（电力电子与电力传动专业论文）电气化铁道牵引网络故障测距装置的研制.pdfVIP

a b s t r a c t a b s t r a c t t h e p o w e r o fe l e c t r i c a l r a i l w a y s y s t e m i s t r a n s m i t t e d b y t h e p a n t o g r a p h c a t e n a r ys l i d i n gc o n t a c t ，t h u sf a u l t sw o u l dt a k ep l a c eu n a v o i d a b l y b e c a u s eo ft h ef r e q u e n tp o w e r f u le l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a ls h o c k n o w , t h e h i g h s p e e de l e c t r i c a lr a i l w a yi sr i s i n gi nc h i n a b ya c c u r a t ef a u l tl o c a t i o nu n i t ，w e c a nn o to n l yf i n dt h ef a u l tp o s i t i o nq u i c k l y , b u ta l s o f o r e c a s tt h eh i d d e nf a u l t ， g u a r a n t e et h en o r m a lp o w e rs u p p l yf o rt h et r a c t i o nn e t w o r k f a u l tl o c a t i o ni so n eo f t h ei m p o r t a n tm e a s u r e st h a tt e c h n i c a l l yg a r a n t e et h er a i l w a yw o r ks a f e l y , s t a b l ya n d e c o n o m i c a l l y , i tt a k e s 0 1 1h u g es o c i e t ya n de c o n o m i cb e n e f i t 1 1 1 i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r i c a l r a i l w a y s y s t e m i n c h i n a , e x p a t i a t e s t h eb a s i c p r i n c i p l eo fc u r r e n tf a u l tl o c a t i o n t h e i m p e d a n c em e t h o da n dt r a v e l l i n gw a v em e t h o df o rt r a c t i o nn e t w o r k , w h i c hi sb a s e d o nd i s t r i b u t e dp a r a m e t e rl i n em o d e la n dd i r e c tp o w e rs u p p l y , a r er e s e a r c h e dd e e p l y t h el e a s ts q u a r em e t h o di su s e dt op i c ku pb a s i cf r e q u e c ys i g n a lf o rt h ei m p e d e n c e m e t h o d ；t h ew a v e l e ta n a l y s i st o o li si n t r o d u c e dt oa n l y s et h et r a n s i e n ts i g n a lf o rt h e t r a v e l l i n gw a v em e t h o d m e a n w h i l e ，t h ed i r e c ts u p p l yt r a c t i o ns i m u l a t i o nm o d e l sa l eb u i l tw i t hp s c a d ， a n dt h es i m u l a t i o ni sm a d e , t h e nm a t l a bi su s e dt oa n a l y s et h ed a t u m b yt h e c o m p a r eo ft h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hm e t h o d a r eo b v i o u s t h ep a p e rc o m b i