 低压交流系统发生三相故障, 此时电力供应中断, 高频整流装置输入端三相电压下降明显, 最终下降到零, 所持续的故障时长为250ms。直流电压从800V开始下降, 直至所设定电池储能系统的阈值760V, 电池系统逐渐向负载供电。

另外, 除了交流侧三相故障之外, 还包括交流侧相间故障与直流侧短路故障。其中, 对直流侧短路故障来说, 由于直流网络短路故障电流较大, 短路尖峰电流会对高频整流装置中的某些元件造成损坏等不良情况, 如IGBT元件等, 因此需要引起充分重视。

2) 以低压直流供电系统的特点为依据, 控制系统能够有效避免设备控制器之间所发生的冲突, 同时还能够对瞬变状态下的一些负面影响起到抑制作用。控制管理系统的基础是控制电流, 以输入指令及所设定阈值进一步得出设备所需指令。所以, 对网络中的电流进行控制, 便能够保证直流电压的稳定性。

3 结语

通过本课题的探究, 笔者认为要想提高低压直流供电系统的实用性, 可以从低压直流供电系统电能质量及可靠性等方面入手, 同时做好低压直流供电系统保护及控制等工作。目前, 低压直流配电仍然存在很大的研究空间, 未来可从电气安全、电力电子设备的可靠性及直流腐蚀问题的处理等方面展开讨论和研究, 以使低压直流供电系统在电力系统各领域更具实用价值。

摘要：随着新能源技术和电子工业的蓬勃发展, 电网企业电源接入及供应呈现多元发展趋势, 分布式发电装置及电力电子设备的广泛应用在给低压供电网络带来福音的同时, 也给供电可靠性和电能质量带来了挑战。基于直流供电方式的低压系统因其具备多方面优势, 越来越被广大学者所重视, 本文在分析低压直流供电系统电能质量及可靠性的基础上, 对低压直流供电系统保护及控制进行了探究。

关键词：低压直流供电系统,电能质量,可靠性

参考文献

[1]雍静, 李露露, 王晓静, 曾礼强, 徐欣.不同接地型式低压直流供电系统的电击防护性能理论分析[J].重庆大学学报, 2013.

[2]殷树刚, 刘建明, 赵羡龙, 郭正雄, 吕天光.基于低压直流供电技术的市政路灯与电动汽车充电桩一体化系统[J].电网技术, 2014.

地铁采用的直流供电保护方案 第4篇

在轨道交通领域中应用于车辆供电的系统多采用直流供电的方式, 即采用接触网供电。例如广州地铁一号线直流供电系统, 其基本原理是接触网采用1500V直流双边供电。在牵引所中通过整流机组把33KV等级的电压通过降压整流, 转变成为1500V的直流电通过直流开关输送到接触网上, 给机车提供动力电源。接触网本身不具备电气保护功能, 上网电缆、接触网等设备出现故障, 需要通过直流开关柜来判断故障, 进行电气保护。所以对于直流供电系统来说直流开关柜的地位相当重要, 研究直流开关的结构特点及保护功能的实现对地铁运营来说有着重要的意义。

2 直流开关柜的组成及结构特点

牵引变电所1500V直流开关柜包括以下三种类型设备。

正极柜:连接于整流器阀侧正极与1500V正极母线之间的开关柜, 实现对整流机组向1500V直流正极母线馈电进行控制。

馈线柜:连接于1500V直流正极母线与牵引网上网隔离开关之间的开关柜, 实现对1500V直流正极母线向牵引网馈电进行控制和保护。

负极柜:连接于整流器阀侧负极与回流钢轨之间的开关柜, 实现对牵引网回流的控制。

这里着重介绍下馈线柜。1500V馈线柜主要由上部连接、下部连接、驱动装置、合闸机构、分闸机构、大电流脱扣保护装置、灭弧装置以及分合闸位置辅助触点组成。其中驱动装置和大电流脱扣保护装置是1500V直流开关馈线柜的核心部分。

驱动装置的作用是牵引棘轮拉动动触头使其与静触头闭合, 完成合闸。驱动装置由工程塑料支架、限位缓冲弹簧、分闸辅助弹簧、传动圆钢组成。整个驱动装置在合闸线圈铁心的推动下在受限范围水平内沿导轨方向前后运动。合闸时铁心推动驱动装置往前运动, 驱动装置牵引棘轮拉动动触头运动;动触头附带一个辅助触头, 在合闸前辅助触头先与动触头接触, 通电之后动触头在驱动装置的作用下与静触头完全闭和。辅助触头的作用是避免动触头直接与静触头接触时发生损伤。分闸时先分动触头, 最后分辅助触头, 同样避免分闸产生的拉弧损害动触头。

