第一章引言1.1课题的研究背景城市轨道交通系统是以城市电网的电能为动力，使用轮轨运转方式的大运量公共交通系统。随着社会的不断发展，以及城市人口的不断增长，城市轨道交通系统已成为城市公共交通系统中不可或缺的组成部分，并日显重要。目前，世界轨道交通按照轨道以及运行特点的不同，分为地铁、轻轨、市郊铁路以及磁悬浮列车等类型[1]。随着我国经济的腾飞，城市化进程的不断加快，一些特大城市普遍存在着交通拥堵，交通污染严重等突出的问题。由于城市轨道交通具有快捷舒适、运量巨大、安全节能、污染轻、占地少等明显优点，发展城市轨道交通已经成为城市发展公共交通的首选方针以及缓解城市交通问题的最佳选择。我国城市轨道交通开始于20世纪50年代的福州地铁的建设。进入20世纪90年代以来，我国城市轨道交通进入了一个快速的发展时期。我国规划建设的轨道交通网络总里程超过5000公里，总投资预算超过8000亿元。城市轨道交通系统一般的运行通道为市区（城市轻轨）或者地下隧道（地铁），采用600-3000V直流形式供电；同时，由于地铁车辆的运行间隙小、运量大、站与站问的距离短，地铁车辆需要进行频繁的启动、制动，使得城市轨道交通系统的用电情况更为复杂。以上因素使得城市轨道交通供电系统需要更为准确、可靠的保护系统。目前中国已有上海、福州、深圳、广州、武汉、南京等十多个城市拥有己投入运行的近50多条线路，全国规划建设轨道交通网络的城市则已超过30个。由此可见，中国的轨道交通建设具有宏大的发展前景，广阔的市场价值，该行业的发展壮大，将推动轨道交通的各种配套技术尤其是高新技术产业的跟踪发展，进而形成城市轨道交通行业的产业化生产体系。城市轨道交通牵引供电系统作为城市铁路运输的重要组成部分，其安全可靠运行是整个城市轨道交通安全畅通运行的基础。直流牵引供电保护系统应在确保向地铁列车提供安全可靠的供电的同时，尽量减少甚至消除不必要的停电时间，从而提高经济效益；而在直流牵引供电系统发生故障的情况下，应有选择性地迅速切除故1障，以保证列车、设备和旅客的人身安全。直流大电流测量技术在科学研究和生产实践中有着十分广泛的应用[2]，如在城市轨道交通的直流牵引系统和高压直流输电系统中用于对系统电流的测量；在大功率电子学以及核物理等科学研究中经常涉及直流大电流的测量；在金属冶炼工业中也是一项不可或缺的技术。而对于测量到的直流大电流也有不同的用途，如计量、保护与控制、监视等。随着城市轨道交通客流量的不断增加，传统的分流器以及霍尔传感器测量直流电流的手段已逐渐暴露出与之不相适应的弱点，如不断提高的负荷电流超出了分流器的测量范围，导致霍尔传感器频繁出现磁饱和从而无法准确记录被测电流的实际大小及变化过程，体积大、重量大、价格昂贵，不易于数字设备连接等。光电式互感器（OpticalCurrentTransformer）与传统的分流器以及霍尔传感器具有截然不同的测量原理和结构，它具有传统CT和分流器所不具有的优点，如不含铁芯，没有铁磁共振、磁饱和，绝缘性好，动态范围大，可在相当宽的电流范围内保持良好的线性特性，测量频带宽，受电磁干扰小，体积小、重量轻、易于与数字设备连接等特点[3]，符合地铁技术的发展方向。因此，对地铁使用的分流器，霍尔互感器以及光学互感器的研究亦具有重要的意义。城市轨道交通直流保护系统直流侧的配置分为直流母线保护、直流馈线柜保护、负极柜保护等几个部分。目前直流母线保护不够完善，仅装设了大电流脱扣保护（断路器本体保护）。随着社会的发展，城市轨道交通的客流量越来越大，使得地铁正常运行的负荷也随之增长，这也导致母线负荷电流量的上升，现有保护配置已不能满足城市轨道交通安全运行的需要，因此，研究新型牵引供电系统直流母线保护方法具有重要的意义。1.2本文主要研究内容本文从城市轨道交通直流牵引供电系统的结构出发，对直流牵引供电系统进行建模，包括牵引变电站、第三轨及走行轨，地铁机车传动系统模型，并对直流牵引供电系统进行仿真分析。通过分析系统不同的运行状态下直流母线的电流分布情况，提出适用于地铁直流母线的保护算法，针对CT断线这一情况提出适合于地铁直流牵引系统的CT断线闭锁判据。对地铁直流大电流的测量装置进行误差分析，研究直流牵引供电系统谐波对地铁直流保护的影响，并设计相应的模拟低通滤波器和数字滤波器。同时，基于对本文设计的母差动保护算法以及CT断线闭锁判据进行验证。针对直流牵引供电系统的电流测量装置以及直流保护系统应满足的要求，2本文对牵引供电系统微机保护装置的基本结构进行设计，并对直流侧保护装置进行配置，最后对该保护系统的数据通信方式进行探索。第二章牵引供电系统直流