n e st h et w om e t h o d s ，p r e s e n t sa l la o c u r e n ta n dr e l i a b l e i n t e g r a t ef a u l tl o c a t i o na r i t h m e t i cb a s eo nt h ei n f o r m a t i o nf u s i o nt e c h n o l o g y f i n a l l y , as e to ff a u l tl o c a t i o nu n i ti sd e s i g n e df o rd i r e c tp o w e rs u p p l yt r a c t i o n n e t w o r k t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7i st h em a i nc o n t r o lc h i pf o rt h eh a r d w a r e ；cl a n g u a g ei s a d o p t e df o rt h es o f t w a r e t h i su n i th a sh i g hc a l c u l a t i o ns p e e d e x c e l l e n ta c c u r a c ya n d g o o dr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：t r a c t i o nn e t w o r k , i m p e d a n c em e a n s ，t r a v e l i n gw a v em e a n s ，f a u l t l o c a t i o nu n i t ，d i s t r i b u t e dp a r a m e t e ra r i t h m e t i c i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：睹7 于中 加7 年月f 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： w 年 i 气 1 1 弋 日 彰 阳 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 1 8 7 9 年，世界上有了第一条电气化铁路。1 2 0 多年来，全世界已经有6 8 个 国家和地区修建电气化铁路2 5 万公里，承担铁路总运量的8 0 以上，电气化铁 路已成为一个国家现代化的重要标志。我国从1 9 5 8 年开始修建宝鸡秉凤州电 气化铁路，到1 9 7 8 年。2 0 年间建成电气化铁路1 0 3 3 公里，年均仅5 l 公里。十 一扁三中全会以后，改革开放，引进国外的资金和技术，拓宽了电气化铁路发 展卒问。电气化铁路开始由单线向双线发展，由山区向平原，向运输繁忙的长 大干线，向大城市发展。“六五”期间建成京秦、成渝、贵昆、太焦等电气化 铁路2 5 0 0 多公里，比过去2 0 年修建的总和还多。“七五”、“八五”期自j ， 先后修建了大秦、郑武、鹰厦、川黔、兰武、宝中、侯月、广深等5 7 0 0 余公里 的电气化铁路。在京秦、大秦、广深电气化铁路中，引进了a t 供电、光数字通 信、远动、微机联锁、四显示自动闭塞及带超速防护功能的机车信号等一系列 高速、重载先进技术和设备，标志着我国电气化铁路技术进入世界先进水平， 并开始向高速方向进军。“九五”期间建成了南昆、焦枝、干武、包兰、京郑、 成昆、外福、西康、神朔等线5 5 0 0 余公里电气化铁路，到1 9 9 7 年，我国电气 化铁路运营里程突破1 万公里，由1 9 7 9 年的世界第2 5 位上升到第8 位。“十 五”的2 0 0 1 至2 0 0 5 年，是中国电气化铁道建设史上建成开通最多的5 年，建 成了宝兰二线、神朔二线、兰武、哈大、秦沈客运专线、渝怀等5 0 0 0 多公里电 气化铁路。哈大电气化铁路系统引进了德国技术、装备和施工技术。我国自主 设计、施工建成的秦沈客运专线，试验时速达到了3 2 1 5 公里。到2 0 0 5 年底， 我国共建成开通4 3 条电气化铁路，总里程达到2 0 1 3 2 公里，成为继俄罗斯、德 国之后，第三个电气化铁路总里程超过两万公里的国家。 目前，我国电气化铁道牵引供电系统采用工频单相交流2 7 5 k v 供电系统， 由电力系统采用双回11 0 k v 高压输电线向分布在铁路沿线的牵引变电所及沿铁 路架设的牵引网供电是电力系统中一个特殊的不对称的分支。由于电气化铁 路的能量传输是通过电力机车的受电弓和牵引网的滑动接触来实现的，凼此必 第1 章绪论 须保证电气化铁路牵引网在任何时候任何气候下能够可靠地不间断向电力机车 供电，但是由于电气化铁路牵引网往往暴露于不同的环境，分布在我国广大的 地理区域上，其穿越地区地形地貌比较复杂特殊，环境气候较为恶劣，同时由 于牵引网没有相应的备用回路，牵引负荷具有一定的特殊性，有时会不可避免 地发生跳闸事故，除较大的一部分瞬时故障通过自动重合闸恢复正常供电，还 有一部分永久性的故障，致使重合闸失败，造成相对应的馈线失电，电力机车 无法正常运行，给铁路安全运营带来了较大的隐患。