大电流脱扣保护装置是直流开关上利用电磁原理实现直流保护的一种装置。有一个由硅钢片叠成的磁扼垂直套在动触头的外侧, 只要开关回路中的电流达到整定值, 磁扼中产生的磁场把衔铁吸合下来, 衔铁带动连杆, 连杆的运动顶起牵引触头棘齿, 原来在水平方向的平衡被打破, 棘轮向上顶起, 轴脱扣后, 动触头在分闸弹簧的作用下迅速弹开。这时综合保护装置根据辅助触点的输入和主电路电流电压测量值进行运算, 输出控制使合闸线圈失电、铁心后退、驱动装置在分闸辅助弹簧作用下往回运动, 综合保护装置发出大电流报警信息。大电流脱扣保护的整定值通过调整磁扼中的磁通路来实现。

3 直流开关柜保护的原理及整定范围

地铁1500V直流开关的测控保护一般通过综合保护装置来实现, 如广州地铁二号线采用了西门子DPU96来实现对开关的控制、保护、测量及通信。

3.1 大电流脱扣保护

大电流脱扣保护通过脱扣器实现, 其动作过程在文章开头有过介绍, 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。广州地铁2号线进线开关的整定值为12000A, 馈线开关的整定值为9000A。

3.2 电流上升率保护 (di/dt) 和电流增量保护 (ΔI)

该保护作为地铁馈线保护的主保护, 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。保护动作特性分为2部分, 瞬时跳闸和延时跳闸, 其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闸的作用。

西门子DPU96关于该保护的整定方法, 开关合闸后, 测量装置不断检测开关主电路中电流的变化率di/dt, 当电流变化率di/dt≥24A/ms时发出报警, 当di/dt≥40A/ms时触发DPU96产生中断。在30ms内如果电流变化率高于40A/ms则30ms后DPU96保护分闸;如果30ms内电流变化率低于40A/ms, 则di/dt复零, 中断退出。直流开关设置的ΔI保护与di/dt保护互相配合, 当di/dt被触发后持续1ms, ΔI达到整定值4000A (馈线开关) , 经过延时 (1ms) , ΔI动作, DPU96保护分闸。

以上保护的整定使保护装置只针对故障电流做出分闸响应, 躲过了牵引变电所很远处启动时的机车启动电流, 列车的电杆架接触激增电流, 列车驶进车站的电流等非故障电流曲线。防止了开关的误动作。

3.3 过流保护

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Imax值的设定, 可分别设定正反方向的I-max+值和Imax-值。当机车处于再生状态或当地牵引变电所整流机组退出运行, 所内直流馈线被用于直流越区供电回路时, 如果线路发生故障, 会有反向电流通过直流馈线断路器, 反向过流保护用于检测并清除该故障, 在西门子的DPU96中可设定Imax值, 如广州地铁2号线馈线整定过流为Imax=8000A。

3.4 框架保护

直流开关柜、整流器柜、回流柜设置有框架保护。框架保护分为电流型与电压型。其原理为:负极柜的S7 (控制器) 检测框架与大地之间的电流和框架对负极的电压, 达到整定值则S7输出控制, 通过硬线触点向本所所有1500V直流开关及邻所相邻1500V直流开关发出联跳信号 (脉冲宽度大于500ms) , 每个直流开关的DPU96或S7收到信号后保护分闸同时闭锁自动重合闸程序。

3.5 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。DPU96在实现这一功能时需要检测判断发生大电流脱扣分闸、Imax保护、过电流保护、di/dt+ΔI保护时, DPU96通过硬线触点向邻所馈线1500V直流开关发联跳信号 (设计整定脉冲宽度少于500ms) , 联跳邻所馈线1500V直流开关;邻所馈线开关DPU96检测到联跳信号后进行判断, 满足条件则跳闸进入自动重合闸程序。如果脉冲大于500ms (框架保护动作) 则跳闸后退出重合闸程序。

4 结论

在目前国内的直流供电系统中普遍采用以上介绍的直流供电模式, 直流供电的保护方法也基本一致, 前面结合理论及实际实现方法对地铁直流开关柜进行了系统的分析, 故掌握好直流开关柜的控制保护原理, 对地铁运营故障检修有极其重要的意义。只有深入分析好直流开关柜的各项保护功能, 有针对性的采取检修措施和相关对策, 积累运营经验, 才能确保运营供电系统正常稳定运行。

