Influence of soil resistivity on stray current in power supply system of urban rail transit

In order to explore the influence of soil resistivity on stray current in power supply system of urban rail transit,we establish an equivalent circuit model of the rail-to-ground structure based on resistance network method first.After measuring the soil resistivity of a real subway system,a simulation model is established in Matlab to obtain the stray currents at different soil resistivities.Then the influence of soil resistivity on stray current is analyzed.Afterwards,to verify the rationality and reliability of the simulation model,we design a test circuit to measure the stray current and rail-to-ground voltage in a real subway system,and a comparison of the experimentally measured results and simulation results is presented.The results show that the stray current is the maximum when the soil resistivity is 211.57Ω·m;when the soil resistivity is 768.47Ω·m,the stray current is the minimum,that is,the smaller the soil resistivity,the greater the stray current.Therefore,the resistivity should be increased as much as possible when ramming the track foundation in urban rail transit system.

Industrial frequency single-phase AC traction power supply system for urban rail transit and its key technologies

To avoid stray current and maintain the benefit of no phase-split in the DC traction power supply system, an AC traction power supply system was proposed for the urban public transport such as metro and light rail transit. The proposed system consists of a main substation （MSS） and cable traction network （CTN）. The MSS includes a single-phase main traction transformer and a negative-se- quence compensation device, while the CTN includes double-core cables, traction transformers, overhead catenary system, rails, etc. Several key techniques for the proposed system were put forward and discussed, which can be summarized as （1） the power supply principle, equivalent circuit and transmission ability of the CTN, the cable-catenary matching technique, and the selection of catenary voltage level; （2） the segmentation technology and status identification method for traction power supply network, distributed and centralized protection schemes, etc.; （3） a power supply scheme for single-line MSS and a power supply scheme of MSS shared by two or more lines. The proposed industrial frequency single-phase AC traction power supply system shows an excellent technical performance, good economy, and high reliability, hence provides a new alternative for metro and urban rail transit power supply systems.

Advances in Inductively Coupled Power Transfer Technology for Rail Transit

Traditional power supply method for moving electric railway vehicles is based on contact type power collection technology.This sometimes cannot meet the requirements of modern rail transportation.A new wireless power transfer(WPT)technology can offer significant benefits in modern rail transportation particularly in some stringent environments.This paper reviews the status and the development of rail transit power supply technology,and introduces a new challenging technology--inductive power transfer(IPT)technology for rail transit.Tesla established the underpinning of IPT technology and creatively and significantly demonstrated power transfer by using highly resonant tuned coils long time ago.However,only in recent years the IPT technology has been significantly improved including the transfer air-gap length,transfer efficiency,coupling factor,power transfer capability and so on.This is mainly due to innovative semiconductor switches,higher control frequency,better coil designs and high performance material,new track and vehicle construction techniques.Recent advances in IPT for rail transit and major milestones of the developments are summarized in this paper.Some important technical issues such as coupling coil structures,power supply schemes,segmentation switching techniques for long-distance power supply,and bidirectional IPT systems for braking energy feedback are discussed.

DC Traction Power Supply System Based on Modular Multilevel Converter Suitable for Energy Feeding and De-icing

A novel DC traction power supply system suitable for energy feeding and de-icing is proposed in this paper for an urban rail transit catenary on the basis of the full bridge submodule (FBSM) modular multilevel converter (MMC). The FBSM-MMC is a novel type of voltage source converter (VSC) and can directly control the output DC voltage and conduct bipolar currents, thus flexibly controlling the power flow of the urban rail transit catenary. The proposed topology can overcome the inherent disadvantages of the output voltage drop in the diode rectifier units, increase the power supply distance and reduce the number of traction substations. The flexible DC technology can coordinate multiple FBSM-MMCs in a wide area and jointly complete the bidirectional control of catenary power flow during the operation of the electric locomotive, so as to realize the local consumption and optimal utilization of the recovered braking energy of the train. In addition, the FBSM-MMCs can also adjust the output current when the locomotive is out of service to prevent the catenary from icing in winter. The working modes of the proposed topology are illustrated in detail and the control strategy is specially designed for normal locomotive operations and catenary de-icing. Simulation cases conducted by PSCAD/EMTDC validate the proposed topology and its control strategy.

