（控制科学与工程专业论文）牵引供电系统的建模与馈线保护研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t m 7 4 3 学科分类号 5 8 0 3 0 1 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 13 8 0 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名张勋学号 2 0 0 8 0 0 1 3 8 0 获学位专业名称 控制科学与工程 获学位专业代码 0 8 1 l 牵引供电系统建模，馈 课题来源省、市、自治区项目 研究方向 线保护 论文题目牵引供电系统的建模与馈线保护研究 关键词牵引供电系统，建模，馈线保护 论文答辩日期 2 0 11 5 3 1论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称工作单位学科专长 牵引供电系统故障诊断 指导教师李夏青教授北京石油化工学院 与继电保护 评阅人l朱群雄教授北京化工大学智能控制与数据挖掘 评阅人2 椿，卜能教授 北京石油化工学院 图像处理与模式识别 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席 朱群雄教授北京化工大学智能控制与数据挖掘 答辩委员1 戴波教授北京石油化工学院智能检测与自动化装置 答辩委员2 刘建东 教授北京石油化工学院信息隐藏和混沌密码 答辩委员3 林小竹 教授北京石油化工学院图像处理与模式识别 答辩委员4 徐华 教授北京石油化工学院三维图象处理 答辩委员5 征：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在中国图书资料分类法查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准( c b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 学位论文数据集牵引供电系统的建模与馈线保护研究 摘要 随着我国高速铁路的迅猛发展，高铁出行在城市之间的交通体系中 所处地位的日益提高，保证高速铁路的安全稳定运行己成为人们关注和 研究的热点，而作为其重要环节，牵引供电系统的研究更成为了重中之 重。高速铁路的微机保护方法大致包括：自适应三段距离保护、电流速 断保护、过电流保护、自适应电流增量保护、反时限过负荷保护、t v 断线检测、接触网发热保护、一次自动重合闸、分区所、开闭所检有压 元、故障点测距等。从现场采集到的电流波形来看，不管是故障电流还 是正常运行电流，都较为相似。因此要区别这些类似的波形有必要认真 分析高速铁路供电系统特性，建立高速铁路正常运行以及发生故障( 短 路) 时的模型，为继电保护设备的研究和性能检验提供依据。本文基于 m a t l a b s i m u l i n k 建立高速铁路牵引供电系统模型，通过改变参数，进行 了模型仿真实验。 论文主要工作有： l 、深入研究高速铁路现有的各种供电方式以及变压器连接方式 2 、在对一种基于单线模型的电流分布研究方法的基础上推导出末端 并联的复线a t 牵引供电方式下电流分布情况以及短路电流大小。 3 、对现有的继电保护方式进行研究，推导基于偏峰度的故障电流识 别方法进行继电保护框图。 北京化t 大学硕上学位论文 4 、利用m a t l a b s i m u l i n k 对高速铁路各重要部分进行了建模，并进 行了仿真实验。 关键词：牵引供电系统，建模，馈线保护 i l a b s t r a c t t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mm o d e l i n ga n d f e e d e rp r o t e c t i o n a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e dr a i l w a yi nc h i n a ，h i g h s p e e d - r a i li n c r e a s em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nt h ec i t yt r a n s p o r ts y s t e m e n s u r et h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo ft h em t rh a sb e c o m eaf o c u so fa t t e n t i o