（高电压与绝缘技术专业论文）电气化铁道牵引网故障测距装置的研究.pdf

华北电 力大学( 北京 ) 硕士学位论文 摘要 牵引网的精确故障定位，有助于及时修复故障线路，减轻维护人员体力劳动， 对铁路安全经济运营具有十分重要的意义。但由于受技术条件的制约，至今还缺少 高可靠高精度的故障定位装置。本文分析总结了现有的国内外故障定位的理论与技 术以及存在的问题，并在此基础上提出了基于分布参数的牵引网故障测距原理。 本文结合电气化铁道供电系统特点，提出了基于谐波分量的协调控制测距方 法，克服了牵引网线路过短而造成的影响;针对牵引负荷特点，提出了数据处理的 新思路，即系统正常运行时，用差分傅氏算法处理数据，以满足装置启动对实时性 的要求，故障后，采用最小二乘方算法处理数据，以满足装置定位对精度的要求; 针对复线牵引网的多种运行方式，引入了开关量信息和故障附加信息进行运行方式 识别，并建立了相应的测距方程式。此外，还采用t i 公司的t m s 3 2 0 v c 3 3 作为装置 主微处理器，选用c 语言编程设计实现了基于分布参数的牵引网故障测距装置。 关键词: 故障测距， 牵引网， 分布参数， 数据处理 abs t r ac t l o c a t in g t h e f a u lt a c c u r a t e l y a n d t i m e l y c a n n o t o n ly c o n t r i b u t e t o r e s t o r e t h e f a u l t t r a c t i o n l i n e a n d r e l i e v e t h e i n t e n s i o n o f s u r f a c e m a n , b u t a l s o b e p r o p i t i o u s t o i m p r o v e t h e r e l i a b i l i t y a n d s a f e t y o f t h e r a i l w a y . b u t f o r t h e l i m i t a t i o n o f t e c h n o l o g y c o n d i t i o n , t h e r e i s n o t a f a u l t l o c a t o r w i t h h i g h a c c u r a c y a n d h i g h r e l i a b i l i t y . b as e d o n t h e c o m p r e h e n s i v e a n a l y s i s o f t h e a p p l i c a t i o n s t a t u s a n d t h e e x i s t e d p r o b l e m o f t r a c t i o n l i n e f a u lt l o c a t i o n , t h e t h e s i s p r e s e n t a n e w f a u l t l o c a t o r p r i n c i p l e b a s e d o n d i s t r i b u t e d p a r a m e t e r . t h e d i s s e r ta t i o n c o m b i n e t h e s p e c i a l t y o f s u p p l y s y s t e m o f e l e c t r i z a t i o n r a i l w a y a n d p r e s e n t a n e w h a r m o n i z e d - c o n t r o l me t h o d f o r f a u l t l o c a t i o n t h a t o v e r c o m e t h e i n f l u e n c e t h e l e n g t h o f t r a c t i o n l i n e , t h e m e t h o d m a k e u s e o f h a r m o n i c c o m p o n e n t . t h e n t h e p a p e r b r i n g f o r w a r d t h e s p e c i a l w a y o f d a t a p r o c e s s i n g t h a t a d o p t t h e d i ff e r e n c e f o u r i e r s a l g o r i t h m t o p r o c e s s d a t a i n t h e n o r m a l c o n d i t io n i n o r d e r t o m e e t w i t h t h e d e m a n d f o r t i m e a n d u s e l e as t s q u a r e a l g o r i t h m t o p r o c e s s f a u l t d a t a i n o r d e r t o m e e t w i t h t h e d e m a n d f o r p re c i s i o n . a t l a s t w e j u d g e t h e o p e r a t i o n m o d e o f d u p l i c a t e - t r a