（电力系统及其自动化专业论文）电气化铁道牵引网串联补偿装置的研究与应用.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t 缸t h ed e v e l o p i n gs t e po ft h eh i g h s p e e da n dh e a v y l o a dr a i l w a yh a sb e m g a c c e l e r a t i n gi nc h i n a , t h el o s so f t r a c t i o nn e t w o r k sv o l t a g ei si n c r e a s e da n dr e s u l t s i nt h el o w i n go fv o l t a g eo ft h ee n do ft r a c t i o nn e t , s os o m et r a i n sc a n tn lt h e v o l t a g en e e db ee l c v a t e db yw a yo f t h ec o u n t e r m e a s u r e s t h ei m p o r t a n ts e t t l ew a y o f t h i sp r o b l e mi ss e r i e se o m p e n s a t i o n ( s c li nt h eh e a do rm i d d l eo f t h es u p p l ya r m i tc a nr e d u c et h ei m p e d a n c ei nt h et r a c t i o nn e t w o r ka n de l e v a t et h ev o l t a g eo ft h e e n do f t r a c t i o nn e t 、v 哦 t h ep a p e ri sb a s e do nt h eb a c k g r o u n do f n a n k u ns cp m j e c t i ti n l l o d u c et h e c o m p o s eo ft r a c t i o ns u p p l ys y s t e ma n dt h eb a s i ct h e o r yo fs cf i i s ta n dt h e c a l c u l a t em e t h o do ns e tc a p a c i t y t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g no fs co f t r a c t i o ns u b s t a t i o na n di n t e r v a lf i n a l l y t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dt h er e m o t ec o n t r o l l e dd e s i g ns c h e m eb a s e do nt h e d i s a d v a n t a g eo ff o r m e rc o n t r o lo fs cs e lt h i ss c h e m ea d o p t sh a l fd u p l e x m a s t e r s l a v ec o m m u n i c a t i o nm o d e t h ep l cp r o g r a ma d o p t s t h em o d u l e p r o g r a m m i n gi d e ai no r d e rt om a i n t a i nc o n v e n i e n t l yl a t e ct h e ni n t r o d u c e st h e d e s i g no fu p p e rc o m p u t e ra n dt h ef u n c t i o no fs u p e r v i s o r yi n t e r f a c e a tl a s tt h e d e s i g no fc o m m u n i c a t i o nb e t w e 钮u p p e rc o m p u t e ra n dl o w e rm o n i t o ru n i ti s i n t r o d u c e d i ta n a l y s e st h ei n f l u e n c eo fd i s t a n c ep r o t e c t i o na f t e rs cs e ti sd i v e di n t o w a c d o nn e t w o r ka n db r i n gf o r w a r dt h ec o u n t e r m e a s u r eb a s e do nt h et h e o r ya b o u t d i s t a n c ep r o t e c t i o n f i n a l l y , t h ev o l t a g ec o m p e n s a t i o ne x p e r i m e n ti so p e r a t e di nn a n k u nr a i l