摘要：广州地铁一号线直流供电系统, 其基本原理是接触网采用1500V直流双边供电。在牵引所中通过整流机组把33KV等级的电压通过降压整流, 转变成为1500V的直流电通过直流开关输送到接触网上, 给机车提供动力电源。接触网本身不具备电气保护功能, 上网电缆、接触网等设备出现故障, 需要通过直流开关柜来判断故障, 进行电气保护。所以对于直流供电系统来说直流开关柜的地位相当重要, 研究直流开关的结构特点及保护功能的实现对地铁运营来说有着重要的意义。

关键词：直流柜,过流保护,di/dt+ΔI保护

参考文献

[1]GB/T10411-2005, 城市轨道交通直流牵引供电系统[S].

可持续节能建筑的直流供电架构 第5篇

一个世纪前在爱迪生和特斯拉之间的“世纪大争论”, 因为发电和输配电的成本问题, 决定了其后沿袭至今的交流供电系统架构。可是随着时代的进步, 对供电架构的考量不再仅仅决定于发电和输配电的成本。如今, 变频调速节能驱动设备被广泛应用;IT设备广泛普及和不间断供电需求不断提高。作为负载, 几乎所有的IT设备和变频调速装置都需要直流的工作电压, 而不是交流;作为主要的储能装置和备用能量的提供者, 蓄电池的工作电压也是直流。国外的研究已经表明, 采用直流作为电能传输的载体可以大大提高数据中心 (Data Center) 的电力利用效率。据美国环保署 (US EPA) 报告, 美国数据中心与服务器2006年消耗了全美1.5%的电力。为更形象地说明这一问题, EPA指出这些电力消耗已经超过了全美所有彩电的电能消耗, 并相当于580万个拥有电视的平均家庭的耗电。同时, 据预计, 数据中心的能耗将持续增长, 每五年将翻一番。

基于前期直流数据中心 (DC Data Center) 的研究成果, 欧洲、日本、美国等发达地区正在制定商用、工业、以及住宅建筑中电源的直流供电架构标准。美国的电能研究所 (Electric Power Research Institute (EPRI) ) 和伯克利劳伦斯国家实验室 (Lawrence Berkeley National Laboratories) 一起制定了380V高压直流供电架构的电压标准, 该标准适用于大功率的商用建筑和数据中心。针对小功率的局部应用, 美国E-merge直流架构大联盟制定了24V低压直流供电架构的电压标准, 该标准能够在小功率的局部应用场合提供更加灵活、安全、可靠和高效的电能利用。

美国Intel和IBM, 日本电信电话株式会社 (NTT) , 中国电信都已经或正在为其大型服务器和通讯设施实施不同母线电压的直流供电架构。市场上已经出现了相应的商业产品, 并且这个市场正在迅速扩展。目前, 日本与美国的建筑直流供电架构的技术处于全球领先地位。而欧洲则正在主导制定下一代建筑供电架构的具体标准。导致各国采用新的供电架构的主要因素除了上述的IT负载性质和储能需求的历史转变外, 还包括:能耗效率标准的提升 (包括零能耗建筑, 固态照明等) , 分布式能源的应用 (包括屋顶太阳能发电等) , 对安装价格与维护价格的期望, 直流供电架构本身不断增强的灵活性和维护性, LED照明的革命以及充电式混合动力车的出现。

另外, 正在全球范围内掀起的智能电网热潮, 推动着智能局部微网的研究和建设。而建筑作为一个典型的电力微网系统, 其内部各能源组件的有机协同和智能集成, 是整个电网的坚强和智能的一个重要基石。随着风能、太阳能、燃料电池和电动汽车等新能源技术的接入, 作为微网的建筑电力系统更需要智能的管理调度和超强的电能动态控制能力。应这一需求, 国际诸多著名公司, 如施耐德、西门子、丰田汽车、IBM、Intel、Eaton等, 都已经成立了绿色建筑的电力智能管理联盟, 并开发相应的电力管理组件和软件。[1,2,3]