n a n ds t u d y a sa ni m p o r t a n tp a r t ，t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mb e c a m eat o p p r i o r i t y c o m p u t e rh i g h s p e e dr a i l w a yp r o t e c t i o nm e t h o d sg e n e r a l l yh a v e t h e f o l l o w i n gw a y s ：t h r e ea d a p t i v e d i s t a n c e p r o t e c t i o n ，t r i p c u r r e n t p r o t e c t i o n ，o v e rc u r r e n tp r o t e c t i o n ，a d a p t i v ec u r r e n ti n c r e m e n tp r o t e c t i o n ， i n v e r s et i m e o v e r l o a d p r o t e c t i o n ，t v b r e a k d e t e c t i o n ，c a t e n a r yh e a t p r o t e c t i o n ，a na u t o m a t i cr e c l o s i n g ，t h ep a r t i t i o n s ，o p e n i n ga n dc l o s i n go f t h ei n s p e c t i o na p r e s s u r ee l e m e n t ，t h ef a u l td i s t a n c e ，e t c c o l l e c t e df r o m t h e f i e l dt ot h ec u r r e n tw a v eo fv i e w , r e g a r d l e s so ff a u l tc u r r e n to rt h en o r m a l o p e r a t i o no ft h ec u r r e n t ，a r er e l a t i v e l ys i m i l a r t h e r e f o r e ，t od i s t i n g u i s h b e t w e e nt h e s es i m i l a rn e e df o rac a r e f u la n a l y s i so ft h ew a v ep o w e rs y s t e m f e a t u r e sh i g h s p e e dr a i l w a y , t h ee s t a b l i s h m e n to ft h en o r m a lo p e r a t i o no f h i 曲一s p e e dr a i l w a ya n dt h ef a i l u r e ( s h o r tc i r c u i t ) w h e nt h em o d e lf o rt h e s t u d ya n dp r o t e c t i o ne q u i p m e n t ，p r o v i d et h eb a s i sf o rp e r f o r m a n c et e s t i n g b a s e do nm a t l a b s i m u l i n kt oe s t a b l i s hh i g h - s p e e dr a i l w a yt r a c t i o np o w e r i i i 北京化工大学硕士学位论文 s u p p l ys y s t e mm o d e l ，b yc h a n g i n gt h ep a r a m e t e r s ，t h es i m u l a t i o nm o d e l t h e r ea r es o m ea t t r i b u t i o n si nt h ep a p e r ： 1 、d e p t hs t u d yt h ev a r i o u se x i s t i n gh i g h s p e e dr a i l w a yp o w e rs u p p l y a n dt r a n s f o r m e rc o n n e c t i o n 2 、as i n g l em o d e lb a