w a y a n di ta n a l y s e st h ee x p e r i m e m & a t , a so f s e r i e sc o m p e n s a t i o m 西南交通大学硕士研究生学位论文第f | i 页 t h i ss cs e th a db e e nr u n n i n gs a f e l yf r o m2 0 0 6t on o w v o l t a g eo ft h ee n d f r a c t i o nn e t w o r ki se l e v a t e df r o m1 7 6 - 1 8 9 k vt o2 0 k va b o v er e c e n t l yb yt e s ta n d s a t i s f i e st h er e q u e s to f r a i l a g ew h o l l y k e y w o r d s ：s e r i e sc o m p e n s a t i o n ；e l e c t r i cr a i l w a yt r a c t i o nn e t w o r k ；a u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e m ；p l c 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的来源和背景 随着我国经济飞速发展，电气化铁路的运量增加，牵引网负荷电流和电 压损失增大，牵引网末端电压降低，部分供电臂末端甚至低于非正常状态网 压最低要求( 1 9 k v ) 【l 】导致列车无法运行，需采取措施，提高牵引网末端 电压，以保证列车正常运行。 目前，提高牵引网末端电压水平的方法主要有三种：一是通过改变牵引 变压器抽头来实现调压，包括采用带有载分接开关的牵引变压器和自耦变压 器两种方式：二是采用增加牵引变压器安装容量的办法来提高供电臂末端电 压水平；三是在供电臂首端或在供电臂中间串联电容补偿的方法，它以串联 电容器的容抗补偿牵引供电系统的感抗来减少电压损失，从而提高电压水平 囝嘲 o 第一种方法其缺点是调压范围受到经济、技术两方面的限制。因调节装 置是串联在供电系统中的，其容量选择应考虑牵引网的短路电流；同时，现 行调节机构多为机械式的，当反应速度不及最大负荷突然消失的速度时，会 在牵引网上产生过高的电压，危及绝缘配合。另外，调节机构经常动作会减 少其寿命，而且容易发生故障。为减少接触网开口，一般安装在牵引变电所， 这样，调压范围又受到母线最高允许电压的限制。 第二种方法主要是受到经济方面的限制，自1 9 9 4 年1 2 月开始电气化铁 路用电按大工业电价收费( 俗称两部制电价) ，即电气化铁路用电除按每月实际 用电量交纳电费外，还需按变压器安装容量计收基本电价( 按牵引变电所主 变安装容量为2 5m v a ，基本电价为每月1 0 元瓜计算，每年每个变电所基 本电价费为3 0 0 多万元) 。因此，再采用增加主变安装容量的方法来提高电压 水平是很不经济的，同时也是不可取的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 第三种方法是在供电臂首端或供电臂中间串联电容进行补偿，主要用于 减少牵引网阻抗，补偿牵引负荷的无功电流，起到提高牵引网末端电压的作 用。串联电容补偿装置引起的电压上升是随着牵引网上的负荷电流成正比变 化的，可以实现平滑无惯性补偿，不需要另设调整机构 4 i t s 。与其他方法比较， 它具有装置结构简单，工程造价低、运行可靠等优点。 综上所述，采用在供电臂上串联电容补偿来提高牵引网末端电压是一种 技术性、经济性十分优越的方法。 本课题源于柳州铁路局南昆铁路串联电容补偿工程。南昆线自从建成通 车后，由于地处山区，随着沿线经济的飞速发展，牵引负荷逐年增加，铁路 常年处于高负荷状态，使得牵引网末端电压偏低，部分供电臂末端甚至低于 非正常状态网压的最低要求( 1 9 k v ) ，严重影响了铁路的正常运行，经技术、 经济全面分析比较，铁路运营部门决定采用串联电容补偿来提高牵引网末端 电压水平，有效地提高牵引网的运能。 1 2 串联电容补偿的现状分析 在国外，上个世纪5 0 年代，前苏联将串补技术应用于电气化铁道上，提 高牵引网网压水平来扩大铁路运能，取得了不错的效果。 我国电气化铁道牵引供电系统采用串联电容补偿技术解决牵引网电压不 足问题，始于宝鸡至秦岭区段3 机牵引改造工程。1 9 6 8 年5 月牵引供电系统 第一套串联电容补偿装置在秦岭牵引变电所投入运行。1 9 6 9 年9 月任家湾牵 引变电所的串联电容补偿装置相继投入使用。每组容量为2 8 8 0 k v a r ，补偿电 压损失为3 0 0 0 v 左右，满足了网压的要求。 1 9 7 3 年，风州至广元段改为电力牵引后，由于电力系统容量小，接触网 电压波动很大，影响电力机车的正常运行。为此，1 9 7 5 年在徽县、略阳和阳 平关3 个牵引变电所安装了串联电容补偿装置，解决了网压不足的问题。电 气化铁路多年运行的经验证明，串补技术能够很好地提高牵引网电压，增大 铁路的运能 6 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 近几年随着国民经济的快速发展，铁路扩能改造任务逐渐增多。1 9 8 8 年 以来，郑州铁路局管内先后对宝成线宝广段、襄渝线襄北至达县段、太焦线 长治北至高平段和宝鸡至天水段进行了扩能改造。