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应用分享∣高效研究机车牵引系统中主电源保护系统

编者按
 
      科梁公司于2016年为中国区客户隆重引入了世界范围内各个电力系统企业的主要电力系统分析工具:基于Windows平台的新一代图形化电磁类仿真软件EMTP-RV。该软件在法国电力集团EDF,法国输电网公司RTE,魁北克电力公司Hydro-Québec和许多其他的部门、制造商、咨询公司等都得到了广泛的应用。本案例将介绍EMTP-RV助力加拿大庞巴迪公司对机车牵引系统中主电源保护系统的性能进行深入研究的应用情况。
挑战
 
      庞巴迪(Bombardier)是一家总部位于加拿大魁北克省蒙特利尔的国际性交通运输设备制造商。主要产品有支线飞机、公务喷气飞机、铁路及高速铁路机车、城市轨道交通设备等。Bombardier Transportation公司的研发工程师需要搭建详细的机车直流主电源系统模型,用于研究机车系统中主电源保护设备的暂态短路电流保护性能。由于机车运行过程中是移动的、机车的主电源系统拓扑复杂以及车辆运行情况多样,且故障的不同等级与机车的运行位置有关,这就对机车牵引系统建模的精细程度提出了很高的要求。在直流电力系统中,传统的基于AC RMS稳态仿真无法满足研究电流保护设备暂态特性的需求。
解决方案
 
       基于EMTP-RV,客户完成了:对机车设备和线缆保护的研究;限制通常在机车下放发生的高热效应和磁能;更进一步的完成了仿真可能会发生的故障等级,定义了保护设备的规格和等级,估算故障持续时间,评定故障保护设备的选择适应性以及测试保护设备在不同故障情况下的保护性能。
       在机车中,类似于集电靴熔丝和高速电流断路器在机车电力保护系统中起到非常重要的作用。当机车主电源系统发生短路故障时,这些电流保护装置通常在极短的时间内就要动作以保护主电源系统。传统的基于AC RMS有效值对保护装置进行仿真的软件由于无法反应装置在电磁暂态反应下的工作特性,是不适用于这样的需求的。
       直流牵引系统需要通过短路电流保护分析仿真来评估在机车运行过程中可能会发生的故障等级、保护设备的检测以及灭弧机理探索。基于以上需求,庞巴迪研发工程师基于EMTP-RV平台,搭建了详细的仿真模型。EMTP-RV具有不仅可以仿真详细的电力电子非线性器件元件模型,更能以极大规模的元件数量下进行仿真。庞巴迪研发工程师将DC牵引系统下不同的机车结构,不同的故障位置以及不同的操作情况(稳态、)在EMTP-RV中搭建了变电所、铁轨和主电源系统。
成果:
DC牵引系统模型:
变电站模型:
机车模型:
 
   通过先进的电磁暂态仿真软件完成了对机车牵引系统中直流主电路中短路电流保护研究的需要,项目完成了:评估短路故障情况的严重性;确定故障清除时间;依据选择合适的保护设备和评估他们在不同故障情况下的可选择性。

EMTP-RV的功能特点与其他应用
   
 ·EMTP-RV仿真软件的功能特点;
·
丰富的电力系统电磁暂态仿真模型库;
·具有出众的建模灵活性;
·先进的仿真内核解算器;
·可自定义的GUI;
·大量的电机模型和非线性电力电子模型库;
·对于非线性元件不再有拓扑限制;
·易于使用的人机界面。
更多应用:

EMTP-RV是广泛用于电磁类、机电类以及控制系统暂态分析的仿真和分析软件,是目前最为先进的暂态分析软件。

EMTP-RV适用于广泛的电力系统分析应用场景,包括不限于以下:
·绝缘协调;
·开关浪涌;
·铁磁谐振;
·HVDC;
·保护;
·轴扭转应力;
·同步电机;
·电力电子和FACTS;
·风机;
·雷击电涌;
·电网络分析;
·串联补偿;
·开关设备;
 
1.绝缘协调包括:
架空线路;室外变电站;气体绝缘变电站;避雷器模型;
→特定的绝缘等级
→保护设备的安装
·经济上可接受的失败的风险
·绝缘协调
→雷击浪涌会造成绝缘子链崩溃
·电网停电
·电压跌落
→直接闪电
·闪电是电流源模型(CIGRE模型)
→感应雷电
·感应电压:低于10KV,是低电压系统的棘手问题
→可满足统计和参数研究
2.开关浪涌
→研究开关拓扑
→电网络分析
·传输线的开关
·故障出现和消除
·电容通断
·电抗器通断
→断路器模型
·用于TRV研究的理想开关
·用于电弧猝熄能力研究的电弧模型
→可满足统计和参数研究
 
3.铁磁谐振
→振荡现象
→四个必须元素
·非线性电感(电力变压器,电压互感器)
·电容(线缆,空气绝缘导体)
·电压源
·低损耗
→EMTP-RV模型(变压器、电缆、线)在频域是精确和有效的
→EMTP-RV解算器仿真非线性元件具有高度精确性
→EMTP-RV软件可用于理解、分析和消除铁磁谐振

4.电力电子和FACTS(HVDC,多端HVDC,SVC,VSC,TCSC)
→EMTP-RV解算器提供了用于电力电子仿真的先进解算器,避免了开关过程中的数值不稳定问题
→可实现开关元件的详细模型
→可设计控制系统
→提供了许多的FACTS(SVC,STATCOM)模型
 
 

5. HVDC

l  HVDC仿真不仅要求性能良好的解算器同时需要高精度模型(MOSFET,控制,线缆,故障模拟等)

l  可仿真双极,背靠背和多端HVDC系统

l  仿真包含了平均值模型和详细模型

l  基于MMC的多端HVDC通用和完整模型可进行仿真

 

 

6. 雷击浪涌

l  回火

l  感应浪涌

l  变电站引入浪涌


7.  网络分析

l  网络分割,电能质量,地磁暴,补偿与控制元件之间的交互,风机

l  电网分布不平衡

l  详细仿真与分析大规模电力系统(无上限)

l  分布式电网络和分布式发电


8. 保护 

l  电能振荡

l  饱和问题

l  电涌放电器影响


9.串联补偿 

l  MOV电能吸收

l  短路电流情况