随着电气化铁路运程在我 国铁路运输比重中日益扩大，牵引网供电线路也日益增多，牵引网线路运行状 况对铁路运营的稳定安全具有举足轻重的作用u j 。 准确、可靠的故障测距一方面可以缩短查找故障点的时问，节约查线的人 力、物力，减轻巡线人员的劳动强度；另一方面还能及时查出人工难以发现的 故障，发现线路的薄弱环节，消除线路隐患，使故障及时得到处理，保证迅速 恢复供电，降低因停电造成的经济损失。因此，电气化铁道牵引网故障测距是 在电力系统的可靠性、安全性、经济性运行需求下应运而生的一个具有重大技 术、经济意义的课题，是从技术上保证铁路安全、稳定和经济运行的重要措施 之一，具有巨大的社会和经济综合效益【2 】。故障测距也一直是国内外电力生产部 门及科研单位密切关注的研究课题之一，是提高电网综合自动化整体水平的一 个关键问题i j j 。 1 2 国内外牵引网故障测距方法研究现状 现有的故障测距方法按其采用的线路模型、定位原理、被测数据来源等可 以有许多种分类方法。按其测距原理大致分为阻抗分析法和行波分析法两大类。 近几年来，随着人工智能、模糊理论等新兴技术新理论的出现发展，还出现了 一些智能化的故障测距方法。 1 2 1 阻抗法 阻抗法故障测距的基本原理是假定输电线为均匀线，根据不同故障类型条 件下测量到的电压、电流，计算出的故障回路阻抗或电抗。它与测量点到故障 点的距离成正比，从而通过计算故障时测量点的阻抗或电抗值除以线路的单位 2 第1 章绪论 阻抗或电抗值得到测晕点到故障点的距离h - 9 1 。单端电源供电线路故障模型如图 1 1 所示，m 点为测距仪安装位置，假定故障点发生于馈线f 点处，墨为过渡电 阻。 图1 1 单电源供电接地故障 测距基本算法可以表示为： ni ， z 。= = 及+ 士r ，= 及+ 心 ( 1 1 ) l 。i 。 式巾，z 为牵引网单位长度的阻抗；x 为m 端到故障点的距离：c 0 、l 为测量 端电压电流；z 为测量误差；，为故障点的短路电流。式( 1 1 ) 中可以看出， 测量误差不仅与过渡电阻孟，有关，而且和j ，与j 。的向量比有关。 、 单端故障测距算法存在着故障点过渡电阻的不可测性，对侧系统阻抗的时 变性及负荷电流的影响等问题，因此产生了不同程度的误差。针对这些情况， 许多技术人员提出了各种各样的修正方法。例如针对a t 牵引网，人们提出了不 少基于阻抗法的测距原理，主要有：a t 吸上电流比测距原理、上下行电流比测 距原理、转移阻抗测距原理、馈线电流比测距原理，以及利用故障电流分晕的 测距原理。但这需要现场运行情况与假定条件相符，不相符时测距误差难以满 足要求。如上下行电流比测距原理和转移阻抗测距原理在计算故障距离时，都 需采用迭代法计算，在不利的条件下会使测距精度下降。文章 1 0 、 11 、 1 2 都对此进行了研究。 单端法的精度虽然已经通过各种方法得到改善，但由于其存在理论上的偏 差，精度仍不够理想。利用双端电气量，可以进一步提高测距精度。双端故障 测距法就是利用故障时测量得到的线路两侧电压、电流值，通过分析后计算求 出故障点的距离，它完全可以消除过渡电阻的影响，实现准确测距。应用双端 3 第l 章绪论 法一。要在线路两端均装有故障数据记录议，二要实现两端数据通讯。利用双端 数据的故障测距方法已成为很有潜力的研究方向之一。双端法可以从原理上提 高精度，但该法在线路两端流过的电流大致相等时会产生较大的误差。另外 耍实现两端测距还要求两侧同步采样，并且装置的成本会大大增加。 阻抗法已经研究多年，理论比较成熟，测距性能比较稳定，目前电气化铁 道牵引网故障测距装置也多是基于阻抗原理的。由于牵引网一般处于单端电源 供电状态，因此，测距装置只能安装在牵引网变电所的一侧，采用单端电气量 法测距。由于牵引网结构及其负荷的一些特点，阻抗法仍然有很大的局限性。 首先，精确的工频电压、电流量的获取有一定困难，基于傅立叶算法所获取的 工频电压、电流量，难以完全滤去电力机车产生的丰富谐波( 主要是非整次谐 波) 和大量的非周期分量成分；其次，阻抗法不可避免地要受到过渡电阻的影 响，而且经过机车的过渡电阻难以用一般的方法加以滤除。这些对基于工频量 的阻抗测距法都是一个挑战，多年应用实践也证实了阻抗法在这一领域应用存 在着诸多的不足之处。 1 2 2 行波法 牵引网发生故障后，暂态行波中包含着丰富的非工频暂态分量故障信息。 行波法正是利用高频故障暂态电流电压的行波或故障后用脉冲频率调制雷达系 统等判定故障点的位置。随着电子技术和计算机技术的发展，数字滤波、谱分 析和压缩编码等新技术相继引入行波测距，高速采样芯片的出现使准确记录故 障后行波电流和电压更容易实现，小波理论也使得暂态行波这类信号的抽取得 到较好的解决。这些都使得行波故障测距的方法在电力系统中得到了广泛的应 用。 