按照扩能要求增加的运量 和列车对数，上述4 条电气化铁路的牵引变电所中，需要更换主变压器以增 大容量的有3 个；供电臂末端网压低于2 0 k v 需要采取电压补偿措施的共2 4 处。在襄渝线安装串联电容补偿装置1 4 组( 其中两组安装在供电臂中间) ；宝广 段安装了5 组；宝天段安装了6 组；太焦线安装了2 组。现已投入运行的1 3 组 表明，经济技术效果均符合设计要求。以襄渝线官渡至花楼坝区段为例，未 装串联电容补偿装置前，两供电臂末端网压仅为1 8 k v 左右，列车运行速度 为3 0 4 0 k m h 。串联电容补偿装置投入后，最低网压达2 1 k v 以上，列车运 行速度达4 5 5 2 k m h , 满g ：y 扩能要求 t i n n 。 目前，应用在电气化铁道牵引网的串补装置比较少，而且已经投入运行 的串补装置大多数是靠人工操作的，自动化效率低，这样不仅会耗费大量人 力物力，而且当串补装置自身出现故障时，往往不能在第一时间切除串补， 导致其他设备的不必要损坏。 1 3 课题的研究目的和意义 针对当前在电气化铁道上投入的串补装置控制上的缺点，设计一种串补 装置自动控制系统。调度中心远程控制串补装置，这样不但能够提高自动化 程度，而且克服了当装置出现故障时不能快速退出牵引网的缺点。 当串联补偿电容投入后，改变了牵引网线路的单调阻抗特性，会对线路 距离保护装置可靠性动作产生不利影响【1 0 1 。为了保证牵引网距离保护装置动 作可靠性，本文提出了一种距离保护措施能够有效消除这种影响。 以上两个方面的研究对于提高整个牵引供电系统的性能和改进串补装置 都大有用处，所以对它们的研究很有意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 4 论文所做的工作 本文以南昆铁路串联电容补偿工程为背景，分析了串补装置研究的现状， 针对过去在电气化铁道上投入的串补装置控制上的缺点，设计了一种串补自 控系统，主要进行的工作如下： ( 1 ) 介绍了串联电容补偿的原理与电容器容量的选择： ( 2 ) 串补装置一次系统的电气设计与控制柜的设计； ( 3 ) 串补装置自控系统的设计与实现，包括下位机与上位机的设计： ( 4 ) 分析了串补装置对牵引网距离保护带来的影响并提出了对策； ( 5 ) 通过现场试验，并对采集的数据进行分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章牵引网电压损失与串联电容补偿原理 2 1 牵引供电系统的构成 电气化铁道的牵引供电系统由牵引变电所、牵引网( 馈电线、接触网、钢 轨和回流线组成) 、电力机车等组成，其结构如图2 1 所示。图中所示牵引交 电所将电力系统1 l o k v 的三相电变成两相2 7 5 k v ( 另一相接地) ，分别供给 变电所两边的供电臂以使电力机车得到电劁1 1 】。 1 1 1 2 k v 电力系统1 1 0 k v1 1 0 k v 电力系统”0 “v 牵目 图2 - 1 牵引供电系统示意图 牵引变电所是沿铁路线建设的，向电力机车供电的电力变电所。所内有 变、配电设备，电力控制及自动化设备装置等，牵引变电所是牵引供电系统 的核心部分，它承担着从电力系统接受电能，并按照电力牵引供电的标准要 求进行电能变换，再将电能经馈电线送到接触网上供电力机车。电力牵引变 压器是牵引变电所的核心设备，一般采用y d l l 接线方式，变比为1 1 0k v 2 7 5 k v ，在低压侧采用两相作为2 个方向的架空接触线，另一相接钢轨。电力牵 引网短路故障相当于常规电力系统的两相短路【1 2 1 。 接触网是一种悬挂在电气化铁道线路上方，并和铁路钢轨保持一定距离 的链形或单导线的输电网。电力机车通过受电弓和接触网滑动接触取得电能。 馈电线是指连接牵引变电所和接触网的导线，把牵引变电所降压后的电 能输送给接触网。 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文。第6 页 轨道在电气化铁道系统中，除了作为列车的导轨外，还与接触网组成通 道，完成导通回流的任务。 。 回流线是连接轨道和牵引变电所的导线，把轨道中的回路电流导入牵引 变电所f 1 3 】叫。 2 2 牵引网的电压损失及其影响 牵引网电压水平对于牵引供电系统供电能力来说十分重要。由于牵引负 荷( 电力机车) 运行的不均匀性，一条供电臂乃至一个牵引变电所某段时间 内处于空载无负荷状态，而另一段时间可能处于重载紧密运行状态，重载紧 密运行状态时的负荷电流可能超过牵引变压器额定电流的2 5 - 3 倍，因此牵引 网电压变化急剧且幅度大。 牵引网电压损失是指牵引变电所牵引侧母线电压与电力机车受电弓上电 压的算术差。因为牵引网呈感性阻抗，所以牵引电流会在牵引网上造成电压 损失【1 5 1 垌。 牵引网电压损失计算如下： 设机车受电弓上电压为u 2 ，牵引网首端电压为u 。，牵引网电流i ，其向 量关系如图2 鼍所示。i 滞后u 2 夹角为晚( 晚为电力机车功率因数角且晚= 3 7 2 0 ) ，因此就有在电阻r 上的电压降i r 与i 同向，在电感x l 上的电压降i x l 超前i 为9 0 。，电压损失u 是以i r 和i x l 在u ：上的投影值之和计算的，计 算公式如下： u = 坎c 0 8 欢+ 8 i n 缟 ( 2 1 ) = i ( r c o s 晚+ x ls i n 欢) 从公式( 2 1 ) 中可见：电压损失除与牵引负荷i 、接触网阻抗( r 、x l ) 有关外，还与牵引负荷的功率因数角破有关。