基于上述的发展潮流, 为了进一步提高可持续节能建筑的电力利用效率、智能化和可靠性, 本文提出了在未来的可持续节能建筑中采用直流供电的系统架构取代传统的交流供电架构的概念。在该电源架构中, 整个建筑具备一个电源的直流网络, 而这一网络可以由电网或新能源 (如太阳能) 直接驱动, 为降低能量传输的损耗, 架构采用高压直流母线。系统中有可控的低压直流母线将能量传输给不同的负载, 架构中会有少量必需的直流/直流 (DC/DC) 变换器, 而它们与传统的交流/直流 (AC/DC) 变换器相比效率更高、价格更低, 可靠性也更高。由新能源 (如太阳能) 产生的能量不必转换为交流以及回馈电网, 而是直接利用其输出的直流能量, 也降低了不必要的转换能耗。随着电动汽车的日益普及, 其中的蓄电池组也是直流电源的另一个能量来源, 同时, 建筑中的蓄电池组作为能量储存单元也起着稳定局部微电网的作用。

另外, 本文还提出了能量接入管理模块/Power Hub作为该直流供电架构的心脏的方案, 它实现了电能在多能源接入 (电网、太阳能、燃料电池、蓄电池组、电动车等) 之间的合理调度以及和上级智能电网间的接口通讯。后面各节将详细描述所提出的直流供电架构的原理及优点, 以及相应的能量接入管理模块/Power Hub的工作原理。

2 直流供电架构的原理及优点

正如前面所述, 要建造未来高效的数据中心, 目前有两种配电系统, 其中一种系统是传统的400/230V交流配电系统, 如图1所示, 目前除北美和日本以外几乎所有的数据中心都采用这一系统。而在北美标准的配电系统中, UPS电压为480V交流电, 因此图1中还应插入一个将480V交流电转化为208/120V交流电的PDU变压器。

图2给出了第二种选择:新兴的直流供电架构。不同的国家和地区有着不同的母线电压标准, 例如:240V、300V、380V、400V和575V。但是, 经过近几年的研究, 各国逐渐就此问题达成一致, 认为应将380V左右电压作为首选标准。

图3给出了采用传统交流供电架构的典型数据中心的电气结构框图。从中可以看出, 该结构中考虑了除交流电网供电外的太阳能发电、风力发电及作为应急电源的燃料电池。

而如果采用直流供电架构, 图3中的很多电能转换环节可以大大得到简化, 从而大大减少电能在传输配电方面产生的损耗。图4和图5分别直观描述了直流供电如何简化了电气结构并提高了电能传输的效率。和常规的交流供电架构相比, 研究表明直流供电架构可以带来11%~14%的电能传输效率的提高。

而在美国罗伦斯-伯克利国家实验室中实际验证系统, 如图6所示, 也已证明直流配电系统可以比当今最先进的交流配电系统高出约7%的电能传输效率, 可以节省33%的空间, 节约6%的硬件投资成本, 并可以将系统的可靠性提高两倍。

直流供电架构不仅会改善IT负载设备的电能利用效率, 还会对未来设备机房和建筑的照明带来深远的影响。据统计, 美国商业建筑的照明用电占整个用电的25%。作为当今绿色能源的主力军, LED必然是商用照明的未来, LED的工作电压也是直流。有研究表明, 和交流供电相比, 直流供电会提高LED照明的电能利用率达3%, 降低LED照明驱动电源的成本达30%。

3 采用直流配电架构的可持续节能建筑

如前所述, 未来的可持续节能建筑必然会结合绿色能源科技, 如太阳能、风能、电池技术、电动汽车和LED照明, 如图7所示。和其相对应的直流配电电气系统框图如图8[4]所示。和传统的交流供电架构相比, 本文提出的直流供电架构有如下特点:

1) 太阳能和风能为整个建筑提供相当容量的电能供给。太阳能电板可以安装在屋顶、阳台天棚、建筑外墙或窗户上;一定容量的蓄电池组为整个建筑提供基本的不间断供电需求, 该不间断蓄电池组还可以平抑因太阳能和风能的波动对直流微电网造成的冲击;电网和380V直流母线间的交流/直流双向变换器可以将太阳能和风能发出的多余电力回送给电网。当太阳能和风能发出的电力不能够满足负载需求时, 交流电网将通过该双向变换器向直流微网输送电力。采用380V直流供电架构可以减少上述各种能源的电能处理环节。因简化的电能处理环节而大大减少了电源变换器内部的零件数目达30%左右, 从而降低了成本, 提高了可靠性。

2) 380V直流被直接提供给大功率的用电设备, 比如变频空调和IT设备。和交流输入相比, 380V直流输入不仅兼容而且还可以提高2%~3%的用电效率。

3) 经过一个简单而高效的DC/DC变换器, 进一步产生一个48V低压作为LED照明的工作电压。和常规的220V交流电相比, 48V直流供电不仅可以提高近10%的用电效率, 还可以大大提高LED驱动电源的寿命 (约3~5倍) 。另外, 由于采用安全的低压供电, 特别适合户外的景观照明。