s e do nt h ec u r r e n td i s t r i b u t i o no nt h eb a s i so f r e s e a r c hm e t h o d sd e r i v e da tt h ee n do fd o u b l et r a c ki np a r a l l e lu n d e r t h ec u r r e n td i s t r i b u t i o no ft r a c t i o np o w e r s u p p l ya sw e l la ss h o r t c i r c u i t c u r r e n t 3 、r e s e a r c hp r o t e c t i o no fe x i s t i n gm e t h o d s ，d e r i v eb a s e do np a r t i a l k u r t o s i sf a u l tc u r r e n tp r o t e c t i o nb l o c kd i a g r a mo ft h em e t h o d 4 、u s i n gm a t l a b s i m u l i n k ，m o d e l ei m p o r t a n tp a r t so f t h eh i g h s p e e d k e y w o r d s ：t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，m o d e l i n g ，f e e d e rp r o t e c t i o n ， i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题背景以及研究意义一l 1 2 国内外研究现状一2 1 3 论文所作工作和创新9 第二章a t 网络阻抗与短路电流的计算11 2 1 单线a t 网络中电流、阻抗和短路电流计算1 1 2 2 末端并联的复线a t 网络电流分布、阻抗和短路电流的计算1 4 2 3a t 网络等效电路17 2 4 本章小节2 0 第三章馈线故障分析及馈线保护的配置2 1 3 1 馈线故障分析2 1 3 2 微机馈线保护原理2 1 3 3 牵引网故障性质识别原理2 4 3 4 接触网故障点测距原理2 6 3 5 基于偏、峰度的故障诊断2 8 3 6 本章小节3 0 第四章牵引供电系统仿真分析3 1 4 1m a t l a b 仿真分析31 4 1 1 供电电源仿真模型及参数设置31 4 1 2 牵引变压器仿真模型及参数设置3 2 4 1 3a t 变压器仿真模型及参数设置3 4 4 1 4 牵引网仿真模型及参数设置3 5 4 2 机车模型仿真设计3 9 4 3 模型仿真4 1 4 3 本章小结4 3 第五章总结与展望4 5 v 北京化t 大学硕十学位论文 参考文献4 7 致谢4 9 研究成果及发表的学术论文5 1 作者和导师简介5 3 v i c o n t e n t s co n t e n t s c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1 1t h eb a c k d r o po f t h et o p i ca n dt h ei n t e n t i o no f s e l e c t i n gt h et i p i c 1 1 2r e s e a r c hs t a t u sh o m ea n da b r o f i d ：1 1 3m y j o ba n dr e s e a r c h 9 c h a p t e r 2s u m m a r y o fc o v e r tc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y 1 1 2 1s i n g l e - a tn e t w o r kc u r r e n t r e s i s t a n c ea n ds h o r t c i r c u i tc u r r e n tc a l c u l a t i o n 11 2 2t h ee n do fp a r a l l e ld o u b l e t r a c kn e t w o r kc u r r e n td i s t r i b u t i o n ，r e s i s t a n c ea n ds h o r t c i r c u i tc u r r e n tc a l c u l a t i o n 1 4 2 3a tn