Coupling real-time simulation of power supply,trains and dispatching for urban rail transit

In order to study the interaction among the traction power supply,the train group and the operation dispatching of urban rail transit,a coupling simulation system of power supply system,trains and dispatching management is constructed.In order to solve the problems of different timescales and difficult cooperation operation for related subsystems,a multi-bus distributed real-time network architecture based on hierarchical management of communication data is established,and simulation management software is developed to facilitate the free expansion of the simulation system.Meanwhile,the track line,train operation and other large timescale subsystems are realized by the pure digital simulation.And the time-sensitive subsystems,such as train traction system,braking system,auxiliary power supply system and network system etc.,are built by the semi-physical simulation.In this article,the system structure and the main implementation principle of each simulation subsystem are given in detail,and the system is tested and verified at the end.The results show that the simulation system can meet the expected requirements.

基于Simulink/MATLAB的实际地铁线路供电系统短路试验仿真分析

直流牵引供电系统在城市轨道交通中扮演着关键角色,其安全可靠的运行对整个城市轨道交通系统的运行至关重要。该文首先介绍地铁牵引供电系统的结构和功能,并建立地铁外部交流电源、整流机组和牵引网络的仿真模型。该仿真模型根据实际地铁牵引供电系统的结构和参数进行构建,旨在研究不同短路情况下的短路特性,包括电源出口短路、近距离短路和远距离短路。通过评估供电系统在短路故障下的稳定性和可靠性,得出若干研究结果。这些结果为地铁供电系统选择合适的一次设备提供理论依据,有助于确保城市轨道交通供电系统的稳定性和可靠性。

上海轨道交通崇明线牵引供电制式方案研究

[目的]为了解决传统采用钢轨回流的直流牵引供电系统存在杂散电流腐蚀、直流供电距离受限等问题。[方法]对国内外主要城市轨道交通AC 25 kV/50 Hz牵引供电制式和直流牵引供电制式的应用情况、技术特点、适用性等指标进行对比分析后,结合上海轨道交通崇明线工程的特殊性,提出采用DC 1500 V架空接触网+负极专用回流轨的牵引供电方式;针对在越江段隧道内是否设置牵引变电所设计了两种供电方案,仿真计算了两种方案下供电系统供电能力达到24对/h时牵引网最低电压、整流机组功率和牵引变电所有效电流等指标,并进行了比较分析。[结果及结论]采用负极专用回流轨的直流牵引供电制式可从根本上杜绝杂散电流的产生及其对周边管线的腐蚀;在长距离越江区段设置牵引变电所方案与牵引直流设备“双套配置”方案相比,前者的供电可靠性和供电能力更具优势。

基于GOOSE通信的城市轨道交通直流牵引供电系统双边联跳与自愈方案

[目的]城市轨道交通直流牵引供电系统的结构复杂且无备用,一旦故障将直接引发停车事故。针对传统牵引供电系统双边联跳方案在实际工程中暴露出的不足,以及直流牵引供电系统智能化程度较低的现状,需研究出利用智能化手段提高直流牵引供电系统双边联跳可靠性的方案。[方法]提出了一种基于GOOSE(面向通用对象的变电站事件)通信的直流牵引供电系统双边联跳与自愈方案。该方案在直流牵引供电系统内构建了GOOSE过程层通信网络,通过牵引变电所内及牵引变电所间各类信息的快速实时交换实现了直流牵引供电系统的双边联跳与自愈重构。对所提出的方案进行了实验室模拟与现场验证。[结果及结论]基于GOOSE通信的城市轨道交通直流牵引供电系统双边联跳与自愈方案具有更高的可靠性与实时性,且方案智能化程度较高,可进行推广应用。