电力系统的高压传输线和电气化铁道中的牵引网的作用都是传输电能，实 际的输电线路般可以看作是均匀分布参数电路，由于存在着分布电感和分布 电容，当线路上发生故障时，故障点会产生向线路两端传播的行波。如果在传 输过程中输电线的参数和波阻抗发生变化，那么行波就将发生反射和折射现象。 行波法就是利用行波在故障点与母线以及其他波阻抗之间的传播( 发生反射和 折射现象) 来实现对故障点的快速精确测距的。行波测距方法一般有低压脉冲 反射法、脉冲电压法、脉冲电流法和二次脉冲法【“1 6 1 。 4 第l 章绪论 传统的行波法测距装置根据算法实现的不同可以分为3 种类型。 i a 型测距 a 型测距原理就是利用故障点产生的行波，根据测量点到故障点往返一次的 时间和行波波速确定故障点距离。行波由观测点到故障点往返一次所需的时间 为f ，由此可计算出故障点的距离，即行波往返一次所花费的时问和故障距离x 成正比工= 础2 ，其中v 为波速。准确检测来自于故障点的第一个行波( 初始 行波) 波头和从故障点反射回来的第二个行波波头到达检测母线的时间差，可 实现精确故障测距。检测这个时间是行波测距的基本思想，也是行波故障测距 装置的关键。 2 b 型测距 b 型测距是利用故障点产生的行波到达线路两端后借助于通信联系实现测 距的。由于这种测距装置利用的是故障点产生的行波第一次到达两端的信息， 因此不受故障点透射波的影响，实现起来困难较小。但是这种装置要求在线路 两端有通信联系，并且要求线路两端必须同步采集数据。 3 c 型测距 c 型测距是在故障发生后由装置发射高压高频或直流脉冲，根据高频脉冲由 装置到故障点往返时间进行测距。这类测距装置原理简单，精度也高。但由于 通道技术条件的限制，高压脉冲信号的强度不能太高，因此故障点反射脉冲往 往很难与干扰相区别，这就使装置的可靠性降低。 随着牵引网的不断发展，又出现了两种现代行波测距方法：e 型测距与f 型测距，其测距原理分别利用断路器重合闸或分闸于故障线路时产生的暂态行 波在测量点与永久故障点之间往返一次的传播时问计算故障距离。 行波法不存在理论偏差，经过大量仿真以及实践经验已经得知行波法不受 过渡电阻、机车位置等影响，具有很高的精度。行波法测距的准确度也会受到 一些因素的制约，主要表现在故障产生行波的不确定性、母线接线方式的不确 定性、故障点反射波的识别等。另外，还必须注意到行波信号的采集与处理问 题。故障产牛的暂态行波信号只持续很短的时间，经过多次反射后进入稳态， 为此必须不失时机地在故障发生后的约几毫秒的时间内记录下有用的暂态行波 信号。此外，为了保证测距有足够的精度，信号的采样频率也不能太低，应为 1 0 0 k h z 以上。以前的录波装置中的行波信号的记录曾经是一夫技术难题，现代 电子技术可以很容易地满足暂态行波信号的高速采集和处删的要求，从而为行 5 第1 章绪论 波测距的实现提供了一个强有力的技术手段。 1 2 3 智能他方法 近年来，随着计算机技术的发展，许多研究者把相关学科的成果引入故障 测距领域，提出了许多新型的测距方法，如优化方法、模式识别技术、专家系 统、模糊理论、神经网络以及光纤测距等，但都尚处于研究和探索阶段。人工 神经网络( a n n ) 具有较强的模式分类、非线性函数逼近拟合、联想和鲁棒性 等能力，它在电力系统领域的应用越来越多，己显示出它的应用潜力。应用其 实现测距，通过获取大量的已知故障样本对网络进行训练，建立起输入电气量 和输出故障距离的对应关系。由于神经网络具有自学习性、自适应性和容错性， 经过全面的训练，网络对系统各种运行方式下的各种故障情况的电气量进行分 析和计算，从而实现定位。 人工神经网络在故障测距中的应用已有学者作了深入地研列”。2 0 1 ，其关键 问题在于神经网络模型的选取以及网络输入的故障特征量的确定。文献 1 7 将 故障后工频电压、电流相量作为支持向量的输入，从而求得大致的故障距离， 然后对故障过程中暂态信号的频率特性进行分析，最后根据故障距离和特征频 率的对应关系来对故障距离进行校正。文献 1 8 采用b p 神经网络模型。将故障 前、后工频电压电流的幅值作为输入求取故障距离。文献 1 9 对分层分布式神 经网络模型在故障测距中的应用进行了深入分析，认为神经网络虽然有很强的 非线性拟合能力，但由于其用于故障测距需要考虑的因素太多，会导致_ i l 练样 本数目巨大，使得其训练不收敛或测距结果不理想。文献 2 们针对配电网络， 分别将新型决策方法、模式匹配及遗传算法分别应用于故障测距中，取得了较 好的效果。 总的说来，智能测距法有着相当的优势和广泛的应用前景，但其精度和可 靠性还有待于在实际中验证和改进。 1 3 国内外故障测距装置的研究现状 准确的故障定位是提高电网安全经济运行的重要措施。变电站综合自动化 更是把故障测距和录波设为了一个必不可少的项目，故障测距装置有着很好的 6 第l 章绪论 市场前景。计算机和网络通讯的发展，为微机型故障录波装置进一步扩大信息 量，提高可靠性、准确性，灵活性、实时性，以及共享信息资源，提供了必要 的有利条件，故障定位研究也取得了很多有突破性的成果。单端阻抗由于其简 易、快捷、易实现的特点，使得目前运行于电力系统中的故障定位装置绝大多 数是基于单端阻抗法实现的。 