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        基于武夷新區(qū)有軌電車的線路牽引供電系統(tǒng)總體技術(shù)方案研究

        2024-02-03 02:52:38赫宏聯(lián)孫應(yīng)東費(fèi)久利元世斌
        關(guān)鍵詞:變電所接觸網(wǎng)分區(qū)

        李 虎, 赫宏聯(lián), 孫應(yīng)東, 費(fèi)久利, 王 惠, 元世斌

        (中車唐山機(jī)車車輛有限公司, 河北唐山 063000)

        0 引言

        現(xiàn)代有軌電車是一種中低運(yùn)量的城市軌道交通[1],供電系統(tǒng)為有軌電車動(dòng)態(tài)運(yùn)行提供電能, 是重要的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。有軌電車供電系統(tǒng)的安全、可靠工作對(duì)保障有軌電車的正常運(yùn)行至關(guān)重要。

        本文依托武夷新區(qū)旅游觀光軌道交通項(xiàng)目實(shí)際工程化應(yīng)用案例, 通過對(duì)國內(nèi)外現(xiàn)有城市有軌電車線路的調(diào)研,對(duì)城市有軌電車供電系統(tǒng)技術(shù)方案進(jìn)行了探討,并結(jié)合武夷新區(qū)有軌電車線路數(shù)據(jù)開展了供電仿真計(jì)算研究工作。

        1 供電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

        1.1 供電方式

        武夷新區(qū)旅游觀光軌道交通武夷山東站至武夷山景區(qū)線起于合福鐵路武夷山東站, 經(jīng)將口、 興田及仙店片區(qū), 終于公館大橋南橋頭武夷山景區(qū)南入口, 線路長(zhǎng)約25.5km。

        有軌電車供電方式有集中式、半集中式、分散式、混合式等不同形式[2]。 在國內(nèi),沈陽市渾南新區(qū)現(xiàn)代有軌電車采用10kV 分散供電方式,蘇州高新區(qū)有軌電車1 號(hào)線采用10kV 半集中供電方式。

        本線供電系統(tǒng)采用分散供電方案, 全線共設(shè)置10kV電源開閉所4 座,分別位于武夷山東站、黃土站、仙店站和麥場(chǎng)站。 牽引網(wǎng)采用牽引網(wǎng)采用DC750V 架空接觸網(wǎng)。全線共設(shè)置12 座牽引降壓混合變電所,1 座降壓變電所。電力監(jiān)控系統(tǒng)由控制中心的電力調(diào)度系統(tǒng)、 各變電所內(nèi)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)以及聯(lián)系二者的通信通道構(gòu)成。

        1.2 饋電制式

        結(jié)合國內(nèi)外已投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)有軌電車線路, 饋電方式主要包括第三軌和接觸網(wǎng)兩種技術(shù)形式, 而架空接觸網(wǎng)因其技術(shù)成熟、易于穿過平交道口、安全性高、維護(hù)經(jīng)驗(yàn)豐富、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)被國內(nèi)外大量采用。 我國蘇州高新區(qū)、天津?yàn)I海新區(qū)、上海張江等有軌電車就采用DC750V架空接觸線饋電方式。在不宜架設(shè)架空接觸線,且具有專有路權(quán)的特殊線路,也可以采用第三軌供電。

        本項(xiàng)目采用架空接觸線饋電方式。

        1.3 供電電壓

        根據(jù) 《城市無軌電車和有軌電車供電系統(tǒng)》(CJ/T 1-1999)(表1), 系統(tǒng)直流標(biāo)稱電壓為750V 或600V(600V為非推薦值)[3]。 同時(shí)國際電工委員會(huì)(IEC)、國際鐵路聯(lián)盟(UIC)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(EN)也都推薦使用DC750V。

        表1 直流系統(tǒng)電壓一覽表(單位:V)

        目前,我國城市軌道交通供電系統(tǒng)的中壓網(wǎng)絡(luò)電壓等級(jí)主要采用35kV 和10kV。 電壓等級(jí)越高,則輸電容量越大、送電距離越遠(yuǎn)。不過,有軌電車是中低運(yùn)量的軌道交通, 在具體實(shí)施中應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程條件,選擇合理的電壓等級(jí)。考慮到我國中壓網(wǎng)絡(luò)以10kV 為主, 并且10kV 能滿足有軌電車供電電能輸送需要,建議有軌電車線路中壓網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先采用10kV,只有當(dāng)城市電網(wǎng)沒有10kV 時(shí),才考慮采用35kV。

