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高(gāo)效研究機(jī)車牽引系統中主電(diàn)源保護系統

概述

基于Windows平台的新一(yī)代圖形化電(diàn)磁類仿真軟件(jiàn)EMTP-RV。該軟件(jiàn)在歐洲與北(běi)美多(duō)家電(diàn)力公司都已得到(dào)廣泛應用。本案例将介紹EMTP-RV助力加拿大龐巴迪公司對機(jī)車牽引系統中主電(diàn)源保護系統的性能(néng)進行深入研究的應用情況。

龐巴迪(Bombardier)是一(yī)家總部位于加拿大魁北(běi)克省蒙特利爾的交通(tōng)運輸設備制造商。主要産品有支線飛(fēi)機(jī)、公務噴氣飛(fēi)機(jī)、鐵路(lù)及高(gāo)速鐵路(lù)機(jī)車、城(chéng)市(shì)軌道交通(tōng)設備等。Bombardier Transportation公司的研發工(gōng)程師(shī)需要搭建詳細的機(jī)車直流主電(diàn)源系統模型，用于研究機(jī)車系統中主電(diàn)源保護設備的暫态短路(lù)電(diàn)流保護性能(néng)。由于機(jī)車運行過程中是移動的、機(jī)車的主電(diàn)源系統拓撲複雜(zá)以及車輛運行情況多(duō)樣，且故障的不同等級與機(jī)車的運行位置有關，這就(jiù)對機(jī)車牽引系統建模的精細程度提出了很高(gāo)的要求。在直流電(diàn)力系統中，傳統的基于AC RMS穩态仿真無法滿足研究電(diàn)流保護設備暫态特性的需求。

解決方案

基于EMTP-RV，客戶完成了：對機(jī)車設備和線纜保護的研究；限制通(tōng)常在機(jī)車下(xià)放(fàng)發生(shēng)的高(gāo)熱效應和磁能(néng)；更進一(yī)步的完成了仿真可能(néng)會(huì)發生(shēng)的故障等級，定義了保護設備的規格和等級，估算(suàn)故障持續時間，評定故障保護設備的選擇适應性以及測試保護設備在不同故障情況下(xià)的保護性能(néng)。

在機(jī)車中，類似于集電(diàn)靴熔絲和高(gāo)速電(diàn)流斷路(lù)器(qì)在機(jī)車電(diàn)力保護系統中起到(dào)重要的作用。當機(jī)車主電(diàn)源系統發生(shēng)短路(lù)故障時，這些電(diàn)流保護裝置通(tōng)常在短時間内就(jiù)要動作以保護主電(diàn)源系統。傳統的基于AC RMS有效值對保護裝置進行仿真的軟件(jiàn)由于無法反應裝置在電(diàn)磁暫态反應下(xià)的工(gōng)作特性，是不适用于這樣的需求的。

直流牽引系統需要通(tōng)過短路(lù)電(diàn)流保護分析仿真來評估在機(jī)車運行過程中可能(néng)會(huì)發生(shēng)的故障等級、保護設備的檢測以及滅弧機(jī)理探索。基于以上(shàng)需求，龐巴迪研發工(gōng)程師(shī)基于EMTP-RV平台，搭建了詳細的仿真模型。EMTP-RV具有不僅可以仿真詳細的電(diàn)力電(diàn)子非線性器(qì)件(jiàn)元件(jiàn)模型，更能(néng)以大規模的元件(jiàn)數量下(xià)進行仿真。龐巴迪研發工(gōng)程師(shī)将DC牽引系統下(xià)不同的機(jī)車結構，不同的故障位置以及不同的操作情況（穩态、）在EMTP-RV中搭建了變電(diàn)所、鐵軌和主電(diàn)源系統。

通(tōng)過先進的電(diàn)磁暫态仿真軟件(jiàn)完成了對機(jī)車牽引系統中直流主電(diàn)路(lù)中短路(lù)電(diàn)流保護研究的需要，項目完成了：評估短路(lù)故障情況的嚴重性；确定故障清除時間；依據選擇合适的保護設備和評估他們在不同故障情況下(xià)的可選擇性。

EMTP-RV的功能(néng)特點與其他應用

■ EMTP-RV仿真軟件(jiàn)的功能(néng)特點;

■ 豐富的電(diàn)力系統電(diàn)磁暫态仿真模型庫;