国内外很多公司研制了一系列产品，国外的西门子公司研制了s i m e a s r 故 障录波装置，还有a b b 公司和日本丸红株式会社( m a r u b e n i ) 都进行了研究。我 国= j l j j 期阶段很大程度上是进口日本设备【“1 。9 0 年代初，国内开始利用计算机技 术开发和研制新型多微机接触网故障测距装置。西南交通大学和许昌继电器厂 都进行了详细深入的研究。此外铁道部科学研究院、阿城继电气公司、上海继 电器厂等单位也进行了相关研究。很多公司己经开发生产了1 1 0 k v 以上线路的故 障录波兼测距装置，例如四方公司、南瑞公司，华中理工等单位都生产有不同 型号故障录波装置。但是由于单端法的固有缺陷，在需要较高定位精度的场合， 单端定位法无法满足现场需要。利用双端电气量的故障定位方法不受故障过渡 电阻和系统参数的影响，相对单端法具有比较明显的优势，近年来全球定位系 统( g p s ) 逐渐在电力系统中得到应用，使得线路两端数据的同步得以实现，因 而双端数据同步的故障定位算法成为国内外研究的一个重点方向。自从加拿大 学者s a e h d e v 、英国学者a g g a r w a l 和j o h n s 等人于1 9 8 8 、1 9 9 0 年最早提出了双端 定位算法后，关国c l e m s o n 大学的学者g i r g i s ，t e x a sa & m 大学的学者k e z u n o v i c 等都提出了不同的双端和多端的故障定位方法。双端法又可以分为双端数据同 步和双端数据不同步两种方法。a b b 公司研制的故障定位装置就是利用双端数 据不同步算法实现的。但是双端数据不同步算法较双端数据同步算法计算复杂， 当两侧数据的同步误差较大时，定位精度不能保证。h p 公司则根据k e z u n o v i e 提 出的算法研制了一套故障测距装置，但是在实际现场的应用中还存在一定的问 题。 相对于阻抗法而言，近年来行波故障定位的研究也同样得到了迅速发展， 其中以基于g p s 的双端行波定位方法为重点。g p s 提供了高精度时钟、高采样率 的数据采集设备以及提取高频行波信号算法( 如小波变换理论) 的不断完善等， 加速了行波法故障定位装置的实用化进程。以h a r r yl e e 为首的加拿大的b r i t i s h c o l u m b i a h y d r o 水电局己研制出基于g p s 的行波定位装置，其定位精确度达到 3 0 0 m ，并已成功运行于5 0 0 k v 的高压输电线路上。在国内，西安交通大学葛耀 7 第l 章绪论 中教授、董新洲等最早提出了将小波变换应用于行波法的故障定位中，并与山 东科汇电气公司合作研制成了行波定位装置 2 2 】，如x c 2 0 0 0 输电线路行波测距 装置配合g p s 电力系统同步时钟，已经在葛洲坝上海5 0 0 m v 直流输电线路 成功投运，其定位精确度为l k m 。另外，电力科学研究院研制出测距误差小于 5 0 0 m 的基于小波变换技术的输电线路故障测距装置( w f l 2 0 1 0 型) 也已经通过 验收鉴定。同国外相比，国内的测距装置还存在一定差距l ，硬件方面主要是 控制芯片一般采用低端的单片机，系统的容量较小，软件方面保护与测距装置 数据分析能力差，故障测距结果不准，录波的数据格式、远传实现的格式各不 相同，缺少统一的远传技术规范。这些都有待于科技工作者作进一步的改进。 1 4 本论文的主要研究内容 分析了当今国内外故障测距的主要方法及故障测距装置的发展情况，详细 喇述了牵引网的结构。 针对单、复线直接供电牵引网，基于分布参数模型，推导阻抗法和行波法 测距算法。阻抗法基于电压和电流的工频分量，本文能过最小二乘法提取上频 分量，而行波基于暂态分量，本文能过小波分析故障信号，提取行波波头。 搭建了p s c a d 下的带机车负载的牵引网模型，进行空载及带机车负荷短路 情况下的仿真实验分析，再通过m a t l a b 数值分析，提出将两种方法结合互补 定位的综合故障测距算法，测距算法具有较好的测距精度和可靠性。 在理论研究和仿真分析的基础上，本文设计了一套用于单、复线直接供电 方式下的牵引网新型故障测距装置，完成了其硬件电路与软件流程的设计。 8 第2 章电气化铁道牵引网结构与参数计算 第2 章电气化铁道牵引网结构与参数计算 e l 前我国电气化铁路牵引供电系统采用工频交流制，由大容量电力系统双 回高压1 1 0 k v 输电线路供电。电气化铁路牵引供电系统与电力系统相比具有许 多特殊性，这也是影响故障测距装置的一个重要的环节。本章从故障测距的角 度出发，分析电气化铁路牵引供电系统的电气特征，计算牵引线路参数，为后 面的牵引网故障计算提供相关的知识。 2 1 牵引供电系统简介 为保证供电的可靠性和经济性，我国采用电力系统对电气化铁道供电。将 电能从电力系统传送给电力机车的电力装置总称为牵引供电系统，主要由牵引 变电所、牵引网和电力机车三部分组成，其中牵引网由馈电线、接触网、钢轨 和大地、回流线构成 2 4 - 矧。