接触网技术课程设计报告-接触网的干扰影响及防护措施.doc

自动化与电气工程学院接触网技术课程设计接触网技术课程设计报告班 级： 电气084 学 号： 200809332 姓 名： 指导教师： 评语： 2012 年 2 月 24 日1 基本题目1.1 题目接触网的干扰影响及防护措施1.2 题目分析我国干线牵引供电系统采用工频单相交流制，其牵引网是一种不对称回路。当牵引电流流过接触网时，将要在接触网导线周围形成电场和磁场，这种电场和磁场对沿线邻近的通信线路和设备产生干扰和影响，使通信质量下降，严重时能危及设备和人身安全。因此，在修建电气化铁路的同时，必须考虑防干扰的技术措施。2 题目：接触网的干扰影响及防护措施2.1 单相交流电气化铁路将对沿线线路产生下述干扰影响2.1.1 静电感应电压影响当接触网加上25kv的工作电压以后，就在接触网导线（包括承力索和接触线）的四周建立起垂直于导线表面的交变电场。由于静电感应作用，处于电场内的架空通信线路将产生静电感应电位，从而对通信线路产生有害影响。2.1.2 电磁感应影响 当线路上有电力机车运行时，接触网内就流有工频单相交流牵引电流，它在接触网的周围建立起交变电磁场，因而对沿路架设的通信线路产生电磁交链，使通信线中产生沿导线纵方向的感言电动势，称为纵电动势。当通信线与接触网距离不远，其平行长度又较长时，在通信线路中感言的纵电动势可以达到危险的程度。电磁感应在相距100m以外时，仍有可观的影响。我国在观音坝单线区段的试验中，接触网和架空线的平均距离为250m，平行长度为18.3m，接触网短路电流为=1140a，实测所得纵电动势为787824v。通信线路中感应的纵向电动势可以表示为： （1）其中，角频率，=2f； 接触网与通信线的互感系数（）； 接触网与通信线平行接近长度（km）； 接触网电流（a）； 轨道的反磁效应，称为钢轨的屏蔽系数；2.1.3 杂音干扰 牵引电流是随时间波动的电流，当采用整流器式电力机车时，机车上的交流将被整流变成直流，在整流电流中会出现大量高次谐波。这谐波成分也能在通信中造成谐波感应电压，形成通信中的杂音干扰。2.2 常规采用的防干扰措施2.2.1 吸流变压器回流线（bt）方式在牵引网中架设吸流变压器回流线装置，是我国目前广泛采用的一种防护措施，它能迫使由轨道回来和从大地返回牵引变电所的机车牵引电流的绝大部分经由回流线路流回牵引变电所。这样，回流线中流回的电流与接触网内流过的牵引电流方向相反，它们形成的电磁场互相抵消。吸流变压器xlb的原边串接在接触网中，次边串接在回流线hlx中，其结构的接线图如图1所示。在两个吸流变压器中间，把轨道和回流线连接起来，这个连接线称为吸上线，它是机车电流返回回流线的通路。吸流变压器回流线方式，其原理图接线如图2所示。当牵引电流流经吸流变压器原边时，在副边的回流线中将产生很大的互感电势，由于电磁的作用，将强迫流经轨道的大部分电流通过吸上线xsx流到回流线中去，并返回牵引变电所。由于回流线电流抵消了绝大部分因接触网电流产生的电磁感应影响，因而对通信线的影响大为减轻。实践证明，回流线越靠近接触网越好，这样就把范围很大的接触网地回路改变成范围较小的接触网回流线回路，从而极大的减弱了接触网的空间磁场。图1 吸流变压器接线图但是这种装置并不能完全抵消牵引网对通信线路的感应影响，未能抵消掉的对通信线路残留的感应影响，称为长回路感应影响。这种长回路感应影响是由于机车电流和返回电流不相等、接触网和回流线相对于通信线的位置不相等、互感系数不一样引起的。这种残留影响约为无吸流变压器回流线装置时电气化铁路对通信线路影响的图2 吸流变压器-回流线方式qb-牵引变电所；xlb-吸流变压器；g-钢轨；hlx-回流线；j-接触线；xsx-吸上线；ij-接触网中的机车电流；ih-回流中返回的电流；ig-钢轨中的电流5%。除了长回路感应影响以外，机车运行时所在的位置对防护效果也有很大影响，如图3所示。当机车在吸流变压器附近的a点时，机车牵引电流将经过轨道、大地，然后经回流线流回，这时，在ab段内接触网中没有电流，在回流线中却有电流，即在ab段内相当于没有防护。