冲击响应特性在轨地过渡电阻检测中的应用

[目的]城市轨道交通线路杂散电流的危害越来越不容忽视。杂散电流不易检测,轨地过渡电阻的大小是影响杂散电流最关键的因素,因此,通过检测轨地过渡电阻的大小来判断杂散电流的影响程度,是治理杂散电流的有效方法。[方法]基于EMTP(电磁暂态程序)软件,搭建了轨道电路分布参数仿真模型。采用单一控制变量法,分别得到了分布电容、分布电感、钢轨纵向电阻、轨地过渡电阻对冲击阻抗时变特性曲线的影响规律。提出利用冲击阻抗时变比值曲线来判断轨地过渡电阻是否符合要求的方法,并对成都某条城市轨道交通线路进行了实际测量,对该方法进行了验证。[结果及结论]7~20μs时间段内,仅轨地过渡电阻1个参数对冲击阻抗时变特性造成影响。可利用此特征下的冲击阻抗时变特性来反映轨地过渡电阻情况,并对轨地过渡电阻值是否满足规范要求进行有效判断。实测结果表明,该检测方法具有可行性和实用性。

基于馈线和电流的专用轨回流牵引供电系统接地故障保护

对于专用轨回流牵引供电系统,负极回流轨对地具有良好的绝缘特性,极大地限制了正极接地故障所产生的短路电流。由于负极母线电位下降、接地电阻较大等原因,现有的正极接地保护在实际应用中暴露出选择性差、灵敏度低等问题。本文通过对专用轨回流牵引供电系统短路电流以及负荷电流的潮流分析,提出以供电区间馈线和电流作为正极接地故障判断的特征量,并设计基于该故障特征量的保护方案,基于MATLAB/Simulink仿真系统,验证了该保护方案的有效性。

城市轨道交通供电设备智能运维管控系统开发与应用研究

本文就城市轨道交通供电设备智能运维管控系统的开发与应用进行了全面系统的探讨,旨在通过实证分析验证系统的应用效果和实际效益,以期为城市轨道交通供电系统的智能化管理提供理论依据和实践指导。

双向变流器在城市轨道交通供电系统中的应用

[目的]为了解决城市轨道交通供电系统存在的再生能量利用和网压波动大的问题,提出一种基于双向变流供电技术的牵引系统供电方案。[方法]介绍了双向变流器的主电路拓扑及其运行逻辑;提出了独立供电和混合供电两种模式下的双向变流器控制特性,并设计了恒压和下垂相结合的外特性曲线;以徐州地铁2号线为例,进行了车辆段试车线单列车AW0(空载)牵引及制动工况下的独立供电和混合供电试验,以及正线12列车正常运行工况下的独立供电和混合供电试验,测试了列车运行性能指标和双向变流器性能指标。[结果及结论]双向变流器可根据线路上的列车运行工况,自动、平滑地切换整流及逆变运行模式,与列车的牵引及制动工况自动适应。采用双向变流供电能够显著改善列车网压的波动,避免网压低于1500 V的工况,改善了列车的牵引运行特性。

城市轨道交通贯通供电方式牵引网分段供电方案及故障辨识方法

[目的]城市轨道交通线路采用贯通供电方式时,因牵引网结构复杂且无备用,牵引网发生故障时可能会扩大停电范围,为此需要对牵引网的分段供电方案进行优化。[方法]提出了一种适用于贯通供电方式的牵引网分段供电方案。基于牵引网分段供电拓扑特征,结合车-网耦合特性,提出了分段故障、过渡段故障的辨识方法。对牵引网分段短路和过渡区短路2个故障场景的控制方案进行了分析,描述了这2个故障场景下牵引网的自愈流程,并制定了这2个故障场景对应的断路器控制方案。以广州地铁18号线牵引供电系统为例,通过MATLAB/Simulink软件仿真,验证了所提分段供电方案及故障辨识方法的正确性和可靠性。[结果及结论]该方法可有效辨识故障区段。牵引网故障断路器控制方案可为分段和过渡区提供可靠的主保护,可保证广州地铁18号线牵引供电系统稳定、高效运行。