具体结构如图2 1 所示。 牵； 图2 1 牵引供电系统示意图 从图中可以看出，牵引电流从牵引变电所主变压器流出，经由馈电线、接 触网供给电力机车然后沿轨道、大地和回流线流回牵引变电所主变压器，这 就构成了一个闭合叵i 路，通常将馈电线、接触网、轨道( 包括大地) 和【旦i 流线 统称为牵引网。 牵引变电所( t r a c t i o ns u b s t a t i o n ) ：主要是将电力系统传送的l1 0 k v 的三 9 第2 章电气化铁道牵引网结构与参数计算 相电源转换成牵引网额定电压2 7 5 k v 工频单相交流电，然后向铁路沿线架设的 牵引网供电。 接触网( t r a c t i o nl i n e ) ：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。牵引电力机车能量获取是通过机车 受电弓和接触网的滑动接触来实现的。 馈电线( f e e d e r l i n e ) ：是指连接牵引变电所和接触网的导线，把牵引变电 所转换完备的牵引用电能送给接触网。 轨道( r a i l w a y ) ：在电气化铁道系统中，轨道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( t r a c k r a i lr e t u r nl i n e ) ：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。 牵引网( t r a c t i o n n e t w o r k ) ：是指由接触网、馈电线、轨道和回流线组成 的电能传输的网络。 分区亭( p o s ts e c t i o n ) ：主要作用是操作设置在两个牵引变电所之间连接两 供电分区的开关设备，实现灵活供电，提高运行的可靠性。 分区亭一般加设于两个牵引变电所形成的供电区中间。其作用主要为：可 以使两相邻的供电区段实现并联工作或单独工作；当相邻牵引变电所发生敝障 时越区供电；两边供电的供电区内牵引网发生短路事故时。由分区亭切除故障 处，减少故障范围。 开闭所( s u b p o s ts e c t i o n ) ：实质上是个不进行变压的配电所，主要是将从 牵引变电所牵引母线上引出的一路馈线电线按需要向分组接触网供电。般设 置在需要送出多路馈电线的多接触网分组的枢纽站场附近 电力机车( e l e c t r i cl o c o m o t i v e ) ：由牵引电动机驱动，牵引列车运行。电 力机车是从接触网上获取电能，基本上可以分为直直流电力机车、交一直流 电力机车、交一直一交流电力机车三类。我国电气化铁路采用的电力机车大多 数为可控硅整流器电力机车，其结构简单、牵引性能好、运行可靠、维修方便。 电力机车工作时，受电弓从接触网获得高压单相交流电能，经过变压器降压和 整流器整流，把高压交流电变成低压直流电供给牵引电动机使用。 下面根据牵引网中对故障测距有影响的结构环节作了较为详细的阐述，主 要包括：牵引变电所，牵引供电方式及牵引接触网。 1 0 第2 章电气化铁道牵引网结构与参数计算 2 2 牵引变电所 牵引变电所把区域电力系统送来的电能，根据电力牵引对电流和电压的不 同要求，转变为适用于电力牵引的电能，然后分别送到沿线路线上空架设的接 触网，为电力机车供电。牵引变电所的主要电力设备是单机容量为1 0 0 0 0 千伏 安以上的降压变压器，称主变压器或牵引变压器。一条电气化铁路沿线设有多 个牵引变电所，相邻变电所间的距离为4 0 5 0 公里。在长的电气化铁路中，为 了把高压输电线分段以缩小故障范围，一般每隔2 0 0 2 5 0 公里还设有支柱牵引 变电所，它除了完成一般变电所的功能外，还把高压电网送来的电能，通过它 的母线和输电线分配给其他中问变电所。 牵引变电所分为直流和交流两类。直流牵引变电所的功能是把区域电网的 高压电加以降压和整流，使之成为直流1 5 0 0 伏，7 5 0 伏或城市交通用6 0 0 伏电 压，再送到接触网，为直流电力机车或电动车辆供电。交流牵引变电所根据牵 引变压器绕组接线不同，又分为三相，单相和三相一两相牵引变电所我国牵 引网采用交流牵引机制。 2 2 1 单相牵引变电所 “划。 4 墼堡 ( a ) “v ”接线单相变压器( b ) 单相变压器 圈2 2 单相变压器接线图 单相牵引变电所主变压器采用特别设计的il o k v 全绝缘单相变压器，副边 额定电压为2 7 5 k v 。在单相牵引变电所，通常选用“v ”接线或单相接线方式。 “v ”接线为两台单相变压器组成，其一次和二次侧都联成开口三角形。此开口 三角形的两个开口端和一个公共端，在一次侧联入电力系统的三相电网。在二 次侧将公共端与轨道相联，两个开口端则分别用馈电线联入接触网的两个相邻 第2 章电气化铁道牵引网结构与参数计算 区段( 如图2 2 ( a ) ) ；单相接线是在牵引变电所中采用一台或两台单相主变压 器。其一次侧接入电力系统的l1 0 k v 或更高电压等级的电网中，二次侧作为牵 引绕组一端与轨道联接，另一端联到接触网( 如图2 2 ( b ) ) 。