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图2 - 2 牵引网电压向量图 从图2 3 中可见：牵引负荷功率因数由在机车弓顶处的机车负荷功率因 数c o s 破经过接触网阻抗后下降至在牵引网首端处的c o s 商。 如果牵引网电压过低，使机车牵引力严重下降，造成列车失速或停驶， 严重影响电气化铁路的运行。 根据国家标准铁道干线电力牵引交流电压标准( g b l 4 0 2 ) 的规定： 铁道干线电力牵引交电所牵引侧母线上的额定电压为2 7 5 k v ，接触网的额定 电压为2 5 k v ，最高允许电压为2 9 k v ，最低工作电压为2 0 k v ，非正常情况下 不得低于1 9 k v f 用。 2 3 串联电容补偿原理 2 3 1 串联电容补偿原理 牵引网的等值电路如图2 - 2 ，其中r 为牵引网电阻，x l 为牵引网感抗，i 为牵引负荷电流，) ( c 为补偿电容容抗，u 。为牵引网首端电压，u ：为机车受电 弓上电压。 ， 、 图2 - 3 牵引网等值电路 补偿前，牵引网电压损失为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 a u = i ( r c o s 晚+ x s i n 兜) 补偿后，牵引网电压损失为： a u = i ( r c o s 晓+ 置s 协仡一s i n 晚) ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 由式( 2 1 ) 减式( 2 - 2 ) ，可得牵引负荷电流通过串联电容器组时的电压 损失： 虬= 屯ks i n 0 2 ( 2 - 3 ) 由式( 2 3 ) 可知，由于串入电容器后，减少了牵弓f 网的电压损失，从而 改善了供电系统的电压水平。改善的效果与负荷电流大小和功率因数有关， 负荷电流越大、功率因数越低时效果更佳。由式( 2 3 ) 还可以看出，电容器上 电压降的绝对值与负荷电流成正比，随着负荷电流的变化而变化，对供电臂 的电压水平起自动调节的作用，这正好适合电气化铁道牵引负荷激烈变化的 特点。补偿后的电压向量关系如图2 4 所示。 另一方面，对比图2 - 2 与图2 - 4 可见：供电臂有串联电容补偿装置接入时， 牵引网首端电压u 1 与牵引负荷i 之间的相位角由l 会小于没有串联电容补偿 装置接入时u - 与i 之间的相位角由1 。 图2 4 补偿后牵引网电压向量图 所以当串联电容补偿装置接入供电臂能直接有效地减小牵引供电系统电 压损失，还能附带改善牵引供电系统功率因数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 3 2 电容补偿度 上面电压损失计算的接触网阻抗r 是指从机车弓顶计算至供电臂首端的 阻抗，而供电臂上的电力机车位置和数量是根据牵引负荷而随机变化的，因 此机车弓顶电压就可能不断变化。 电容补偿度k 是指串联电容的容抗x c 与接触网的感抗x l 的比值，即： k：墨(2-4) 盖， 当x c 小于x l 时，即k i ，叫做过补偿，此时机车受电弓上电压将高于 牵引网首端电压 1 8 j 。 2 4 串联电容补偿装置容量的选择 串联补偿电容器组的容量，主要是根据电压补偿所需要的容抗及通过的 最大馈线电流数值来确赳1 9 y 2 0 。 ( 1 ) 需要的容抗x c 由式( 2 - 3 ) 得 ：粤( 2 - 5 ) 。ks i l l 缈 式中，【，- 为需要串联补偿的电压损失：i 。为通过电容器组的最大馈线 电流；妒为牵引负荷功率因数角。 对应的电容器组电压u c 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 k = 篙 ( 2 ) 电容器组的并联支路数m ，z ：m a x ( 2 - 7 ) i c n 式中，i c n 为每台电容器的额定电流，可按下式确定 = 器 ， 其中，q a 为每台电容器的额定容量；c f 甜为每台电容器的额定电压。 ( 3 ) 每条并联支路应串联的电容器台数n 们( ， n = _ ( 2 9 ) x c n ?一 式中，z 。，为每台电容器的额定容抗，可按下式确定 b = 等枷3 n 也可按下式确定 栉：垃 u c n ( 4 ) 实际选择的串联补偿电容器组的容量q c 和容抗 按式( 2 7 ) 和( 2 9 ) 分别计算的m ，1 , 1 取邻近的稍大的整数值，则 q c = 肌，z q c ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 x 一”y c2 , w 、c n 所 佗1 3 ) ( 5 ) 验算补偿效果 实际选择的串联补偿电容器组补偿的电压损失为 ， 龃c = i x cs i n ( a q 一1 4 ) 应大于要求补偿的电压损失。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 第3 章串补装置的电气设计 应用于电气化铁道牵引网上的串联电容补偿有两种方式：串接在牵引变 电所供电臂首端( 牵引变电所串补) 和串接在供电臂中间( 区间串补) 。如果第 一种方式的串补装置不能完全满足牵引负荷对网压的要求时，就在铁路区间 也串联上电容补偿装置，就能满足负荷对网压的要求。南昆线串补工程由于 牵引负荷较大，所以同时采用两种方式。 