4) 48V直流母线还将大大简化建筑内监控报警系统的电源设计, 大大提高其可靠性。电源体积将会缩小为传统交流输入时的1/3~1/5。

5) 随着国家对绿色环保的重视和对电动汽车的大力扶持, 在商用建筑的停车场上提供充电接口和相关服务将成为必然, 这些电动交通工具都可以通过一个双向充电器接入到380V的直流微电网中 (如图8所示) 。除了充电以外, 这些交通工具中的蓄电池还可以作为储能设备被利用来帮助该微电网的稳定, 而且还可以在电网掉电的情况下, 提供备用电源所需的能量。

但从图9中也可以看到, 该直流配电系统需要数量较多的功率变换装置。为此, 有厂家提出了能量接入管理模块/Power Hub的概念, 如图10中所示。该能量接入管理模块/Power Hub将图9中分散的各个功率变换装置集成在一起, 更便于多能源输入之间的直接配合协同, 更有利于相互之间的通讯和管理。该能量接入管理模块/Power Hub就像可持续节能建筑的直流配电系统的心脏, 通过各种方式得到的电能 (太阳能发电、蓄电池储能、电网和风力发电) 都汇集入能量接入管理模块/Power Hub进行协调和处理, 然后再输出最符合建筑需求的直流电力 (电压和功率) 。图10给出了该模块的内部结构框图。考虑到在一定的时期之内, 尚有相当的用电负载不能兼容直流输入, 暂时还不可能在一个建筑里完全抛弃交流供电, 该模块还提供了一路不间断的交流电压输出, 来满足历史遗留负载的需要。

对于多层建筑, 可以为每一楼层安装一个能量接入管理模块/Power Hub以实现本地化的能量管理, 其相互之间可以通过网络通讯实现相互之间的配合和信息传递。对于停放电动汽车的楼层, 绝大部分是一楼或地下车库, 该楼层的能量接入管理模块/Power Hub需要考虑电动汽车群的接入及相关的充放电额定功率等级。

从电能处理的角度, 能量接入管理模块/Power Hub的关键在于实现了电能之间按需的自由流动。比如:电动汽车的蓄电池和直流母线之间, 系统在智能判断电力充足的情况下, 利用太阳能发电和电网给停在停车场的电动汽车充电;在电网掉电而太阳能发电不足以提供全部电力的情况下, 系统又会自动命令电动汽车放电从而给建筑内的用电设备提供电力。如果太阳能发电超过了建筑所需的电力, 系统将根据上网电价的状况决定是将多余的太阳能电能回送到电网, 还是先给蓄电池充电存储起来, 留待峰电时段再放电给建筑内的设备, 以减少建筑消耗的峰电电量。当然, 电动汽车内的蓄电池和建筑内的蓄电池被充满后, 太阳能发出的多余电量只能通过一个逆变环节回送给电网。由此可见, 电网和能量接入管理模块/Power Hub内的直流母线之间, 以及蓄电池和直流母线之间各需要一个能够自动无缝切换电能流动方向的变换环节。

当然, 对于未来可持续节能建筑, 除了电动汽车上的蓄电池可以被临时利用成为建筑微电网的储能设备, 智能建筑中为了提供不间断电源而长期固定配置的能量储存装置 (CES) 也会和临时停在建筑停车场内的电动车电池一起作为稳定电力的储能设备。不仅如此, CES还可以通过能量接入管理模块/Power Hub充当电网对电动汽车的充电的缓冲器, 并充分利用电网的峰谷电时段实现对电动汽车的最经济而可靠的充电。这就是能量接入管理模块/Power Hub的能量管理。

4 能量接入管理模块/Power Hub的能量管理系统

图11给出了CES和电动汽车共同接入能量接入管理模块/Power Hub的示意图。对任何一个可持续节能建筑的停车场而言, 我们需要做好同时停泊很多辆车的准备。如果每辆电动车都被同时充电的话, 那该建筑的供电系统将会非常巨大。任何一个未来可持续节能建筑为其停车场提供的交流电力的配电额度都是有限的, 管理模块/Power Hub将会通过电力载波的方式和每一台接驳的电动汽车进行通讯从而对接驳的电动汽车进行选择性的优先级充电。同时, 为了弥补电网配电额度的不足, 尽可能多地对汽车充电。能量管理模块/Power Hub将通过智能电表获知电网的状况并综合建筑内的负载用电状态和太阳能发电能力, 适度地的从CES中转移电量到电动汽车中并预留一定的备用电力。在电网谷电时段 (晚上, 停车场空) , 再通过管理模块/Power Hub将CES中的电力储存满, 留待电网峰电时段 (白天上班时间/停车场满) 对电动车进行充电。