■ 具有出衆的建模靈活性；

■ 先進的仿真内核解算(suàn)器(qì)；

■ 可自(zì)定義的GUI；

■ 大量的電(diàn)機(jī)模型和非線性電(diàn)力電(diàn)子模型庫；

■ 對于非線性元件(jiàn)不再有拓撲限制；

■ 易于使用的人機(jī)界面；

更多(duō)應用

EMTP-RV是廣泛用于電(diàn)磁類、機(jī)電(diàn)類以及控制系統暫态分析的仿真和分析軟件(jiàn)。

EMTP-RV适用于廣泛的電(diàn)力系統分析應用場景，包括不限于以下(xià)：

■ 絕緣協調；

■ 開(kāi)關浪湧；

■ 鐵磁諧振；

■ HVDC；

■ 保護；

■ 軸扭轉應力；

■ 同步電(diàn)機(jī)；

■ 電(diàn)力電(diàn)子和FACTS；

■ 風機(jī)；

■ 雷擊電(diàn)湧；

■ 電(diàn)網絡分析；

■ 串聯補償；

■ 開(kāi)關設備；

1. 絕緣協調包括：

架空線路(lù)；室外變電(diàn)站(zhàn)；氣體絕緣變電(diàn)站(zhàn)；避雷器(qì)模型；

■ 特定的絕緣等級

■ 保護設備的安裝

經濟上(shàng)可接受的失敗的風險

絕緣協調

■ 雷擊浪湧會(huì)造成絕緣子鏈崩潰

電(diàn)網停電(diàn)

電(diàn)壓跌落

■ 直接閃電(diàn)

閃電(diàn)是電(diàn)流源模型（CIGRE模型）

■ 感應雷電(diàn)

感應電(diàn)壓：低(dī)于10KV，是低(dī)電(diàn)壓系統的棘手問題

■ 可滿足統計和參數研究

2、開(kāi)關浪湧

■ 研究開(kāi)關拓撲

■ 電(diàn)網絡分析

傳輸線的開(kāi)關

故障出現和消除

電(diàn)容通(tōng)斷

電(diàn)抗器(qì)通(tōng)斷

■ 斷路(lù)器(qì)模型

用于TRV研究的理想開(kāi)關

用于電(diàn)弧猝熄能(néng)力研究的電(diàn)弧模型

可滿足統計和參數研究

、

3. 鐵磁諧振

■ 振蕩現象

■ 四個(gè)元素

非線性電(diàn)感（電(diàn)力變壓器(qì)，電(diàn)壓互感器(qì)）

電(diàn)容（線纜，空氣絕緣導體）

電(diàn)壓源

低(dī)損耗

■ EMTP-RV模型（變壓器(qì)、電(diàn)纜、線）在頻域是精确和有效的

■ EMTP-RV解算(suàn)器(qì)仿真非線性元件(jiàn)具有高(gāo)度精确性

■ EMTP-RV軟件(jiàn)可用于理解、分析和消除鐵磁諧振

4. 電(diàn)力電(diàn)子和FACTS（HVDC，多(duō)端HVDC，SVC，VSC，TCSC）

■ EMTP-RV解算(suàn)器(qì)提供了用于電(diàn)力電(diàn)子仿真的先進解算(suàn)器(qì)，避免了開(kāi)關過程中的數值不穩定問題

■ 可實現開(kāi)關元件(jiàn)的詳細模型

■ 可設計控制系統

■ 提供了許多(duō)的FACTS（SVC，STATCOM）模型

5. HVDC

■ HVDC仿真不僅要求性能(néng)良好的解算(suàn)器(qì)同時需要高(gāo)精度模型（MOSFET，控制，線纜，故障模拟等）

■ 可仿真雙極，背靠背和多(duō)端HVDC系統

■ 仿真包含了平均值模型和詳細模型

■ 基于MMC的多(duō)端HVDC通(tōng)用和完整模型可進行仿真

6. 雷擊浪湧

■ 回火

■ 感應浪湧

■ 變電(diàn)站(zhàn)引入浪湧

7. 網絡分析

■ 網絡分割，電(diàn)能(néng)質量，地磁暴，補償與控制元件(jiàn)之間的交互，風機(jī)

■ 電(diàn)網分布不平衡

■ 詳細仿真與分析大規模電(diàn)力系統（無上(shàng)限）

■ 分布式電(diàn)網絡和分布式發電(diàn)

8. 保護

■ 電(diàn)能(néng)振蕩

■ 飽和問題

■ 電(diàn)湧放(fàng)電(diàn)器(qì)影響

9. 串聯補償

■ MOV電(diàn)能(néng)吸收

■ 短路(lù)電(diàn)流情況

■ 電(diàn)網絡交互

10. 軸扭轉應力

■ 次同步諧振

■ 開(kāi)關開(kāi)合感應

11. 開(kāi)關設備

■ TRV

■ 并聯補償

■ 電(diàn)流截斷

■ 電(diàn)流零點延遲

■ 電(diàn)弧現象

12. 同步電(diàn)機(jī)

■ SSR

■ 自(zì)激振蕩

■ 控制