单相牵引变压 器的突出优点是变压器的容量利用率可以达到1 0 0 。 2 2 2 三相牵引变电所 变压器原边绕组通常为星型连接，副边绕组为三角形连接。三角形的一个 连接点接铁路行车轨道，另两个连接点分别连接变电所左右两侧的供电分区接 触网。由于两侧相位差6 0 。，需要分段。这种变电所的优点是变压器副边保持 三相，可供变电所本身和地方三相用电，缺点是变压器的容量未能充分利用。 三相牵引变电所主变压器采用i1 0 k v 油浸风冷式变压器，其线圈是作 标准电压高1 0 。两台变压器弗列，接法完全相同，如图2 , 3 所示。 l 矿令l c l j 后_ 2 2 3 三相一两相牵引变电所 图2 4 斯柯特变压器 1 2 第2 章电气化铁道牵引网结构与参数计算 变压器原边绕组接成t 形，与三相高压母线连接；副边为两相连接，共用 端接轨道，另两端分别接供电分区。由于两者相位差9 0 ，两分区也需隔离。这 种形式的牵引变电所一定程度上克服了三相和单相牵引变电所的缺点。中国早 期的牵引变电所大多采用三相牵引变电所，从8 0 年代起出现采用三相一两相牵 引变电所。接线图如图2 4 所示。变压器互接入a b 相；变压器疋一端接入c 相， 另一端接t l 的中点，两副边匝数相同。变压器两边的变压变换关系为： 2 3 牵引供电方式 瓯 u 。 u 口 l 压厄 ：一i i2 一l 3l o 囊 吼 u 5 u c ( 2 1 ) 我国电气化铁路均采用单边供电方式，即牵引变电所向接触网供电时一每 一个供电臂的接触网只从一端的牵引变电所获得电能( 从两边获得电能则为双 边供电，可提高接触网末端网压，但由于其故障范围大、继电保护装置复杂等 原因尚未有采用) 。复线区段可通过分区亭将上下行接触网联接，实现“并联 供电”，可适当提高末端网压。当牵引变电所发生故障时，相邻变电所通过分 区亭实现“越区供电”，此时供电范围扩大，网压降低，通常应减少列车对数 或牵引定数，以维持运行。现有的供电方式如下： 1 直接供电方式 早期电气化铁路，接触网产生的电磁干扰影响极小，不用采取特殊防护措 旎，因此这种单边供电方式( 如图2 5 ( a ) ) 亦称为直接供电方式( 简称t r 供 电方式) 。随着电气化铁路向平原和大城市发展，电磁干扰矛盾日显突出，于 是在接触网供电方式上采取不同的防护措施，便产生不同的供电方式，如有b t 、 a t 和d n 供电方式。 2 吸流变压器( b t ) 供电方式 b t 供电方式( 如图2 5 ( b ) ) ，在接触网上每隔一段距离装一台吸流变压 器( 变比为1 ：1 ) ，其原边串入接触网，次边串入回流线( 简称n f 线) ，每两 台吸流变压器之间有一根吸上线，将回流线与钢轨连接，其作用是将钢轨中的 回流“吸上”去，经回流线返回牵引变电所，起到防干扰效果。 由于大地回流及所谓的“半段效应”，b t 供电方式的防护效果并不理想， 1 3 第2 章电气化铁道牵引网结构与参数计算 加之“吸一回”装置造成接触网结构复杂，机车受流条件恶化，这种供电方式 近年来已很少采用。 3 白耦变压器( a t ) 供电方式 采用a t 供电方式( 如图2 5 ( c ) ) 时，牵引变电所主变输出电压为5 5 k v ， 经a t ( 自耦变压器，变比2 ：1 ) 向接触网供电，一端接接触网，另一端接正馈 线( 简称a f 线) ，其中点抽头则与钢轨相连。a f 线的作用同b t 供电方式中 的n f 线一样，起到防干扰功能，但效果较前者为好。a t 供电方式接触嘲结构 也比较复杂，a f 线电压与接触网电压相等，p w 线也有一定电位( 约几百伏) ， 增加故障几率。但由于牵引变电所馈出电压高，所闻距可增加一倍，并可适当 提高末端网压，在电力系统网络比较薄弱的地区有其优越性。 ( a ) 直接供电方式 厂1 j 。阳阳 r 。j 7 ，lo ，、一l 7 碾上线 7 日上缴7 机壅l哪 划 一b 哪 一 艇 长回路 ( b ) b t 供电方式 a 兀 a t 2a t 3 ( c ) a t 供电方式 图2 5 牵引供电方式 4 直供+ 回流( d n ) 供电方式 这种供电方式实际上就是带回流线的直接供电方式，n f 线每隔一定距离与 钢轨相连，既起到防干扰作用，又兼有p w 线特性。由于没有吸流变压器，改 善了网压，接触网结构简单可靠，近年来得到广泛应用。 1 4 第2 章电气化铁道牵引网结构与参数计算 总的看来，早期电气化铁路均采用直接供电方式，为避免和减少对外部环 境的电磁干扰，研发了b t 、a t 和d n 供电方式，就防护效果来看，a t 方式优 于b t 和d n 方式，就接触网的结构性能来讲。d n 方式最为简单可靠。随着通 信防干扰技术的快速发展，光缆的普遍应用，通信设施及无线电装置自身的防 干扰性能大为增强，考虑到接触网的运行可靠性对电气化铁路的安全运行至关 重要，所以通常认为，一般情况下d n 供电方式为首选，在电力系统比较薄弱的 地区，经过经济技术比较，可采用a t 供电方式，b t 供电方式则尽量少采用或 不采用。 