若机车在吸流变压器附近的d点时，从图3中可以看出，在cd段内接触网中有电流，回流线中却没有电流，即在cd段内相当于没有防护。以上这两种情况都为吸流变压器回流线间的长度之半，所以称这种效应为半段效应。由此可知，在设置吸流变压器回流线时，对通信线路仍然存在残余影响，这种影响为长回路感应和半段效应的叠加。图3 半段效应原理示意图hlx-回流线；qb-牵引变电所；xlb-吸流变压器；j-接触线；g-钢轨吸流变压器回流线方式虽存在长回路感应和半段效应，仍有较好的防护性能，因而得到普遍采用。此外，这种吸流变压器回流线装置还存在着一些问题：(1) 安设了这种防护装置以后，使得牵引网单位长度阻抗加大，供电电压损失及电能损失均增加。(2) 机车受电弓通过吸流变压器分段时，将产生电弧，烧损接触线和受电弓滑板。在高速运行及大负荷时，这种烧损更为严重。2.2.2 吸流变压器钢轨方式 在国外也有只采用吸流变压器而不架设回流线的情况，这时吸流变压器的次边绕组接于钢轨中，如图4所示，其防护原理与有回流线时相同。吸流变压器钢轨方式，是在吸流变压器的作用下，使原来流经大地中的电流大部分流经钢轨，即沿轨道回路流回牵引变电所，此时钢轨和接触网中产生的电磁影响互相抵消，从而对沿线通信线路起防护作用。如前所述，由于钢轨和大地是不绝缘的，有部分电流依然经轨道后流入大地，加上钢轨与接触网相距较远，而且它们对通信线路的位置很不对称，因此这种方式不如吸流变压器回流线方式的防护效果好。由于吸流变压器的互感及吸附作用，所以此种方式仍具有一定的防护作用。图4 吸流变压器-钢轨方式qb-牵引变电所；xlb-吸流变压器；j-接触线；g-钢轨2.2.3 单设回流线方式所谓单设回流线方式，实际是回流线轨道方式，其接线图如图5所示。此方式是在接触网支柱上架设一条于钢轨并联的导线，以使钢轨中的电流尽可能经由回流线流回牵引变电所，这样既保持了供电回路的结构简单特点，又能起到一定的防护效果。在设计回流线时应设法使回流线尽量靠近接触线，以增加二者之间的互感作用，迫使更多的牵引电流沿着回流线流回牵引变电所，以降低对通信线路的感应影响。为此，回流线的架设有两种方式：其一是在接触悬挂的侧面；其二是在接触悬挂的正上方。后者要比前者效果好些，但是安装困难。总的来说，这种方式的防护效果要比吸流变压器方式差些，但是经济性好、可靠性高、故障率低、维修工作量小，且防干扰性能不随负荷电流改变。同时，这种方式馈电回来简单，回来阻抗小，一次投资及运营费均较低，是可推广的方式之一。2.2.4 自耦变压器（at）方式自耦变压器是一种电力变压器，它并接于接触网j、钢轨g和正馈线q之中，其接入方式如图6所示，这种方式由接触网、钢轨、正馈线和自耦变压器（简称at）组成供电回路，并在接触网与正馈线之间每隔10m左右并联接入一台自耦变压器，其中性点与钢轨联结，正馈线与接触悬挂同杆架设，正馈线架设于接触悬挂的背后。图5 回流线方式j-接触线；g-钢轨；qb-牵引变电所；hlx-回流线；xsx-吸上线自耦变压器供电方式具有良好的防干扰性能，这是由于自耦变压器本身的性能决定的。自耦变压器利用其耦合原理进行防护。例如，当机车运行于at2与at3之间的时候图6 自耦变压器接入方式qb-牵引变电所；j-接触线；g-钢轨；q-正馈线；at-自耦变压器；u-牵引网电压自耦变压器供电方式具有良好的防干扰性能，这是由于自耦变压器本身的性能决定的。自耦变压器利用其耦合原理进行防护。例如，当机车运行于at2与at3之间的位置时（见图6），由at2n1、at3n1绕组同时向机车供应电流，根据变压器安匝平衡的原理，必定有一定的机车电流分量被吸入n2绕组中，并经正馈线返回电影。当忽略变压器的励磁电流，且在n1=n2时，两绕组（n1与n2）中的电流大小相等，方向相反。也即在at2与at3的区间内，接触网与正馈线中将对称地流过供给机车的电流（如果机车处于正中间，将流过1/2机车电流），而且方向相反，因而它们产生的感应影响互相抵消。