南昆线串联电容补偿工程分为两部分：牵引变电所和区间串联电容补偿。 牵引变电所串联电容补偿共有5 个变电所：那桐、平果、田东、百色和 龙广变电所，其中田东变电所在两侧供电臂上都装设串补装置。 区间串联电容补偿总共有8 个站，地处广西和贵州两省，分别为：品甸， 清水河西、永乐、汪甸、潞城、根龙、沙场坪和白水河，8 个站都处在比较 偏僻的地方，现场人工操作十分不便，且效率低，所以都是通过千里之外的 柳州调度中心远程控制的，调度中心通过可靠的远动通道和8 个站进行实时 数据交换，根据实际要求来控制8 个站，通过现场的数据采集装置将现场数 据上报中心，2 4 小时监视8 个站的工作情况，如遇到突发故障，及时退出装 置，避免更大的故障发生。整个工程实现了远程无人自动控制，大大地提高 了效率，使南昆铁路的运能大大提高。 3 1 牵引变电所串补装置的电气设计 南昆线串联电容补偿工程有5 个牵引变电所要新建串补装置：那桐、平 果、田东、百色和龙广变电所，其中田东变电所在两段供电臂上都装设串补 装置，5 个牵引变电所串补装置的设计思路和方法大体一致，下面就以百色 牵引变电所串补装置为例介绍它的电气设计。 3 1 1 串联电容器组的设计 串联电容器组是整个装置中的核心设备，它设计的好坏直接关系到装置 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 能否正常工作。在电容器组的设计中，内部接线应满足以下要求【2 l 】： ( 1 ) 某一台电容器被击穿时，由故障电容器内释放出来的能量不应大于 8 k w s ，以防止电容器发生爆炸； ( 2 ) 当一台电容器被击穿时，不致使其他电容器承受危险的过电压； ( 3 ) 当某一并联支路断线时，不致使其他电容器承受危险的过电流。 电容器组的内部接线如图3 - 1 所示，图中z 为串联串联小组数，l 为每 个串联小组的电容器台数，m 为电容器并联数，n 为电容器串联数 2 2 2 3 1 。 图3 - 1 电容器组内部接线示意图 在设计电容器组容量时，必须确保电容补偿的电压损失大于要求补偿的 电压损失。下面以百色牵引变电所为例，介绍电容器组容量设计的方法。 已知百色变电所馈线最大电流为8 1 2 a ，需要补偿的电压损失为2 5 0 0 v ， 单个电容器的参数如下； 额定容量：2 0 k v a r 额定电压：1 0 0 0 v 额定电流：2 0 a 额定容抗：5 0 q 那么需要的容抗根据式( 2 - 5 ) 为 x ，；垒丝：型q ：5 1 3 ( f 2 ) 。ks i n e 8 1 2 x 0 6 并联支路数 朋：k ：丝：4 0 6 l c n 鹚 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 每条并联支路中串联电容器数 ，z ：m x c ：4 0 6 5 1 3 ：4 1 6 , 1 4 船= - = 一= x c r ， 5 0 取m = 4 1 m = 5 ，电容器组为4 1 并5 串，则电容器组的实际容量q c 和实际 容抗矗分别为 q c = m n q c l v = 4 1 x 5 x 2 0 = 4 1 0 0 ( k v a r ) 如7 ：n x c n ：婴：6 0 9 7 ( q )。 m4 1 、7 串联电容器组补偿的电压损失 = k s i n 缈= 8 1 2 x 6 0 9 7 x 0 6 = 2 9 7 0 ( v ) 大于2 5 0 0 v ，满足补偿要求。 3 1 2 串补装置主接线的设计 串补装置投入牵引网后，虽然能够使牵引网电压得到补偿，但也使牵引 网短路时回路总阻抗减小。因此，如果不对串补装置采取必要的保护措施， 当短路电流流经串联补偿电容器时，电容器上的电压可能升高到危及极板间 绝缘的数值。所以，必须针对这种情况采用适当的保护措施，以便在发生短 路故障时，能够瞬时把串联补偿电容器组旁路，避免短路电流流过电容器组 洲。 在串补装置主接线设计中除必须满足上述保护要求外，同时还必须考虑 电容器组的投入、退出运行以及试验、维护的要求。 百色牵引变电所串补装置主接线如图3 - 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 牵引侧母线 图3 - 2 百色牵引变电所串补装置主接线图 串补装置主要由串联电容器组c 、隔离开关q s l 与q s 2 、保护间隙f j 、 旁路断路器q f 、阻尼电阻r 和阻尼电抗l 和电流互感器t a 组成。当串联电 容器组c 投入运行时，q s l 与q f 断开，q s 2 合上，则牵引供电臂上有串联 电容补偿；当c 退出运行时，q s l 与q f 合上，q s 2 断开，则牵引供电臂上 无串联电容补偿。 串联电容器组c 为串联电容补偿装置主设备，当牵引电流i 通过后产生 容性电压降跳变( 相对于感性电压降为电压升) 抬高馈线出口电压，从而提 高了牵引网电压水平，附带改善了牵引网的功率因数。过去都是由单台小容 量( 5 0 k v a r ) 、低电压( 1 i ) 电容器多台串并联组成所需电容器组。电容器 元件设内熔丝保护，且具有熔丝损坏监视装置。 放电间隙f j 是用来保护电容器组的。在正常情况下有牵引负荷且无论牵 引负荷大小，放电间隙都处于开断状态；只有在非正常情况下，如接触网发 生短路故障使串联电容器组两端出现高电压时，放电间隙将被击穿使处于过 电压状况的电容器组被暂时短接，保护串联电容器组不受长时间高电压的危 害。