能量接入管理模块/Power Hub还可通过无线和电力通讯, 获取当地的天气预报, 来预判太阳能的发电状况, 一边适时调整和控制对电动汽车和CES装置的充放电。

5 结束语

针对未来可持续节能建筑, 本文提出了直流配电架构, 并阐述了它在节能环保方面的显著优势, 为直流配电架构提出了能量接入管理模块/Power Hub。最后, 简要介绍了能量接入管理模块/Power Hub在能量处理和电能管理方面的原理和思路。

参考文献

[1]Chakraborty, S., Kroposki, B., and Kramer, W., “Advanced Power Electronic Interfaces for Distributed Energy Systems-Part2:Modeling, Development, and Experimental Evaluation of Advanced Control Functions for Single-Phase Utility-Connected Inverter, ”NREL Technical Report, NREL/TP-550-44313, November2008.

[2]Nourai, A., “Utility Deployment of Energy Storage-AEP, ”Presented at Materials for Next-Generation Energy Storage, Case Western Reserve, October2008.

[3]Functional Specification For Community Energy Storage (CES) Unit Rev2.0, http://www.aeptechcenter.com/CES/

试论地铁直流牵引供电轨道保护技术 第6篇

1 地铁杂散电流产生的原因与腐蚀问题解决措施

1.1地铁杂散电流产生的原因

在地铁列车运行过程中, 直流牵引供电系统经常出现过电压的情况。相应地, 需要设置合理的过电压保护, 来阻止因过电压而引发一系列故障导致该系统无法处于有序地运行之中。针对这方面, 需要从实际出发, 对地铁杂散电流产生的原因予以恰当地分析, 才有利于对过电压保护装置予以合理的设定。对于地铁系统来说, 有两种不同型号的直流电压形式, 而直流1500V便是其中直流牵引供电系统中的一种。在这种型号的直流电压方面, 地铁列车的受电弓会以架空接触网为媒介, 进行受电[1]。在此基础上, 电流会输入到地铁列车的主、辅回路上边。并以不同类型的回流导体为桥梁, 回到负极。相应地, 对于地铁直流牵引供电系统来说, 当走行轨和大地之间直接进行连接的时候, 在两个相邻的牵引变电所一定范围内, 出现不止一组列车行驶, 系统中电流回流的形式将不会仅仅是行驶轨道。而在这种情况下, 电流在流动的过程中, 就会形成杂散的电流。相应地, 在地铁系统运行的过程中, 这些杂散的电流短时间存在是不会对地铁中的金属物造成任何损坏。但是, 如果杂散电流长期存在, 就会对轨道附近的金属物造成不同程度的影响[2]。进而, 腐蚀这些金属物。

2 杂散电流腐蚀问题解决的措施

在地铁运行中, 需要对用于直流牵引供电系统方面的设备进行绝缘形式的安装。通过绝缘的形式, 可以避免杂散电流在流经过程中腐蚀金属物体。在此基础上, 还要对走行轨和大地之间的电阻适当加大。以此, 减少其中回流方面出现泄露问题。这样就可以使其中的直流供电系统能够不依赖于其它的系统, 能够独立的运行。

轨道过电压产生的原因与解决对策对于地铁直流牵引供电系统来说, 过电压的产生和杂散电流有着密不可分的联系。相应地, 直流设备的外壳在和大地进行绝缘的时候, 它会和回路电路之间会出现对应的电位差。同时, 直流设备的外壳还会和保护地之间发生电流泄漏的问题。面对这种情况, 想要使直流设备的外壳不会在系统运行的过程中被腐蚀, 就需要在外壳上设置对应的故障保护体系。以此, 减少该系统在运行过程中故障的发生[3]。相应地, 在设备外壳腐蚀问题得以解决的同时, 该系统中出现了新的问题。主要是因为在在金属外壳腐蚀问题的时候, 会产生故障电流或者回路电流。进而, 对使地铁轨道对大地产生较大的危险电压。一旦乘客不小心触碰到这些危险电压, 将会对他们的生命安全造成威胁。因而, 需要采取有效的措施对过电压问题及时解决。相应地, 在解决过电压问题方面, 主要是在地铁轨道的每个车站点都安置一定的过电压保护装置。在此基础上, 借助这些过电压保护装置的力量, 对地铁轨道对车站地所造成的过电压进行合理的限制。以此, 来使地铁直流牵引供电系统能够处于正常运行中[4]。同时, 该系统相关设备的寿命也能得以延长, 使这些设备的使用价值得以更好地呈现。相应地, 下面是某地区, 地铁1号线该系统出现短路情况的曲线图。