e t w o r ke q u i v a l e n tc i r c u i t 17 2 4r e v i e w 2 0 c h a p t e r 3f e e d e rp r o t e c t i o n ，21 3 1f e e d e rf a u l ta n a l y s i s 2 1 3 2tp r i n c i p l e so f c o m p u t e rf e e d e rp r o t e c t i o n 2 1 3 3p r i n c i p l e so f t r a c t i o np r o p e r t yi d e n t i f i c a t i o nf a i l u r e 2 4 3 4f a u l tl o c a t i o np r i n c i p l eo c s 2 6 3 5b a s e do np a r t i a l t h ef a u l td i a g n o s i sk u r t o s i s 2 8 3 6r e v i e w 3 0 c h a p t e r 4s i m u l a t i o no ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m 3 3 4 1m a t l a bs i m u l a t i o n 3 1 4 1 1p o w e r m o d e la n dp a r a m e t e r s 31 4 1 2t r a c t i o nt r a n s f a i r m e rm o d e la n dp a r a m e t e r 3 2 4 1 3a tt r a n s f o r m e rm o d e la n dp a r a m e t e r 3 4 4 1 4t r a c t i o nn e t w o r km o d e la n dp a r a m e t e r j ：；! ； 4 2t r a i nm o d e ls i m u l a t i o nd e s i g n 3 9 4 3m o d e ls i m u l a t i o n 4 1 4 4r e v i e w 4 3 v i i 北京化工大学硕上学位论文 c h a p t e r 5s u m m a r ya n do u t l o o k 4 5 r e f r e n c e 4 7 t h a n k s 。4 9 a c a d e m i cp a p e r sp u b l i s h e d 5 1 a u t h o r sp r o f i l e 5 3 第一章绪论 1 1 课题背景以及研究意义 第一章绪论 1 8 7 9 年5 月柏林贸易展览会上，由s i e m e n s 和h a l s k e 研制的世界上第一条电 气化铁路展示在世人面前( 图1 1 ) ，谁也没想到这条仅长5 0 0 m 的铁路会成为后世 电气化铁路乃至高速铁路的基础。1 9 6 4 年日本新干线的运营，标志着世界上第一条高 速铁路j 下式“服役”。高速铁路发展到今天，经历了三次修建的浪潮：第一次浪潮 为1 9 6 4 年至1 9 9 0 年这段时间，1 9 6 4 年，世界上首条高速铁路在日本诞生，即 东海道新干线，这条高速铁路经过5 年建设，于1 9 6 4 年7 月竣工，1 9 6 4 年1 0 月正式运营。至此，同本、法国、德国、意大利四国开始率先发展高速铁路。第 二次浪潮为1 9 9 0 年至9 0 年代中期欧洲各国开始大规模修建本国或跨国高速铁路，逐 步形成了欧洲高铁网。第三次浪潮为9 0 年代中期至今在世界范围内掀起了建设高铁 的热潮。 图1 - 1 世界上第一条电气化铁路 f i g 1 - 1t h ew o r l d sf i r s te l e c t r i f i e dr a i l w a y 随着我国城市化进程的快速发展，城市间的沟通与交流成为制约我国经济发展的 一个重要因素。人民对于出行的要求越来越高，高速铁路因其输送能力大、速度快、 安全性好、舒适以及正点率高等优点得到了各国人民的青睐。我国的高速铁路虽起步 较晚，但发展较快。根据中国铁路中长期发展规划：“到2 0 2 0 年，为满足快速 增长的旅客运输需求，建立省会城市及大中城市间的快速客运通道，规划“四纵 四横”铁路快速客运通道以及四个城际快速客运系统。建设客运专线1 2 万公里 以上，客车速度目标值达到每小时2 0 0 公里及以上。”现如今，高速铁路的概念绝 不仅仅局限于“高速 ，高速铁路除了要在速度上越来越快之外，在安全，舒适， 环保等方面的要求也愈加严格。