放电间隙由三个石墨球组成两个放电间隙，一个为触发间隙，另一个为 主间隙( 燃烧间隙) ，采取两间隙的目的在于确保放电间隙多次动作后击穿电 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 压起动值保持不变。其放电间隙为菲强制灭弧放电间隙，本身没有灭弧功能。 新型放电间隙采用内设的电压互感器，二次输出不小于1 0 k v 高压连续触发 脉冲，启动触发间隙。间隙击穿电压起动值取2 3 2 5 倍串联电容器组额定 电压。 电流互感器t a 与f j 放电间隙相串联，在正常工作状态放电间隙不被击 穿时，电流互感器无电流通过；而当放电间隙击穿时，通过电流互感器形成 串联电容器组放电回路，电流互感器把过电压信号变换成大电流信号输出， 使保护装置动作。 旁路断路器q f 与f j 放电间隙( 串t a 电流互感器) 相并联，正常工作 状态下q f 旁路断路器处于分闸状况，在非正常情况下放电间隙击穿，电流 互感器将大电流信号输出给保护，保护动作使q f 旁路断路器合闸。这样就 能够长时间短路串联电容器组和f j 放电间隙，使f j 放电间隙熄弧，恢复绝 缘状态。 阻尼电阻r 和阻尼电抗l 先并联后再与t a 、q f 相串联。无论是f j 放 电间隙被击穿，还是q f 合闸都是通过r 和l 构成c 串联电容器组放电回路， 其作用是限制c 串联电容器组放电过渡过程，在馈线断路器动作跳闸前还是 接触网短路电流的通过回路。 r 阻尼电阻的额定电阻：2 q ； l 阻尼电抗额定电感量：0 3 m h ，额定电流：8 0 0 , , - 1 3 8 0 a 。 可见：f j 、t a 、q f 、r 和l 都是为保护串联电容器组而设置的辅助设备， 当牵引供电系统正常运行时这些设备都处于不工作状态。 3 2 区间串补装置的电气设计 8 个区间串补装置的设计思路一致，下面就以清水河西区间串补装置为 例介绍它的电气设计。它的一次接线如图3 - 3 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 图3 - 3 区闯串补装置接线图 清水河西区间串补装置参数如表3 1 ： 表3 - 1 串补装置参数表 额定容量( k v a r ) 。 9 2 0 额定电压( k v ) 2 线路额定电流( a ) 4 4 5 电容额定电流( 舢 4 6 0 实测电容( uf ) 7 5 2 2 9 构成方式2 6 并2 串 图3 - 3 所示主要设备及其功能如下： 串联电容器组c 的作用与牵引变电所的串联电容器c 相同( 见3 1 2 ) 。 电压互感器用来监测串联电容补偿装置电压水平，通过遥测装置把串联 电容补偿装置工作时的电压发送给柳州调度中心以方便中心技术人员2 4 小 时观察串补装置的电压变化情况。 旁路断路器q f 在正常工作状态下一直都处于分闸状态；q f 与1 q s 、2 q s 相互配合完成电容器组的投切。 投入电容器组的顺序：先合上q f ，然后合上2 q s ，再断开1 q s ，最后断 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 开q f , 退出电容器组的顺序：先合上q f ，再合上1 q s ，最后断开2 q s 。 阻尼电抗l 与f j 放电间隙相串联。在f j 放电间隙击穿，通过l 阻尼电 抗构成c 放电回路，其作用是限制c 放电过渡过程，在馈线断路器动作跳闸 前还是接触网短路电流的通过回路。 旁路开关s 由高压继电器，动静触头k 、操作( 电流) 线圈m 1 、m 2 、 电磁铁、计数器组成。与f j 放电间隙串联，其作用是当处于非正常情况下( 串 联电容器组两端出现高电压) 使其合闸后直接短接f j 放电间隙使f j 放电间 隙熄弧、开断间隙。同时通过与之相串联的l 阻尼电抗短接c 串联电容器组， 保护电容器组不受高电压危害。 氧化锌避雷器( i f 、2 n 的作用是当出现雷电天气时将电容器组上的过高 电压引入大地来保护电容器组。 放电间隙f j 作用是保护电容器组( 同图3 2 中的f j 作用相同) 。 图3 3 中的串联电容补偿装置的保护原理如下： 当接入串联电容补偿装置后面的接触网故障时产生的短路电流使c 串联 电容器组两端电压瞬间升高时，f j 放电间隙击穿，形成接触网短路电流、c 串联电容器组被短接的放电电流通道。接触网短路电流、c 串联电容器组放 电电流流过s 旁路开关的m 1 、m 2 线圈，使主触头k 闭合。一方面直接旁路 m 2 、f j 放电间隙使f j 放电间隙熄弧、开断间隙；另一方面经m 1 线圈形成 接触网短路电流、c 串联电容器组放电电流长期通道。由于m 1 中流过接砸 网短路电流、c 串联电容器组放电电流足以维持其主触头k 始终闭合直至牵 引变电所馈线断路器跳闸切除短路电流、且c 串联电容器组放电电流小于某 一值( 2 0 0 a ) 时m 1 线圈吸合力小于反弹簧力则主触头k 自动开断。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 第4 章串补自控系统的设计与实现 4 1 串补自控系统控制方案的设计 控制系统按控制规律分为模拟仪表控制系统、集中数字控制系统、集散 控制系统、现场总线控制系统 2 s l 3 0 l 。 ( 1 ) 模拟仪表控制系统 模拟仪表控制系统( a n a l o g o u sc o n t r o ls y s t e m ，a c s ) 在六七十年代占主导 地位。