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.

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.

城市轨道交通轨面短波不平顺谱实测研究

针对城市轨道交通诱发的振动噪声问题,对轨面短波不平顺进行研究.首先,对上海市轨道交通线路轨面短波不平顺实测数据进行零均值化、剔除异常值、消除趋势项等预处理.其次,利用改进的协方差法计算得到轨面短波不平顺功率谱,分析轨道类型、曲线半径及钢轨接头对轨面短波不平顺功率谱分布规律的影响.然后,基于非线性最小二乘法对轨面短波不平顺谱进行拟合.最后,提出我国城市轨道交通轨面短波不平顺统计谱表达式.研究结果表明:直线段接头区轨面短波不平顺功率谱密度曲线在整个分析波长范围内具有较多特征峰值;直线段接头区上、下行短波不平顺功率谱密度值随波长的分布特征和数值相差不大,说明上、下行的轨面不平顺状态基本相同;钢轨的磨耗程度与曲线半径呈负相关,内、外轨面不平顺功率谱密度的差异随曲线半径的增大而减小,曲线半径是影响轨面不平顺状态的主要因素之一;线路类型对轨面短波不平顺功率谱的影响不大,不同曲线半径、焊接接头影响明显,在对轨道进行维护和养护时需关注小曲线半径区段以及焊接接头区段的不平顺状态.

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。

基于分布式协同控制技术的分散式无功补偿技术方案研究

结合实际工程的应用实例从分散式无功补偿方案的提出、分布式协同吸收方案的理论、具体工程方案的设计进行简单的论述。结合线路开通后的实际运行工况,利用设置于正线的能量回馈吸收装置实现了分散式无功补偿,该方案可减少或完全取消设置于主变电所侧的SVG容量,充分开发和利用了能馈吸收装置的能力,节约了工程投资,实现了既定设计目标。

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。

考虑电池SOC一致性的城轨交通MHESS功率分配策略

在城市轨道交通中,通常采用多混合储能系统(MHESS)来解决列车在牵引和制动过程中所引起的牵引网络电压波动问题。该系统由超级电容器和锂电池组成,旨在平滑功率波动,实现“削峰填谷”。考虑到MHESS多个混合储能系统之间可能存在初始状态不一致的情况,提出一种考虑电池SOC一致性的RBF-PID控制策略,用于兼顾直流稳压特性以及电池储能系统寿命保护最优。由列车运行速度需求得到牵引功率需求,采用滑动平均滤波(MAF)算法将高频功率指令分配给超级电容,低频功率指令分配给电池与牵引网。进一步地,考虑到混合储能系统间初始状态不一致情况下的电池寿命保护问题,通过合理设计功率分配切换规则,在初始SOC较低电池的传统电压外环控制中引入基于电池SOC一致性的RBF-PID控制,合理控制电池的充放电电流,防止过冲、过放现象,从而延长电池寿命。为验证所提控制策略的有效性,使用Matlab/Simulink仿真软件进行仿真验证。实验结果表明,所提方法能够降低初始SOC较低电池的放电深度,有效保护储能元件。

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。

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。

产教融合视角下开设城市轨道交通运营施工组织与管理课程的研究

从行业企业需求、相关政策与规定,总结开设城市轨道交通运营施工组织与管理课程的可行性,结合地铁企业工作内容和流程,分析得到课程理论与实践教学内容,提出课程教材框架,为该课程的开发奠定基础,也为新课程的开发实践提供借鉴。

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。

城市轨道交通牵引供电系统专用轨回流技术综述

近年来,为彻底解决城市轨道交通直流供电制式下杂散电流的泄漏问题,开始应用专用轨回流技术。为充分了解专用轨回流方式给城市轨道交通建设带来的变化和影响,文章首先采用对比的方法,分别从供电系统组成、牵引所间距、接地方式、接地保护、列车检修静调、限界、车辆和轨道设计几个方面与走行轨回流方式进行比较;其次,针对目前几种专用轨电分段原则的特点对其进行比对,得出专用轨只有在与折返小交路电分段对齐设置分段时对运营维护将更有利的结论;再次,针对存在多条线大架修共享同一车辆基地,不同回流方式线路间存在跨线运行的情况,简述回流方式转换段设置的工程应用案例;最后,展望未来专用轨回流技术在城市轨道交通牵引供电系统的发展方向。

考虑主变电所资源共享的城市轨道交通供电系统无功补偿方案

[目的]当城市轨道交通供电系统的主变电所资源共享时,能够节省供电系统的投资成本。在此背景下,为使PCC(公共连接点)的功率因数达到标准,需要对不同阶段的主变电所资源共享无功补偿方案进行研究。[方法]以某城市地铁线路的供电系统为例,根据行车计划和供电系统结构,推算出PCC处在全日功率因数达标的情况下,主变电所资源共享前后的最小无功功率补偿量。提出考虑主变电所资源共享的无功补偿设置方案,以主变电所资源共享前后的最小无功功率补偿量满足补偿需求为基础,以SVG(静止无功发生器)容量最小为目标,确定SVG和电抗器或电容器的安装容量。[结果及结论]在案例线路的供电系统中,1#主变电所主变压器供电分区无功补偿装置的实际配置为:电抗器容量为6.0 Mvar;SVG容量为1.0 Mvar;2#主变压器供电分区无功补偿装置的配置为:电抗器容量为3.0 Mvar;SVG容量为0.5 Mvar。所提供电系统无功补偿方案将总计容量为9.0 Mvar的SVG装置替换成电抗器,在满足无功补偿需求的同时降低了投资成本。

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。

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。

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。

城轨交通牵引供电系统电流与功率追踪研究

对于包含多个变电站的城轨牵引供电系统,在多车协同运行场景下,变电站、牵引列车、制动列车之间存在着复杂的能量交互。现有的潮流计算方法只关注于得到某时刻下各支路电流的大小,并未深入分析系统中各源(变电站和制动列车)与负荷(牵引列车和线路电阻)之间定量的电流及功率分配关系。该文基于电路理论,对城轨牵引供电系统中的电流分配情况进行上游追踪与下游追踪,定量表征源电流与负荷电流之间的比例关系;基于电流追踪的结果,对城轨牵引供电系统的功率分配进行上游追踪与下游追踪,得到源功率与负荷功率之间的具体分配系数。最后,通过算例分析验证所提潮流追踪算法的有效性和正确性。潮流追踪直观定量地展示了系统的功率流动路径,为后续优化储能系统容量配置和多储能系统间的协调控制提供理论支撑。

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.