特别是在保证时速3 0 0 k m 以上的列车行车安全的要求 北京化工大学硕上学位论文 下，就必须对高速铁路牵引供电系统这一关键技术进行深入研究。 1 2 国内外研究现状 从世界上第一条高速铁路建设至今，经过几十年的发展与创新，各国高速铁路都 对高速铁路牵引供电系统进行了创新和发展，使得高速铁路的技术飞速发展，使其牵 引供电系统达到前所未有的高水平，且各有特色。图1 2 是我国京津高速铁路客运专 线牵引供电系统简化图。客运专线全程1 2 0 公里，沿线车站有北京南站、亦庄站、 永乐站( 预留) 、武清站、天津站。发车最小间隔为3 分钟，列车最快时速可达到 3 5 0 公罩d , 时。沿线设有2 个牵引变电所，7 个a t 所和1 个分区所。其中每个 牵引变电所均有l 主1 备两台变压器。7 个a t 所中除了1 号和7 号备有2 台自 耦变压器，其余均备有3 台，2 台投入工作，一台备用。接触网采用上下行同相 单边供电，在无故障情况时实现上、下行接触网并联供电，在故障情况下实现越 区供电，a t 所处的上、下行接触网也实行并联。 a l s lt s s la - i s 2a 1 5 3a i s 4i s s 2a l s 5a t s 6 图l - 2 京津高速铁路客运专线牵引供电系统简化图 f i g 1 - 2b e i j i n g - t i a n j i nh i g h s p e e dr a i l w a yp a s s e n g e rl i n es i m p l i f i e dd i a g r a mo ft r a c t i o np o w e rs u p p l y s y s t e m 牵引供电系统的构成可简化成图1 3 的形式，这就是一个最简单的牵引供电系统。 相对于牵引变电所而言，通常把为其供电的电力系统称为外部电源或一次系统。狭义 的牵引供电系统主要由牵引变电所和牵引网构成。牵引变电所将外部电源供应的电能 进行升压或者降压处理，使电压成为符合驱动电力机车的标准电压，并通过牵引网传 输电能。牵引网主要由馈线，接触网，钢轨和回流线等组成。图2 2 中，电能通过馈 线传输到牵引网上，机车从牵引网取电，最后通过钢轨或者回流线流回变电所【2 1 。 2 第一章绪论 图1 _ 3 牵引供电系统示意图 f i g 1 - 3t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m 牵引变压器是牵引变电所的核心设备。牵引变压器种类繁多，有单相变压器、v v 接线变压器、三相变压器、当量平衡变压器、变形w o o d b r i d g e 接线变压器、阻抗匹 配平衡变压器与s c o t t 平衡变压器( 3 1 等。其中常见的变压器接法原理图如图1 4 所示。 a b c a b c t r y yy j。一j 一 ( a ) 3 北京化- t 大学硕十学位论文 a b c 接供电供电臂 ( c ) 图1 4 牵引变压器接法原理图 ( a ) 单向变压器，( b ) v v 接线变压器，( c ) 三相变压器 f i g 1 - 4t r a c t i o nt r a n s f o r m e rc o n n e c t i o n ( a ) s i n g l et r a n s f o r m e r ，( b ) v vc o n n e c t i o nt r a n s f o r m e r ，( c ) t h r e e - p h a s et r a n s f o r m e r 在我国，a t 供电方式下主要采用的变压器为v v 接线变压器、三相变压器与s c o t t 平衡变压器。v v 接线变压器可以看作是单向变压器的一种特殊连接方式。v v 接线用 2 台单向变压器连接成开口三角形，在图中，1 a 和2 a 为单向变压器。两台单相变 压器以v 的方式联于三相电力系统每一个牵引变电所都可以实现由三相系统的 两相线电压供电。两变压器次边绕组，各取一端联至2 7 5 k v 的a 、b 相母线上。 而它们的另一端则以联成公共端的方式接至钢轨引回的回流线。根据牵引供电的 要求，既可接成正“v ”，也可接成反“v ”。当两供电臂负荷相近时，v v 接线的不 对称系数大约为o 5 ，要优于纯单向变压器【4 】。其优点是所内设备和布置均较简 单，维修方式也比较方便，造价比较低廉。 牵引网的供电方式按分区所的运行状态，通常分为单边供电、双边供电两种方式。 这部分本文不予讨论。