c t i o n l i n e a n d s e t u p t h e f a u l t l o c a t i o n m o d e l b a s e d o n i n f o r m a t i o n o f s w i t c h s t a t u s a n d a p p e n d e d f a u l t in f o r m a t i o n . m o r e o v e r w e d e v e l o p a n e w f a u lt l o c a t o r f o r t r a c t io n l i n e b as e d o n d i s t r i b u t e d p a r a m e t e r . t h e m i c r o p r o c e s s o r o f t h e d e v i c e s e l e c t s t ms 3 2 0 v c 3 3 t h a t i s m a d e b y t e x as i n s t r u m e n t a n d t h e c o m p i l e d l a n g u a g e u s e s s t a n d a r d a ns i c . l i h o n g g a n g h i g h v o l t a g e 可以有效地发现故障 造成的安全隐患，及时采取相应的防范措施，提高交通运输的可靠性;可以尽早地 排除故障，恢复供电，减少由于停电造成的综合损失。 电气化铁路牵引网故障测距问题自从我国第一条电气化铁路宝成线宝凤段建 成后，就成为广大科技工作者、铁道部相关运营维护部门以及高等院校教授学者研 究的重大课题之一。经过近五十年的不懈努力，我国先后自行研制出了许多新型的 电气化铁路牵引网故障测距装置2 二 一 引 ， 并大量地投入现场运行， 解决了牵引网故障 测距的相关难题，在一定程度上减轻了维护工人的查找故障位置的工作量，为电气 化铁路的安全可靠运行做出了巨大的贡献。但是由于种种原因还没有完全解决现存 的测距相关的一些难题，这主要是由于我国电气化铁路的特殊性造成的。因此随着 电子技术、微机技术、远动技术的日新月异的发展，研制新型基于不同原理的牵引 网故障测距装置成为现存的一个急需解决的问题。 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 电气化铁路牵引网的准确故障定位不仅有利于及时修复故障馈线， 保证牵引网 处于良 好的运行工况下，而且对于铁路系统的安全、可靠、稳定和经济运行都是十 分重要的。电气化牵引网的准确故障测距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8 i u 1 . 2 现有的电气化铁道牵引网测距方法及国内外研究现状 现有的故障测距方法按其采用的线路模型、定位原理、 被测量与测量设备等可 以有许多种分类方法。按其工作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、模糊理论等新技术新理论的兴起，还出现了一些智能化的 故障测距方法。 1 . 2 . 1阻 抗 分 析 法 【， ， 一 13 1 阻抗分析法是指在系统运行方式确定和线路参数已知的条件下， 根据故障时测 距装置安装处测量到的电压、电流量而计算出故障回路的阻抗，然后依据线路长度 与阻抗成正比的原理，求出装置安装处到故障点的距离。常见的模型: 图1 . 1 单电源单回路单相接地故障示意图 该方法只需根据线路的测距装置安装处的电压、电流量及线路单位阻抗参数。 设 m 端为测量端，则测量阻抗表示为: z mz d . fr f . = z d . f + 2( 1 一 1 ) if一几 十 其中， z 为 牵引网 单位长度的阻 抗; d m ; 为m 端到故障点原距离;u, 、 i m 为测 量端电 压电 流; r ; 为故障点的 过 渡电阻; a z 为 测量误差; 1 ; 为故障点的 短路电 流。 由 公 式( 1 - 1 ) 可 知， 测 距 误差不 仅 与 过渡电 阻r 二 大小 有 关， 而 且受故 障电 流i ; 与测 量点电 流h , 的向 量比 的 影响。 为了克服过渡电阻带来的测距误差， 许多国内外学者进行了不懈的努力， 探讨 出了一些消除过渡电阻影响的实用有效的故障测距方法。常用的消除过渡电阻影响 方法如下: ( 1 ) . 电抗法 通常过渡电阻 表现为纯电阻性质， 因 此可以 对式( 1 - 1 ) 取虚部， 消除过渡电阻凡 的影响。 (1to i m z . = 爪 z d m f + a z 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 于是测量电抗就为: x, = x 刀 ， 尸( 1 一 3 ) ( 2 ) .过零测量法在单端电源条件下，微分方程式可写为: 。 一 (r 二二 r f )im + : .二 鲁 一 (r 。二 * ; )， + l m,im ( i 一 4 ) 当 ， 一 。 时 ， 可 知 l , 二 u m e m ( 1 - 5 ) ( 3 ) .利用电流故障分量消除过渡电阻影响方法 在两端电源条件下消除过渡电阻影响的主要困难是无法确知故障点的电流，因 此人们开始利用电流故障分量的相位特征，来推知故障点电流相位，从而减少过渡 电阻的影响，在一定程度上提高了测距的精度，满足了维护部门的要求。 根据叠加原理，可以将图1 -1 分解为正常状态图1 -2 和故障附加状态 1 -3 的叠加。 