基于健康指数的直流断路器状态评估模型

[目的]直流断路器是地铁牵引供电系统的关键设备。为了通过采取合理的维保策略提高牵引供电系统可靠性,需准确评估直流断路器健康状态。[方法]采用健康指数表征设备整体健康状态,构建设备健康状态的综合评估模型。基于设备特征参数变化反映设备健康状态,合理选择评估指标建立设备运行状态多指标评估体系;结合层次法和熵权法改进各分项指标权重的计算方式,使得设备健康状态评估模型的建立更加合理;依据该评估模型计算设备健康指数,并建立基于历史健康数据的使用寿命模型来拟合设备健康指数的变化趋势,评估设备未来健康状态与预测设备剩余使用寿命;以某牵引变电站实际数据为例,对所提评估模型进行验证。[结果及结论]实例分析结果表明:该直流断路器状态评估模型具有一定的有效性与合理性,能够科学地对直流断路器健康状态与剩余使用寿命进行判断与预测。

计及指标重要度的地铁供电设备健康状态分级评估方法

针对现有维修模式中存在的“维修不足”和“维修过度”等问题,提出了一种计及指标重要度的地铁供电设备健康状态分级评估方法。根据层次分析和模糊统计相结合的方法求解设备健康值,并将指标的重要度考虑在内,对设备所处的健康状态进行等级划分,最后以干式变压器为例进行实例分析。研究结果表明:利用本文提出的评估方法能够合理地表征地铁供电设备的健康状态,与实际情况符合,验证了方法的准确性及可行性。

基于车体接地电流的故障列车精准识别方法

针对专用回流轨直流牵引供电系统发生正极与车体短路故障时,故障列车不能被精准识别的问题,首先给出了双边供电牵引系统等值模型,其次分析了故障列车和正常列车的车体接地电流特征差异,最后提出了一种基于车体接地电流的故障列车精准识别方法。所提方法采用列车的车体接地电流幅值和方向作为故障识别判据,当其幅值小于整定值时判断列车正常,当大于等于整定值时继而采用其方向进行判断,电流为正方向的列车被判为故障车,电流为反方向的列车被判为正常车。该方法原理简单,实现方便,实用性强,采用双重判据能有效避免误判,可靠性高。通过Matlab仿真和现场试验录波验证了方法的可行性和有效性。

城市轨道交通车体垂向振动对弓网受流性能的影响

[目的]既有对接触网系统动力学仿真的研究大多基于受电弓底座仅有纵向自由度的假设,忽略了轮轨激励引起的车体垂向振动对弓网受流性能的影响,需要将车辆-受电弓-接触网(以下简称“车-弓-网”)作为一个整体予以研究。[方法]分别建立了刚性接触网、柔性接触网两种接触网类型下的弓网耦合动力学模型及车-弓-网多体动力学模型。在案例线路上进行了弓网动态受流试验,对所建的刚性接触网车-弓-网多体动力学模型的计算结果进行了可行性验证。基于列车运行速度为80 km/h、90 km/h、100 km/h、110 km/h及120 km/h五种速度工况,选取了其中两种速度工况对刚性接触网受电弓绝缘子底座处的垂向动态响应进行了分析,并在五种速度工况下分别对两种接触网类型下弓网模型、车-弓-网模型的各动态响应参数进行了对比分析。[结果及结论]所建车-弓-网多体动力学模型的模拟计算结果是合理的。车体振动会对弓网受流性能产生一定影响:柔性接触网下车体垂向振动对弓网受流性能影响很小,可不予考虑;刚性接触网下,与未考虑车体垂向振动的弓网模型相比,考虑了车体垂向振动的车-弓-网模型计算得到的弓网接触压力统计最小值、弓头最大抬升位移均随列车运行速度的增加而增加,弓网接触压力统计最小值变化率的最大值为24.7%,弓头最大抬升位移变化率的最大值为4.2%。