按牵引网设备类型主要分为b t ( b o o s t e r - t r a n s f o r m e r ) 供电方式、 直接供电方式、c c ( c o a x i a lc a b l e ) 供电方式和a t ( a u t o t r a n s f o r m e r ) 供电方式等。原 理图如图5 所示 4 第一章绪论 ( b ) 5 ( c ) t f 北京化工大学硕士学位论文 ( d ) 图1 - 5 牵引供电方式 ( a ) 直接供电方式，( b ) b t 供电方式，( c ) a t 供电方式，( d ) c c 供电方式 f i g 1 - 5 t r a c t i o np o w e rs u p p l y ( a ) d i r e c tp o w e rs u p p l y ，( b ) b tp o w e rs u p p l y ，( c ) a tp o w e rs u p p l y ，( d ) c cp o w e rs u p p l y 上面四种供电方式各有优劣，直接供电方式是四种供电方式中投资最少的供电方 式。但是直接供电方式对牵引网阻抗大，长距离输电电能损失大，而a t 和b t 供电 方式虽然投资比直接供电方式大，但是由于其牵引网阻抗小，b t 供电方式大约为直 接供电方式的5 0 左右，a t 供电方式则更小，大约在2 5 左右，因此a t 和b t 供 电方式较直接供电方式电能损失小，对通信影响小。c c 供电方式由于同轴电力电缆 造价高，因此投资大，一般只在特殊地区使用。a t 供电方式是2 0 世纪中后期发展起 来的，由日本最早在其山阳新干线上应用，这种供电方式每隔一段距离会在接触网与 正馈线之间并联接入1 台自耦变压器，其中性点与钢轨相接。其原理是：高速机车或 者普通机车通过接触网受电后，牵引电流一般由钢轨流回，由于a t 变压器的存在， 从钢轨流回的电流，经a t 变压器绕组和正馈线流回变电所【5 】。a t 供电方式的牵引网 阻抗与直接供电方式相比小的多，较其他供电方式也较小，投资也不大，故受到很多 国家的青睐。由于a t 供电方式的广泛应用，本文建模拟采用的供电方式也为a t 供 电方式， 目前各国高速铁路几乎采用的都是工频交流供电制，电流的集肤效应无法避免， 再加上牵引供电网具有复杂的结构，其负荷具有移动性、随机性、三相不对称性等特 点，如果用常规方法计算其系统电流分布、牵引网阻抗、短路电流等，将使计算变的 异常复杂且不精确。如果进行现场模拟实验虽然能精确测得各种数据，但这对时间和 耗资却提出了巨大的要求。随着近年来计算机科学的发展，对牵引供电网络进行简化 并用于计算机模拟成为研究高速铁路的热点问题。本文正是在此背景下，对a t ( 自 6 第一章绪论 耦变压器) 牵引供电网络进行简化计算其电气参数并针对高速铁路牵引供电系统进行 建模与仿真。 牵引网是整个牵引供电系统的主体部分，可以说人们在铁路上所见的牵引供电系 统就是牵引网部分。牵引网的主要作用是传输适合驱动电力机车的电能。机车通过受 电弓( 或受电靴) 与牵引网接触取电，因此牵引网的优劣对保障行车安全起到了决定 性的作用。仿真牵引网的难点在于对牵引网阻抗的计算上。影响牵引网阻抗的因素有 很多，其中比较主要的是导线的材料、牵引网悬挂方式、牵引供电方式等【6 】。导线的 材料大致可分为铁磁材料导线和非铁磁材料导线，其中对于铁磁材料导线，由于不能 忽略集肤效应，确定其有效电阻相当困难。牵引网悬挂方式包括有无承力索、有无加 强线等。对于牵引供电方式，则要考虑是单线还是复线，是a t 、b t 或是直接供电方 式等。上面提到的任何一点若发生改变都有可能对牵引网阻抗的计算造成影响，而且 由于在实际情况中，牵引网阻抗不可能随长度增加而呈现线性变化【7 】，因此，在仿真 计算中，牵引网阻抗只能是个近似值。 在对牵引网阻抗进行计算的过程中，主要可以分为基于集中参数模型的计算方法 和计及分布参数影响的非线性模型计算方法【8 】。需要提出的是，无论是哪种计算方法， 都是基于c a r s o n论公式【9 】进行计算的，其区别在于对导线的合并方式上。根据c a r s o n 理论，线路的单位自阻抗计算公式如下：， 轴+ o 0 4 9 + j o 1 4 5 i n 笔 ( 1 - ) 其中d g = 0 2 0 8 5 厂为电流频率，仃为大地电导率。 对于非铁磁质导线： 0 1 9 9 k 厂： ， p 对于铁磁质导线 0 2 8 l k 厂：一 r2 、, c y , u p 式中p 为导线周长( e m ) p 为导线周长( c r n ) 厂为电流频率( h z ) t 为材料相对磁导系数 根据本文的仿真要求，选用了基于集中参数模型的计算方法， 对简便，对于不考虑机车谐波的故障仿真有比较好的效果。 7 ( 1 _ 2 ) ( 1 3 ) 该计算方法计算相 l 北京化丁大学硕| ：学位论文 列车是高速铁路牵引供电系统的重要组成部分之一。