2 4 牵引接触网 接触网是电气化铁道中的主要供电装置之一，其功用是通过它与受电弓的 直接接触，将电能传送给电力机车。接触网最早出现的形式是利用钢轨供电，箍 随着电压的提高、运输量增大、技术的不断改进以及对人身安全的严格要求等， 使接触网的结构逐渐发展成为目前广泛采用的架空式接触网。作为一种户外供 电装置，经常受恶劣气象条件的影响，一旦损坏将中断行车，所以。一个良好一 的接触网应满足以下基本条件： 1 接触悬挂应弹性均匀、高度一致，以保证在各种条件下正常取流。 2 接触网结构应力求简单，保证在施工和运营方面具有充分的可靠性和灵活 性。 3 接触网要具有足够的耐磨性和抵抗腐蚀的能力，以增长使用寿命。 接触网按其结构可分为架空式和接触轨式，前者用于铁路干线、城市地面 和工矿地面的电气化铁道，后者多用于净空受限的地下电气化铁道。架空式接 触网分为简单接触悬挂和链形接触悬挂两种基本的类型，接触轨式接触网分为 上磨式和下磨式两种，分述如下。 2 4 1 架空式接触网 铁路干线上采用的架空式接触网主要由支柱与基础、支持装置和接触悬挂 等几部分组成。支柱与基础承受着接触悬挂和支持装置所传递的负载，并将接 触线悬挂到一定的高度上。支持装置是用来支持悬挂，并将悬挂的负载传递给 1 5 第2 章电气化铁道牵引网结构与参数计算 支柱的装置，主要包括腕臂、拉杆及定位装置等。接触悬挂是将电能传导给机 车的供电设备，包括承力索、接触线、吊弦、补偿装置、悬挂零件及中心锚结 等元件，它可细分为： 1 简单接触悬挂由一根或几根互相平行的直接固定到支持装置上的接触网 所组成的悬挂，如图2 6c a ) 所示。此类悬挂方式由于接触网弛度大，弹性不均 匀，一般用于车速较低的线路上( 行车速度不宜超过4 0 k m h ) 。 2 岸链形接触悬挂是指接触线借助于吊弦而悬挂到承力索上的悬挂形式，如 图2 6 ( b ) 所示。由于链形接触悬挂高度一致、弹性均匀、稳定性好，且具有 较好的取流性能，因此在运量大，速度高的干线上多采用不同形式的链形接触 悬挂。 3 双链形接触悬挂是指接触线通过两根辅助索而悬挂到承力索上的悬挂形 式，如图2 6c o ) 所示。比单链形接触悬挂多了一根辅助导线，弹性更加趋于均 匀峨 c 躅啦 c a ) 简单接触悬挂( b ) 单链形接触悬挂( c ) 双链形接触悬挂 图2 6 接触网悬挂方式示意图 由以上介绍可知，在电气化铁路牵引供电系统中，实际运行中的接触网线 路比较复杂，它是由几条线路( 接触导线、承力索，加强导线及吊弦) 并联混 接而成，这是影响牵引网故障定位的一个重要因素。 2 4 2 接触轨 接触轨是沿电气化线路敷设的与轨道平行的附加轨，又称为第三轨，其功 用与架空接触网一样，通过它将电能传送给电力机车或电动机组。不同点在于， 接触轨是敷设在铁路旁的具有高导电率的特殊软钢制成的钢轨，机车通过取流 靴与之接触而传送电能。 复线电气化铁道的上下行结构基本相同，上、下行一般由同一相馈线供电， 1 6 第2 章电气化铁道牵引嘲结构与参数计算 条件许可的区段常架设回流线与钢轨并联，以减少大地回流；在经过站场时， 站线分别与上下行干线并联运行，站线与干线一般也联结或者通过隔离开关联 结。接触网不同相问的联结由分相绝缘器完成，该设备为一段约2 0 米长的绝缘 棒，机车通过时需断电。 2 5 牵引网参数计算 牵引网的单位阻抗是牵引供电系统最基本的电气参数之一，是计算牵引网 中的电压损失和牵引网的短路电流所必需的。 2 5 1 单线牵引网阻抗 考虑到牵引网结构的特点，我们可以将牵引网总的看成两个相互耦合的回 路，即等值的导线一地回路和等值地轨道一地回路。如图2 7 所示。 图2 7 单线牵引网等值阻抗回路 现以我国使用较多的单链形悬挂接触网为例进行计算。根据c a r s o n 公式， 考虑接触导线一地回路和承力索一地回路，有接触导线一地回路的自阻抗为： ：，= 。+ 。s + j o , 4 5 , g 鲁c 。，白”， c z z ， 乙= + 。5 + ，。1 4 5 1 8 i d g ( q 砌) ( 2 3 ) z ，= 。胁+ ，。1 4 5 l g 万d g ( q 砌) ( 2 4 ) 1 7 第2 章电气化铁道牵引网结构与参数计算 式中：，f 接触导线与承力索的有效电阻( q _ b ，1 ) ； r 。，r 。接触导线和承力索的当量半径； 三接触导线和承力索的平均中心距离。 则接触网的等值导线一地同路地自阻抗为： 1 。l2 2 f + 丁_ t 一 靠 zj z f z 。一z f ( 2 5 ) 等值轨道一地回路自阻抗为： 铲( r g + 0 0 5 + j 0 1 4 5 1 9 最) ( 刚 汜e ， 式中：一一单条轨道的有效电阻( q o n ) 。 r 。一一钢轨的当量半径； d f 一一两钢轨的中心距离。 等值牵引网回路与等值阻抗回路的互阻抗为： 一o 叭m a s e 笔 c q ，拥， 式中d t ：是等值导线与等值轨道之间的距离。 根据上面的结果，单链形牵引网的等值单位阻抗为： ：毛一叠( 1 】k m ) 2 5 2 复线牵引网阻抗 ( 2 7 ) ( 2 8 )