当机车运行于at2与at3之间或任意两相邻变压器之间时，牵引电流将由两侧流向机车，且在机车两侧钢轨内的电流方向相反，因而在通信线中的影响也起抵消作用。同时，机车的回归电流除了机车在at2、at3区间之外，均被限制在正馈线内。由于接触网和正馈线相隔较近，电流大小相等，方向相反，因而能有效的减弱对通信线的电磁影响。自耦变压器（at）方式的缺点是结构复杂，保护方式繁琐，且电力损耗较大，使得运营费用增加。2.2.5 同轴电力电缆方式同轴电力电缆是一种新型的防干扰供电方式，适用于电气化铁路穿越大城市或对净空受限的多隧道特殊地段。同轴电缆是沿着电气化铁路埋设的特殊专用电缆。电缆分为内导体和外导体。电缆的内导体作为正馈线，与接触网连接；电缆的外导体作为回流线，与钢轨连接。每隔一定距离（10-15km）分成一个电缆分段，其接入方式如图7、图8所示。基于同轴电力电缆本身所具有的特性，因而有着防干扰的良好效果。同轴电力电缆内、外导体是同轴的，且彼此绝缘，其间相距13mm，这是任何架空线所不能比拟的。根据互感耦合原理，可以认为电缆内、外导体处于全耦合状态，耦合系数近似为1，互感系数具有最大值。当内导体通以一定电流时，外导体会感应产生几乎大小相等、方向相反的电流。因此当它用于电气化铁路的供电回路时，则进一步改善了供电回路内的对称性，提高了防干扰性能。当同轴电力电缆用于电气化铁路中时，接触网有分段和不分段的两种方式。(1) 同轴电力电缆接触网分段方式接触网分段方式是把接触网分成与电缆分段距离大致相同的绝缘分段，如图7所示。当电力机车运行在任意一根联结线时，牵引电流将立即经钢轨、联结线流至电缆外导体，并沿外导体流回牵引变电所。在整个供电区段内，接触网和钢轨中基本没有电流，而只有内、外导体中有电流。如前所述，由于电缆内、外导体处于全耦合状态，电流吸回效率高，因此电缆内、外导体中电流不对称，对通信线产生的电磁感应影响很小。但是，当机车运行在其他位置时，例如在分段处附近，则机车与最近的联结线之间的接触网和钢轨内均有电流，这时将有一小部分电流经过大地至联结线，并通过电缆外导体流回牵引变电所。因而，在这种条件下，会对通信线产生相应的感应影响，这种感应影响主要是由于局部区段不对称供电产生的。(2) 同轴电力电缆接触网不分段方式接触网不分段方式是使接触网和电缆内导体处于全并联状态，如图8所示。由于接触网和电缆内导体在供电回路上是并联的，当机车运行在任一联结线时，接触网和电线内导体中均有同方向成正比例的电流流动，其电流大小与其各自的阻抗成反比例分配，这时，除电缆内、外导体因电流不对称而对通信线产生电磁感应影响外，接触网的电流也会对通信线产生感应影响。因此接触网不分段时比接触网分段时的防护效果差。但是，当机车运行在其他位置时，由于牵引电流从两侧流向机车，在机车两侧靠近联结线的钢轨内，电流方向也相反，见图8中的电流方向，因此对通信线的感应影响其抵消作用，图7 同轴电力电缆-接触网分段方式qb-牵引变电所；j-接触线；g-钢轨线；s1-电缆内导体；s2-电缆外导体；t-联结线就这种局部区段而言，其防干扰效果又比前一种方式好，但总的防护效果较接触网分段时差。图8 同轴电力电缆-接触网不分段方式qb-牵引变电所；j-接触线；g-钢轨线；s1-电缆内导体；s2-电缆外导体；t-联结线结 论本次课程设计的主要任务就是分析接触网的影响因素和防护措施，从根本上解决接触网的一些问题。虽然是理论研究，但是我们还是认真的搜集各方面资料，充分考虑多种因素。当然很多东西我们现在这个水平是想不到的，接触网的影响很多，包括静电感应电压的影响，电磁感应影响，杂音干扰等多种影响，当然防护措施也很多。常规采用的防干扰措施有：附加回流方式；吸流变压器钢轨方式；吸流变压器回流线方式；自耦变压器（at）方式；同轴电缆方式等。对通信线路，则可以采取改迁线路或实现电缆化。其中，回流线方式、吸流变压器回流线（bt）方式及自耦变压器（at）方式采用的较为普遍。本次课程设计使我学会了作为大学生如何去面对一个实际问题，如何收集资料并且运用资料，如何把学过的课本知识与实际问题相结合，如何制定解决问题的方案并通过实践不断地分析和解决前