        因此,本項(xiàng)目線路牽引供電應(yīng)采用DC750V,中壓網(wǎng)絡(luò)電壓采用10kV。

        2 中壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及供電分區(qū)

        2.1 中壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

        目前, 國內(nèi)地鐵供電系統(tǒng)中壓網(wǎng)絡(luò)多采用雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。與大中運(yùn)量的地鐵不同,有軌電車是中低運(yùn)量的城市軌道交通。其牽引負(fù)荷小,動(dòng)力照明負(fù)荷遠(yuǎn)小于地鐵動(dòng)力照明負(fù)荷(主要是箱式變電所所內(nèi)自用電)。 為節(jié)約投資成本和簡(jiǎn)化中壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 國內(nèi)有軌電車工程中多采用具有接線簡(jiǎn)單、高壓設(shè)備少、控制保護(hù)簡(jiǎn)單、投資省的單環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),如圖1 所示。電源牽引變電所從城網(wǎng)引入一路10kV 電源進(jìn)線,并設(shè)二路出線至相鄰牽引變電所,相鄰牽引變電所通過單回電纜連接。

        圖1 中壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

        《城市無軌電車和有軌電車供電系統(tǒng)》(CJ/T1-1999)規(guī)定交流母線一般采用單母線或分段單母線接線。 一般情況下, 在10kV 交流母線上分別配置2 臺(tái)變比10/0.59/0.59kV 的12 脈波整流變壓器和1 臺(tái)10/0.4kV 的降壓變壓器。根據(jù)工程實(shí)際情況,若方便引入城網(wǎng)配電變壓器低壓側(cè)電源,也可將其引入作為變電所和車站備用電源。若受安裝空間限制但引入的低壓電源可靠性較高, 為節(jié)省工程投資可取消設(shè)置降壓變壓器。

        2.2 供電分區(qū)

        有軌電車供電系統(tǒng)中壓網(wǎng)絡(luò)供電分區(qū)劃分時(shí)應(yīng)考慮因素:①線路電壓損失要求。中壓網(wǎng)絡(luò)應(yīng)按列車運(yùn)行的遠(yuǎn)期通過能力設(shè)計(jì),對(duì)互為備用線路,一路退出運(yùn)行另一路應(yīng)承擔(dān)其一、二級(jí)負(fù)荷的供電,線路末端電壓損失不宜超過5%;②滿足繼電保護(hù)的要求;③經(jīng)濟(jì)性要求。供電分區(qū)劃分越多,技術(shù)參數(shù)當(dāng)然能滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行要求,但變電所饋出線開關(guān)柜間隔、 饋出線電纜長(zhǎng)度及變電所占地面積也相應(yīng)增加,將直接增加建設(shè)投資成本。

        一般情況下,供電分區(qū)的劃分應(yīng)在滿足規(guī)范要求電壓損失前提下,盡量減少供電分區(qū)數(shù)量,以節(jié)省工程投資。

        3 牽引變電所和減壓變電所

        3.1 箱式變電所與站內(nèi)房屋式變電所

        目前, 國內(nèi)地鐵工程變電所多采用站內(nèi)房屋式變電所。地鐵牽引變電所一般與車站合建,土建面積一般約需300m2。 在工程中經(jīng)常使車站加長(zhǎng),大幅度增加車站建筑面積,且存在與土建專業(yè)難以配合等問題。對(duì)于地面和高架車站,房屋式變電所還會(huì)引起景觀問題?,F(xiàn)代有軌電車是中小運(yùn)量的城市軌道交通,車站較為簡(jiǎn)易,一般不單獨(dú)設(shè)置建筑房屋。 有軌電車線路主要是城市地面線和少量高架線,不宜采用體積龐大的房屋式變電所。國內(nèi)有軌電車工程多采用布置緊湊,體積較小的箱式變電所。箱式變電所已在國外廣泛采用,如美國達(dá)拉斯地區(qū)的輕軌系統(tǒng)、圣地亞哥的地鐵系統(tǒng)。 國內(nèi)天津市濱海新區(qū)有軌電車也采用了箱式變電所[4]。

        3.2 變電所選址

        變電所選址應(yīng)靠近負(fù)荷中心,鄰近線路布置,且滿足中壓網(wǎng)絡(luò)電纜壓降要求等。一般說來,變電所的位置離線路距離應(yīng)控制在幾百米之內(nèi)。實(shí)際工程中,變電所貼近線路布置。牽引變電所可根據(jù)線路條件高于地面、地下和高架橋下。地面和高架橋下的變電所應(yīng)與城市規(guī)劃相協(xié)調(diào),與城市環(huán)境相融洽,并考慮電纜引入、引出措施。