城市轨道交通供电系统能馈装置无功协调控制方案研究

[目的]目前,城市轨道交通供电系统主要依赖于主变电所SVG(静止无功补偿器)进行无功补偿,夜间非运营时分,城市轨道交通供电系统中压环网线路基本处于空载状态,线路充电无功功率大,使得SVG长期重负荷运行。为缓解SVG的补偿压力,提出了一种能馈装置无功协调控制方案,协调SVG与牵引变电所的能馈装置共同参与无功补偿。[方法]分析了能馈装置的无功补偿容量计算方法,提出了SVG与能馈装置无功协调控制策略,最后通过某地铁线路现场试验来验证SVG与能馈装置无功协调控制策略的正确性。[结果及结论]当某地铁线路全线的能馈装置全部投入无功补偿之后,SVG无功补偿容量最大可以下降2.6 Mvar,中压环网线路有功损耗功率可从0.7 MW下降至0.5 MW。

城市轨道交通深度节能降耗策略研究

[目的]随着城市轨道交通运营线路的增加及运营时间的增加,电能耗也在逐年增长。为降低电能耗,减少运营成本,需对城市轨道交通节能降耗策略进行深入研究。[方法]分析了城市轨道交通电能耗的构成,归纳了列车牵引能耗、动力设备能耗及照明能耗的影响因素,总结了南宁轨道交通在节能降耗方面所采取的策略及在实践应用中取得的成效,从列车牵引、动力设备、照明等方面提出了城市轨道交通深度节能降耗的策略建议。[结果及结论]南宁轨道交通在2022—2023年通过实施ATO(列车自动驾驶)牵引制动曲线优化、列车空调控制逻辑优化、BAS(环境与设备监控系统)焓值优化、“风、水平衡”调试及照明亮度调节优化等节能降耗策略,使电能耗大幅下降,每条线路每年可节电约16 GWh。建议各地城市轨道交通运营公司结合自身的运营特点,在线路设计、设备及管材选型、施工质量、运营组织、运营管理等方面,制定相应能源消耗及节能管理办法,实现最大限度节能降耗。

双边供电下的钢轨电位影响因素及抑制措施分析

双边供电方式能够实现长距离无分相贯通供电,与单边供电方式相比系统牵引回流特性有差异,进而将导致钢轨电位分布不同,故需对双边供电方式下的钢轨电位进行研究。基于双边供电复线牵引网模型,推导了系统钢轨电位及轨中电流计算过程,通过分析钢轨电位的影响因素提出双边供电复线牵引网钢轨电位的抑制措施。研究结果表明:单边供电与双边供电取流点附近的钢轨电位基本一致,但双边供电方式下会在牵引变电所处造成更低的钢轨电位。双边供电方式下,钢轨电位在机车取流处达到最大值,取流点两侧钢轨电位逐渐减小,当上下行机车位置关于相邻变电所区间中点对称时,该区间内钢轨电位分布几乎一致,机车越靠近相邻变电所区间中点钢轨电位越大,列车运行组织应尽量避免机车在靠近两相邻变电所区间中点会车。轨地过渡电阻3Ω·km增大到15Ω·km时,钢轨电位最大值从52.49 V增大到109.01 V,增幅为107.68%,可通过降阻达到钢轨电位抑制效果。土壤电阻率从10Ω·m增加到200Ω·m时,牵引变电所处的钢轨电位从10.82 V增加到36.74 V,增幅为239.56%。钢轨电位分析与治理需充分考虑线路周围土壤条件。增设贯通地线后,机车取流处钢轨电位迅速降低,抑制钢轨电位效果显著。