其显著缺点是：模拟信号精度低，易受干扰。 ( 2 ) 集中式数字控制系统 集中式数字控制系统( c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，c c s ) 在七八十年代占主 导地位。采用单片机、p l c 、s l c 或微机作为控制器，控制器内部传输的是 数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了 系统的抗干扰能力。不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处 理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧 下降皿7 】。 ( 3 ) 分布式控制系统 集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m d c s ) 又称为分布式控制系统。 它在体系结构上的特点是层次化，其核心思想是集中管理、分散控制，即管 理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到 现场实现分布式控制，上位机和下位机之间用控制网络互连以实现相互之间 的信息传递。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数 字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。在集散控制系统中， 分布式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展和应用，遗憾的是，不同 的d c s 厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用各自专用的封闭 形式，不同厂家的d c s 系统之间以及d c s 与上层i n t r a n e t 、i n t e m e t 信息网络之 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 问难以实现网络互连和信息共享，在这种情况下，用户对网络控制系统提出 了开放化合降低成本的迫切要求口8 】印】。 ( 4 ) 现场总线控制系统 现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 将当今网络通信与管理 的概念引入工业控制领域，被称为“2 1 世纪控制系统结构体系”。它用现场 总线这一开放的、具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构 成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维 护费用。因此，f c s 实质是一种开放的、具有可互操作性的，彻底分散的分 布式控制系统，有望成为2 1 世纪控制系统的主流产品鲫刚】。 南昆铁路串补自控系统由于有许多参数( q f 与q s 的状态信号、处理器故 障信号与接触网电压等) 需要加以检测和控制，而且被控制设备的地理位置相 隔比较远，提高了对控制系统的要求。因此模拟仪表控制系统和集中式数字 控制系统由于其自身的种种缺陷而不宜采用，现场总线系统由于经济上的局 限，所以选择分布式控制系统作为本控制系统的控制方案。 在南昆铁路串联电容补偿自控系统中，柳州调度中心的计算机作为管理 计算机，现场的8 台p l c 作为下方监控单元，控制各自的串补装置。调度中 心集中监视管理现场的8 台下方监控单元。柳州调度中心的主机与现场的8 套监控装置( p l c ) 之间采用的是h a l fd u p l e xm a s t e r s l a v e 通信方式p 2 1 ，即 半双工主，从式通信p 】。中心的上位机为主机，8 台p l c 为从机。主机可以与 任何一台从机进行数据通信，从机之间也可以进行通信，在调度中心上可以 清楚地观察到8 个串补装置的工作情况：工作电压、工作电流、断路器和隔 离开关的状态( 合闸与分闸) 和接触网的实时电压等。调度中心可以根据铁 路运输的具体要求，发出命令去控制其中任何一套装置。极大地提高了控制效 率。自控系统网络结构如图4 - 1 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 , g k 越i l从站2从站8 图4 - l 自控系统结构拓扑图 4 2 控制柜的设计 自动控制柜是整个自控系统的命令执行机构，担负着完成所有的控制任 务和信号采集任务，同时考虑到串补装置所在的环境尤其是广西的炎热天气， 所以在控制柜设计中，必须使控制柜内器件布局要合理、美观，而且整个控 制柜应有良好的散热措施，为此专门在每个控制柜里装设了德国威图公司 ( r t a i ) 的自动温控器，根据柜里的温度来自动调节，常年保持在2 0 左右。控制柜采用的是德国威图公司的e s 系列控制柜，控制柜防护等级为 i p ( i n t e m a t i o n a lp r o t e c t i o n ) 5 6 ，具有防尘、防雨等特性，同时柜体表面采用静 电咬涂，具有很好的耐腐蚀性。 