        3.3 交直流接線

        箱式變電所10kV 交流母線多采用單母線不分段接線方式, 牽引變壓器和降壓變壓器均從同一段母線取得電源。 DC750V 直流母線也采用單母線不分段接線形式。

        3.4 整流機(jī)組

        隨著對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越高, 近年來現(xiàn)代有軌電車廣泛采用由兩套12 脈波整流機(jī)組構(gòu)成的24 脈波整流。 24 脈波整流機(jī)組主電路如圖2 所示。 整流機(jī)組主要由兩臺(tái)12 脈波軸向雙分裂式牽引整流變壓器和四組全波整流橋組成。 每臺(tái)變壓器閥側(cè)二套繞組分別拉成d 接法和y 接法,其線電壓形成30°電度角。 兩臺(tái)變壓器的網(wǎng)側(cè)采用延邊三角形接法,分別移相±7.5°。這樣形成的兩臺(tái)變壓器的四套閥側(cè)繞組的線電壓相量互15°,分別經(jīng)過全波整流后,在直流側(cè)并聯(lián)運(yùn)行,構(gòu)成24 脈波整流機(jī)組。

        圖2 24 脈波整流機(jī)組主電路原理圖

        3.5 再生制動(dòng)能量利用

        有軌電車再生制動(dòng)能量的利用主要有逆變和儲(chǔ)能兩種方案。 其代表技術(shù)主要有:逆變至中壓網(wǎng)絡(luò)、逆變至低壓負(fù)荷、蓄電池儲(chǔ)能、電容儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能。 其中逆變至中壓網(wǎng)絡(luò)和電容儲(chǔ)能是最有應(yīng)用前景的主流技術(shù), 目前也只有這兩種技術(shù)在國際上得到一定規(guī)模的應(yīng)用。 兩種方案的比較如表2 所示??芍?,對(duì)于集中式有軌電車供電系統(tǒng),可優(yōu)先采用逆變至中壓網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行能量利用。電容實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化后,也可采用電容儲(chǔ)能方案。對(duì)于分散式有軌電車供電系統(tǒng),宜采用電容儲(chǔ)能方案[5]。特別地,對(duì)于超級(jí)電容和蓄電池供電的有軌電車, 只能采用車載儲(chǔ)能的方式利用再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量。

        表2 兩種主流技術(shù)比較表

        4 接觸網(wǎng)

        架空接觸網(wǎng)是設(shè)置在車輛頂部, 通過車頂受流裝置向車輛供電的接觸網(wǎng)。接觸網(wǎng)架設(shè)范圍包括正線、正線間的渡線、折返線、停車線、出入段線以及車輛段內(nèi)電化股道等部分。

        4.1 接觸網(wǎng)系統(tǒng)

        (1)牽引網(wǎng)。 包括了接觸網(wǎng)、鋼軌回路(包括大地)、饋電線和回流線的一個(gè)大范疇, 它是軌道交通供電系統(tǒng)中向電動(dòng)車組供電的直接環(huán)節(jié)。

        (2)接觸網(wǎng)。 是一種軌道敷設(shè)的、和鐵路軌頂保持一定距離的輸電網(wǎng)。 通過電動(dòng)車組的受電弓(或受流器)和接觸網(wǎng)的滑動(dòng)接觸,牽引電能就由接觸網(wǎng)進(jìn)入電動(dòng)車組,驅(qū)動(dòng)牽引電動(dòng)機(jī)使列車運(yùn)行。 接觸網(wǎng)是牽引網(wǎng)中的重要環(huán)節(jié)。

        (3)饋電線。 是連接牽引變電所和接觸網(wǎng)的導(dǎo)線,它把經(jīng)牽引變電所變換成符合牽引制式用的電能饋送給接觸網(wǎng)。

        (4)軌道。在電力牽引時(shí),除具有支撐和導(dǎo)向功能外,還完成導(dǎo)通回流的作用。

        (5)回流線。 是連接軌道和牽引變電所的導(dǎo)線,通過回流線把軌道中的回路電流導(dǎo)入牽引變電所。

        4.2 接觸網(wǎng)的供電方式

        牽引變電所向接觸網(wǎng)供電有兩種方式: 單邊供電方式和雙邊供電方式。

        (1)單邊供電。接觸網(wǎng)通常在相鄰兩牽引變電所間的中央斷開, 將兩牽引變電所之間兩供電臂的接觸網(wǎng)分為兩個(gè)供電分區(qū), 每一供電分區(qū)的接觸網(wǎng)只從一端的牽引變電所獲得電流。