牵引供电系统的电能是通过电 力机车转化成机械能来牵引列车的。到今天为止，高速列车出现了多种形式。随着科 学技术特别是变流技术、计算机技术的发展，使得交流传动技术得到普及，因此高速 列车的模式也在不断的变化。 高速列车按动力分布不同可分为动力集中式和动力分散式【1 0 1 。日本高速列车是动力 分散式的典型，而欧洲各国的高速列车则是动力集中式的典型。日本与欧洲各国使用 的高速列车不同有很多原因，重要的有如下几个方面】：( 1 ) 日本在修建高速铁路之 前的旧铁路的路基松软，而高速铁路运行时对线路要求较高，为了减轻机车的种粮， 日本使用了轴重较轻的动力分散式机车。而欧洲各国则不同，欧洲各国在修建高速铁 路之前，原有的铁路路基比较坚固。因此可以使用动力集中式机车。( 2 ) 日本发展高 速铁路时间较欧洲早，由于当时的一些理论，工业技术水平不够，不可能制造出既轻 单轴功率又大的动力集中式列车，欧洲在2 0 实际后期发展高速铁路，较日本的2 0 世 界中期大约晚了3 0 年作用后，当时工业技术以及电力电子技术已经大大提高( 3 ) 日 本高速铁路跨度下，车站之间的距离短，启动，制动频繁，因此同本把其在地铁、城 铁上积累了多年的动力分散式列车的制造经验用到了高速铁路上，这样在运营和维修 方面也比较方便。( 4 ) 欧洲各国由于电流制式不同，如用动力分散式，那么对于列车 的设计和制造将会造成相当大的困难。综合上述原因，日本和欧洲各国使用的是不同 的动力机车。 随着三相异步电机调速技术的发展，交流传动型机车已经成为高速铁路上的主流 列车。我国交流传动技术始于2 0 世纪7 0 年代，随着单轴功率达3 0 0 k w 的动力分散刑 交流传动高速机动车组、交流传动内燃机车的相继研究成功，标志着我国铁路机车已 经进入以交流传动为标志的现代高科技领域【1 2 】。 表1 1 为我国一些具有代表性列车的主要性能参数表 表1 - 1 列车主要性能参数表 t a b l e1 - 1t h em a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h et r a i n 性能参数 a c 4 0 0 0d j 型d j j 型 轴列式 b 0 - b ob o b ob o b o 轴重t 2 4 52 0 51 9 5 牵引功率( k m h ) 4 0 0 04 8 0 04 8 0 0 持续速度( k m h ) 6 08 41 0 5 最高速度( k m h ) 1 2 02 2 03 0 5 启动牵引力k n 3 2 52 6 42 1 1 第一章绪论 持续牵引力k n 2 4 22 0 61 6 4 调速方式v wv v v f v v v f 电制动方式再生制动再生制动再生制动 制动功率k w 3 2 0 04 4 0 04 4 0 0 恒功制动力k n 1 5 01 5 0 晶闸管、强迫风i p m 、水冷、四象i p m 、水冷、四象 变流器形式冷、四象限整流器限整流器+ 逆变限整流器+ 逆变 + 逆变器 器器 分散式m i t r a c分散式m i t r a c 微机控制方式机车级m i c a s 系统系统 机车级机车级总线m v b机车级总线m v b 总线方式 m u i t i b u s列车级总线w t b列车级总线w t b 1 3 论文所作工作和创新 本论文主要工作是研究高速电气化铁路牵引供电系统以及馈线保护并对牵引供 电系统( 包括机车部分) 进行建模仿真。第二章介绍了电气化铁路供电系统的构成部 分，介绍了牵引机车的相关概念。为以后的建模打下基础。第三章分析计算了a t 牵 引网络供电系统各种电气参数。第四章介绍了馈线保护原理，并且对基于偏、峰度的 保护原理进行分析。第五章在总结a t 牵引供电系统的基础上，建立了基于 m a t l a b s i m u li n k 的牵引供电系统模型。论文完成的工作有： ( 1 ) 对牵引供电系统进行深入研究，包括变压器的各种接线方式、牵引供电方式、 牵引网阻抗以及电力机车。 ( 2 ) 着重分析了a t 牵引方式下，牵引供电网络的电流分布、牵引网阻抗和短路电 流的计算方法。 ( 3 ) 对高速铁路的继电保护进行了深入研究：如三段距离保护、电流速断、过流、 电流增量保护等；着重分析了一种用电流波形的偏度和峰度来识别故障电流的新方 法。 ( 4 ) 在总结a t 牵引供电系统构成的基础上，建立了基于m a t l a b s i m u l i n k 的 牵引供电系统模型，并进行了仿真实验。 