3 轨道过电压保护装置设定的原理

对于过电压问题的解决, 主要是在直流牵引供电系统中设置限制保护装置。一是:关于过电压保护装置设置的原理。换句话说, 也是一种限制装置。它是以走行轨与车站地为纽带, 在它们之间合适的地方设置钢轨电位限制装置。该装置能够对它们之间的电位差进行正确地检测。一旦车站地与走行轨之间的电位差已经不在设定的范围内, 该装置就会自动进行短路保护。而限制装置产生的短路保护只是瞬间的, 很快它就会自动打开。需要注意的是:如果走行轨和车站地之间的电位差再次超过规定值, 该装置还是会出现自动短路保护。但是, 在第二次自动短路保护后, 它们之间的电位差还是不能满足相关要求, 该限制装置关闭之后就不会自动打开。这就需要采取维修人员采取其它措施予以解决。相应地, 下面是过电压方面, 时间与电压之间的曲线图。

参考文献

[1]韩妮乐, 于勉.直流牵引供电系统短路故障浅析[J].科技资讯, 2013, (08) :148.

[2]张勋, 李乾.直流牵引供电系统短路故障分析[J].电气技术, 2013, (11) :1-5.

[3]岳宏波.浅谈地铁直流牵引供电系统保护[J].经营管理者, 2009, (14) :371+337.

直流远程供电 第7篇

关键词：整流机组,短路电流,牵引变电所,牵引供电系统

0 引 言

直流牵引供电系统为运行的电力机车提供可靠的电能,它主要由降压变压器、整流器、馈电线、接触线(轨)、走行轨、回流线等组成。直流牵引供电系统的短路电流计算,是变电所设备选择、保护设计、判断变电所运行的安全可靠性,确定运行方式的重要依据。

近些年来,国内不少单位开展了直流牵引供电系统短路计算的研究[1,2,3,4,5]。文献[1,2]介绍了6脉波整流机组的3段线性化曲线模型,并探讨了短路稳态电流的计算方法,由于用3段线性化处理时,各等效区间的电流曲线不平滑,容易突变,这样就存在很大的误差。文献[3]介绍了24脉波整流机组的5段线性化曲线模型,并编写SimSystem软件,用于计算大型直流牵引网络的短路电流。文献[4,5]给出了直流牵引网短路试验的几个具体实例。本文对直流牵引供电系统原理图进行了简化,并结合24脉波整流机组的5段线性化曲线模型,编写了直流牵引网短路电流稳态值计算的程序和界面,并对上海地铁3号线和北京地铁6号线牵引网发生短路的情况进行仿真。

1 整流机组的外特性模型

在工程计算中,24脉波整流电路通常认为是由2个12脉波整流并列而成。对于12脉波整流电路,电抗系数RF随着整流机组负荷电流的增大而不断增大,并且随着电抗系数RF的增大,整流机组工作在不同的区间上。下面是12脉波整流机组直流输出电压的调整特性

undefined (1)

undefined (2)

undefined (3)

undefined (4)

undefined

undefined (6)

式中:undefined为电抗系数, Xc为换相电抗, Id为负荷电流, Vd0为整流机组的空载电压。

在简化计算中,首先将各个区间的外特性曲线线性化,即用连接起点与终点的线段代替该曲线,求出线段直线表达式。之后将整流机组等效为带内阻的电压源,其中内阻为直线表达式的斜率,电压源值为直线表达式的截距。整流机组等效电路图如图1所示

以耦合系数k为基础,undefined时,最后一个状态(式子6)不出现;undefined时,最后两个状态(式子5和6)不出现。也就是说,k的不同,电压源等效的工作区间范围也就不同。假设上述6个工作区间都存在,根据式子(1)—(6)可以求出,各区段电流Id的分界点如下

Vd1→d2的电流分界点

undefined

Vd2→d3的电流分界点

undefined

Vd3→d4的电流分界点

undefined

Vd4→d5.1的电流分界点

undefined

Vd5.1→d5.2的电流分界点

undefined

其中undefined;undefined;U2N表示阀侧电压。

2 直流牵引供电系统的数学模型

直流牵引网上、下行线路双边并列供电时,牵引网发生短路的化简等值电路如图2所示:

考虑接触网为均匀结构,设r为馈电线每公里电阻值,rp为走行轨电阻,两变电所的间距为L,短路点到A变电所的距离是Ld,为了方便求出短路电流值Id,将图2中整流机组用等效电压源和电阻表示,并对上下行接触网电阻进行Y形变换,便得到图3。其中

undefined (7)

undefined (8)

undefined (9)

3 两变电所间短路稳态电流的计算

3.1 两变电所间短路稳态电流的计算

如图3所示,两牵引变电所间任意一点发生短路时,运用基尔霍夫定律可以分别求出两个变电所提供的短路电流Id1和Id2,将两个电流相加,就能得到总的短路电流。

undefined

undefined

Id∑=Id1+Id2 (12)

3.2 计算机算法与流程

由式子(11)和(12)可见,求短路稳态电流值时,确定Ua、 Ub、 ReqA和ReqB是关键,本文给出了迭代求整流机组工作区间的方法,其迭代求解过程如图4。

(1) 输入原始数据,计算耦合系数,换相电抗、整流机组的工作区间数及各工作区间的临界电流。

(2) 默认A、B变电所都工作在第一工作区间。

(3) 由式子(11)和(12)计算每个变电所提供的短路电流。

(4) 判断计算的短路电流是否在各个工作区间的电流范围之内,如果是,进入步骤;

(5) 如果不是,调整工作区间,继续进入步骤(3),直到所有的整流机组的工作区间不需要调整。

(6) 输出短路计算结果。

3.3 仿真界面的实现

按照上面的算法,采用Visual C#开发工具编制直流牵引供电网络短路电流计算的界面,用户通过界面输入原始数据,即可得到变电所的等效信息和短路点的稳态短路电流值,同时也能输出excel表格,对excel表格进行处理,就可以得到牵引网短路点位置与短路电流的关系图。程序主界面如图5所示。

4 仿真实例

本文以上海地铁3号线接触网发生近端、中端和远端短路试验为例进行仿真,具体试验内容参见文献[5],并同西南交通大学开发的SimSystem软件的仿真结果[3]进行对比。输入仿真数据如表1所示。

短路点位置与短路电流的关系图如图6所示。仿真结果与实验数据及SimSystem仿真数据的比较如表如表2所示。

对上面结果分析可见,仿真数据和试验数据及SimSystem仿真数据大致相同,短路点距离变电所较远时,仿真数据跟实测数据差别很小,但是短路点距离变电所较近时数据相差很大,这是因为在变电所附近发生短路时,继电保护装置迅速动作,使得试验测量的数值不能正确反映实际稳态短路电流的情况。由上可见,该软件能够用于计算直流牵引供电系统短路电流的稳态值。

下面结合北京地铁6号线北海公园和东四牵引变电所的情况,对直流牵引网上下行双边并列供电时,接触轨发生短路情况进行仿真,输入仿真数据见表3所示。

短路点位置与短路电流的关系图如图7所示。

由图7可见,每个牵引变电所提供的短路电流值随短路点与变电所距离的增大而逐渐减小,并且短路点距离越大,短路电流值减小的幅度越不明显;总的短路电流稳态值为临近两个变电所提供的短路电流值的叠加,并且其数值是先减小后增大,在短路点位于两个牵引变电所距离一半的时候最小。

5 结束语

本文所编写的应用程序可较为准确的反映直流牵引供电系统短路电流的情况,但本文所采用的数学模型只考虑了短路点临近两个变电所提供的短路电流而忽略了远方变电所对短路点的影响,另外本文所采用的数学模型只是简化模型,为了提高计算的准确性,这就要求在建立数学模型时,还应考虑整个牵引网络对短路点的影响、钢轨对地的过渡电导、杂散电流收集网等诸多因素。

参考文献

[1]曹建设,杲秀芳.直流牵引网短路电流计算[J].城市轨道交通,2007(8):31-34.

[2]乌正康,杨其华.地铁牵引供电网短路稳态仿真分析[J].铁道学报,1993(3):39-44.

[3]李良威,李群湛.24脉波整流器外特性仿真及其在城市轨道交通中的应用[J].城市轨道交通,2007(2):52-55.

[4]齐兵,徐鸿滨.城市轨道交通供电系统直流短路试验[J].电气化铁道,2002(1):50-51.