4 2 1 控制柜控制原理 控制柜d i ( o i g i t a li n p u t ) 信号的采集主要是现场设备动作时提供的干接 点( 即无源接点) 来实现，以断路器的控制来说明分、合闸信号的采集：当断路 器处于合闸状态时，接触器k m 吸合，同时k m 的一个常开辅助触点也处于 吸合状态，这个触点的一端接至p l c 的设备状态信号输入端i n l ，另一端接 至p l c 的状态输入公共端c o m ，由于常开辅助触点处于吸合状态，所以p l c 的i n l 与c o m 被短接，p l c 内部一旦检测到状态公共端和设备状态信号输 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 入端短接时，则认为此时有状态信号输入，对应的状态位为“l ”，否则认为无 状态信号输入，对应的状态位为可。分闸信号的采集同理。 控制系统的d o ( d i g i t a lo u t p u t ) 控制是控制柜向被控设备提供于接点来 完成控制功能，于接点主要是由一个直流2 4 v 的m y 2 n j 输出继电器来提供， 所以对设备的控制就转换为p l c 对继电器的控制。继电器的结构和与p l c 的接线如图4 2 ，继电器有两个常闭触点和两个常开触点，可以看出，接点1 和9 、4 和1 2 为常闭触点，接点5 和9 、8 和1 2 为常开触点，当在线圈两端 1 3 、1 4 施加2 4 v 直流电压时，由于电磁作用，弹片动作使常闭触点断开，常 开触点吸合。p l c 的公共端子v d c l 接电源+ 2 4 v ，输出控制端子接继电器 1 4 端，电源负端接继电器1 3 端子，当程序判断需要控制输出时，则p l c 内 部导通，接通v d c i 和相应的控制输出端子，在继电器线圈两端施加电压， 继电器动作，完成控制功能，停止控制则v d c l 与输出端子断开，撤去线圈 两端的电压，继电器在弹簧的作用下弹开，取消控制。当直流继电器动作时， 常开触点吸合，串联在常开触点两端的交流电源和交流接触器形成回路，交 流接触器动作，设备启动，当继电器的常开触点断开时，串联在两端的交流 电源和交流接触器断路，交流接触器在其内部弹簧的作用下弹开，被控设备 停机。 出缝电毒 u y 2 n j 图4 _ 2 继电器结构与接线 模拟量输入信号a i ( a n a l o gh l p u t ) 经过一个4 2 0 m a 光电隔离模块直接 输入到p l c 的模拟量采集模块的端子上，映射到p l c 内部文件即可。光电 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 隔离模块主要起到保护的作用，防止大电流和高电压输入到p l c 内部t 损坏 设备，还可以防止其他信号的干扰。其工作原理是将外部输入的4 2 0 m a 电 流转换成光信号，在将光信号转变成同样的4 2 0 m a 的电信号，如果外部输 出超过允许值，则输出最大值，防止损坏p l c 。 4 2 2 控制柜布局与接线 控制柜布局除了整齐美观之外，更要易于散热，布线清晰明了，便于维护与 外界接线。以清水河西控制柜为例，其布局如图禾3 ，控制柜由于没有扩展柜， 所以所有的设备都集中在一个控制柜内，各个器件的安放原则是发热量大的 器件放在控制柜的上方，直流电源、光端机和p l c 属于散热量大的器件，所 以将其放在柜的上方，以便散发出来的热量能直接通过安装在柜顶部的风扇 排出柜外。继电器的数量要按照被控对象的数量来确定并有一定的冗余，准 确来说应该和p l c 的d o 控制数量一致，并预留几个。控制柜两边为线槽， 最下面是加热器，以便产生的热量遍布整个柜子。 图 控制柜布局图 控制柜设备主要有p l c 、光端机、电压变送器、接触器和继电器等，详 细设备见表如l ( 参照图4 3 所示位置) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 表4 i 控制柜设备图 序号符号 名称规格型号数量备注 lp l c控制器s l c 5 0 01a b 2m m ，f 光端机 r 、 下1o ll武汉迈威 3 b 1温控器 3 l l o o o o l威图 4$ 2 5 开关电源 s 2 5 5l 明纬 5k m交流接触器c j x 2 n 0 9 3 l 正泰 6 q微型断路器 c 6 5 n c l o a 1 p3施耐德 7p 浪涌保护器 k p d 3 8 5 2 02 普瑞达 8n浪涌保护器k n p e 2 5 0 陀o2普瑞达 9b v电压变送器w dl5 8 所 1 0k继电器m y 2 n j ，2 2 0 v7o m 限o n 1 1x s 2插座( 2 相) a c 3 0 2 1 0 1威达 1 2x s 3插座( 3 相)氏l ：3 q b 晓 1 威达 1 3f u熔断器w j m ( 4 f 十2 a6威达 1 41 d 端子排w j h k 2 5 1威达 1 52 d 端子排w i 怼5 1 威达 1 6z d h终端盒l武汉迈威 1 7e l加热器3 “5 o o ol威图 控制柜各个部分的作用如下： 当地监视装置( p l c ) ：为整个控制的核心部分，负责执行调度中心的命 令和逻辑控制，现场设备数据的采集； 光端机：负责p l c 与调度中心的通信，将电信号转为光信号； 温控器：控制风扇和加热器，使控制柜内的温度常年保持在一个合适的 范围内； 交流接触器：为整个控制柜供电，双电源自动切换； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 开关电源：为光端机提供5 v 的直流工作电源； 微型断路器：空气