9 北京化工大学硕士学位论文 1 0 第二章a t 网络阻抗与短路电流的计算 第二章a t 网络阻抗与短路电流的计算 2 1 单线a t 网络中电流、阻抗和短路电流计算 单线a t 网络示意图如图2 1 ，在下面的计算中，各元器件均处于理想状态下， 自耦变压器变比为1 ：1 ，忽略其漏抗，且设钢轨对地无漏导，接触网c 、正溃线 f 是关于钢轨对称布置的。 c 图2 - 1 单线a t 例络 f i g 2 - 1s i n g l ea t n e t w o r k 在图2 - 1 中，设z c 、z pz ，分别为接触线、钢轨、回流线对地回路的单位 自阻抗，且有z c = z ，；三个回路的互阻抗抗设为z 凹、z 凹、z 万，且有z c r = z 刀。 如果再设流过机车的电流为j ，则在图示的长回路中，接触网和正溃线的电流都为 ，2 。又根据自耦变压器的电流关系，可对图示短回路列如下四式： 乇= 丢j + 扣 j c ：= if = 专i t 2 j r l = j j r 2 ( 2 1 ) 对图中自耦变压器列电路方程，有 a o = 0 l 一0 2 = z c o c l z c ( d x ) j c 2 一z 凹o r l + z 凹( d - x ) i r 2 - z c ，d ，】 + z r x r l - z r ( d 一工) ，r 2 一z c 丁】0 c l + z c r ( d 一工) j r 2 + z 7 f d l ，】 北京化f t 大学硕：i ：学位论文 = ( z c z c 7 ) x i c l + ( z c 7 t z c ) ( d x ) z c 2o r ( z r z c r ) x i r i + ( z c r z r ) ( d x ) i 7 2 + ( z t f z c f ) d _ ， a u 7 = u l u 2 = 卜z 7 x 1 7 l + z r ( d x ) 1 7 2o r z c 7 订c l z c 7 ( d x ) i c 2 一z 盯d _ f 】 + 【z f d i f z 凹订c l + z c f ( d x ) i c 2 + z 盯订r l z 阿( d x ) i7 2 】 = ( z c 7 一z c ，) 订c l + ( z 凹一z c 7 t ) ( d x ) i c 2 + ( z 卵一z r ) 村7 1 + ( z r z t f ) ( d x ) 1 7 t 2 + ( z ，一z 盯) d 一， 由于处于理想对称状态， 则可以得出d = 秒7 u i = 叫，u 2 = u ； ( 2 2 ) ( 2 3 ) 对上述两式进行整理，可以得到： ( z c 一2 z c r + z c f ) 玎c l 一( z c 一2 z 盯+ z c r ) ( d x ) z c 2o r ( 2 z r z c r + z 丌) 订7 1 一( 2 z r z c r z z r ) ( d x ) z r 2 一( z ，一2 z wo r z c f ) d _ ，= 0 ( 2 4 ) 令 z l = z c 一2 z c 7 + z c f z 2 = 2 z t z c t z 矸 z 3 = z ，+ z 卵一2 z 陌 则上式可化简为 z l 订c 1 一z l ( d x ) i c 2 + z 2 x i r l z 2 ( d x ) 1 7 2 一z 3 d i ，= 0 ( 2 5 ) 将短回路四式代入即有： ( a z l + 2 z i ) x 一( z l - i - 2 z l + z 3 ) d 】，+ ( z l + 2 z l + z 3 ) d i r l = 0( 2 6 ) 解上述方程有： k = 号i 将式( 1 0 ) 回代入短回路四式即有： i 旷毛i 1 2 ( 2 7 ) 第二章a t 网络阻抗与短路电流的计算 j=百2d-xcij _ ( 1 一寺) j 2 1 矿卢【卜西j 1 乇也= 去j ( 2 8 ) 厶u 通过上面的计算，得到单线a t 网络电流分布如图2 2 所示： 圭 ，( 1 - 一驾x ) i 2- 当纵 x i 一 名里 图2 - 2 单线a t 网络电流分布 f i g 2 - 2c u r r e n td i s t r i b u t i o no fs i n g l ea t n e t w o r k 若机车上电压为矽，则牵引侧的牵引网电压为： d ：三应一d 2 =i(zc+zp-凹)(尼一x云i+-去d)i(zz 2z(1-c z c r ) x = c ，) ( 尼一x ) i + c c r ) x + 等讹r _ z c 加+ - 去d i ( z r v - z c r ) x 可以得出单线a t 网络阻抗为： 。 a u 么= _ i c t f ( 2 9 ) 2 云( z c + z ，