        (2)雙邊供電。 如圖3 所示,中央斷開處設(shè)置開關(guān)設(shè)備,可將兩供電分區(qū)連通,此處稱為分區(qū)亭(SP),將分區(qū)亭的開關(guān)閉合, 則相鄰牽引變電所間的兩個(gè)接觸網(wǎng)供電分區(qū)均可同時(shí)從兩個(gè)變電所獲得電流。

        圖3 雙邊供電示意圖

        5 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

        有軌電車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)(即SCADA 系統(tǒng)),,由4 部分組成:位于控制中心的電力調(diào)度中心主站系統(tǒng)(即中央監(jiān)控系統(tǒng))、位于變電所的遠(yuǎn)程終端(RTU,即變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng))、通信網(wǎng)絡(luò)、位于供電維修基地的供電復(fù)示系統(tǒng)。 SCADA 系統(tǒng)主要針對(duì)直流供電系統(tǒng)完成遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)和遙視“五遙”功能[6]。

        每套綜合自動(dòng)化系統(tǒng)配置以下設(shè)備:一套監(jiān)控單元、一套監(jiān)控工作站和一面綜控屏,如圖4 所示。

        圖4 普通變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

        圖5 網(wǎng)壓分布圖

        圖6 上行網(wǎng)流分布圖

        圖7 下行網(wǎng)流分布圖

        6 供電仿真計(jì)算

        有軌電車供電計(jì)算過程包括直流牽引供電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真、建模,創(chuàng)建牽引供電網(wǎng)絡(luò)的等值電路模型,建立節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣并通過潮流計(jì)算求解整個(gè)供電系統(tǒng)的電壓、電流分布狀況[7]。

        6.1 靜態(tài)計(jì)算

        靜態(tài)計(jì)算基于牽引所、接觸網(wǎng)及走行軌參數(shù),開展網(wǎng)壓分布、網(wǎng)流分布仿真計(jì)算。

        (1)牽引所參數(shù),見表3。

        表3 牽引所參數(shù)

        (2)接觸網(wǎng)及走行軌參數(shù),見表4。

        表4 接觸網(wǎng)及走行軌參數(shù)

        (3)有軌電車參數(shù),見表5。

        表5 有軌電車參數(shù)

        (4)網(wǎng)壓網(wǎng)流分布,見表6。

        表6 網(wǎng)壓分布

        表7 網(wǎng)流分布

        6.2 動(dòng)態(tài)計(jì)算

        動(dòng)態(tài)計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與靜態(tài)計(jì)算一樣,也即牽引所、接觸網(wǎng)及走行軌參數(shù)均相同。 仿真時(shí)間即發(fā)車間隔 (比如:300s),每秒更新一次供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真計(jì)算。

        (1)牽引計(jì)算結(jié)果,見表8,表9。

        表8 上行牽引計(jì)算數(shù)據(jù)(部分)

        表9 下行牽引計(jì)算數(shù)據(jù)(部分)

        (2)變電所V-T,見圖8。

        圖8 變電所V-T 圖

        (3)變電所I-T,見圖9。

        圖9 變電所I-T 圖

        (4)變電所P-T,見圖10。

        圖10 變電所P-T 圖

        (5)牽引網(wǎng)損失功率-T,見圖11。

        圖11 牽引網(wǎng)損失功率-T 圖

        7 結(jié)束語

        本文基于有軌電車系統(tǒng)的特點(diǎn), 探討了有軌電車牽引供電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、中壓網(wǎng)絡(luò)、牽引變電所和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等方面的技術(shù)應(yīng)用。 結(jié)合武夷新區(qū)現(xiàn)代有軌電車項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)文件,進(jìn)行了供電系統(tǒng)仿真計(jì)算,論證了系統(tǒng)原理的方案可行性,對(duì)后續(xù)工程化打下了良好的基礎(chǔ)。文中所提出的有軌電車供電系統(tǒng)方案可用于指導(dǎo)公司內(nèi)及車輛段直流供電系統(tǒng)試驗(yàn)線建設(shè), 也可用于相關(guān)工程設(shè)計(jì)人員參考。

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