1 . 厂卜 图 1 - 2 线路正常状态图 z d m f z d l -一 爪 f 图 i 一3 线路故障附加状态图 故障点与 m 端电流的故障分量关系为: i . h = c m 寿 ( 1 一6 ) 其中:c ,u = i ,q = i m - z r + z d * 一 z d . f 2 ， 十 z r 十 z d l c m e j r .( 1 一 7 ) 华北电 力大学 ( 北京 ) 硕士 学位论文 式中( 1 - 7 ) 的角度y . 由故障点两侧的综合阻 抗角决定， 其值接近于零，一般不 超过1 0 ,。由 此可知， 故障电 流1 , 与线路m 端故障分 量之间以电 流分布系数喘相 联系，后者与负荷电流和过渡电阻无关。此外，两端电源下进行故障测距时，为了 消除过渡电阻影响，假定测量端的电流故障分量与故障点电流的相位近似相等，即 c 、 为一实数 z m= u m = zd .f 沙二 z .f + c m 备 ( 1 一8 ) 取虚部可得 _r 。 一 了 一 x 。 一 x u . f 十 布1 . h - - ( 1 一 9 ) ( 4 ) .利用复线上、下行牵引网末端并联消除过渡电阻影响的方法 在我国复线区段电气化铁道牵引供电系统正常运行时，上、下行牵引网在末端 的分区亭内通过隔离开关实行并联运行， 以提高牵引网电压水平， 因此故障发生后， 可通过非故障的牵引网推导出分区亭的电压和电流，从而形成双端数据故障测距原 理，消除过渡电阻对测量精度的影响。 图1 - 4复线牵引网故障示意图 假定上、 下行 牵引网 单位自 阻 抗分别为z , , z 2 , 单位互阻 抗为z m ，故障点f 离m 端距离为i d ，上、下行牵引网长度为1 ，则: 从m 端看线路l l 到故障点的电压降为: 必= z l ld 瓜 l + z m l d l m 2( 1 一 1 0 ) 从m 端看线路l 2 到故障点的电压降为: 心一 z m ld l m l + z 2 id l m 2 + ( z 2 1 一 z 2 ld ) l m 2 + ( z , 1 一 z l ld ) gy m : 一 2 (z l 一 z m 1d ) l m 2 ( 1 一 1 1 ) 即为:o d - z m l d l m l + ( z ll + z 2 1 - z , l d - 2 z 7 + 2 z m l d ) l m 2 ( 1 一1 2 ) 根据输电线路电压连续性可知: z lld l m l + z m l d l m 2 - z m ld j m l + ( z il + z 2 1 一 z l ld 一 2 z 1 + 2 z m 1d ) m 2( 1 一1 3 ) 由式( 1 - 1 3 ) 可得到含有故障距离i d 的平衡方程式: 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 vi i + z 2 1 一 2 z 1 ) 1 rn 2 ( , . i + 1 . 2 ) ( z 1 一 z m ) ( 1 一1 4 ) 1 . 2 . 2行 波法 ， ，一 。 】 行波法是根据行波传输理论实现对故障线路测距的方法。在系统故障发生后， 在故障点产生向两端传送的暂态行波，暂态行波在传播过程中遇到不均匀介质时， 发生反射和透射，利用波头之间的时间差来完成故障定位。 研究线路上的行波过程时，全面考虑所有参数的影响是十分复杂的过程。实际 上馈线可以看成电阻r 、电感 l 、电容c 均匀沿线分布的无数个长度为d x 的小段线 路组成( 等值电路如图1 -5 所示) 。 r d x 1 么 一 二 二 门 了 丫 .丫 、 r d x了 d 义r d z l d x 厂 丫y , 9 d x t c d x _ _-一 图1 -5 馈线线路的等值电路 馈线的分布参数特性使线路中的能量传递或者线路上的扰动均以电压波、电流 波的形式在线路中按一定的速度运动，形成线路上的行波。行波一般可分为稳态行 波和暂态行波。单根无损的分布参数线路上的电压u 和电流i 用在线路上的位置x 和 时间亡 为变数的偏微分方程来表示，可得如下方程式: _d i l- d t ( 1 一 1 5 ) = c d u d t ( 1 一1 6 ) 加一击庆-ax 对上述方程进行求解，得达朗贝尔解为: u 一 u l (t 一 x ) + u 2 ( t + x ) 1， ， x ,， x g . v v ( 1 一 1 了 ) ( 1 一 1 8 ) 式 中 。 , ( t 一 三 ) 、 u 2 (t + 与为 沿 线 正 方 向 传 播 的 前 行 波 和 沿 线 反 方 向 传 播 的 反 行 波。 v 一 l c” ” 波 的 传 播 速 度 、 = c 、 阻 抗 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 由于行波能够在线路中以一定的速率稳定传播， 而且测量故障时间差不受线路 类型、故障过渡电阻及系统运行参数等因数影响，因此行波法在故障测距方面有较 好的精度和稳定性。现有的用行波法测距装置可分为a , b , c 型三种。 ( 1 ) .a型测距装置 a 型测距装置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 行波波速来距离的。线路发生故障时，故障产生的电压、电流行波在故障点及母线 之间来回反射，装设在母线处的测距装置接入互感器二次侧的暂态行波信号，使用 高通滤波器滤出行波波头脉冲。 m t 一t 一与 t s i 初始行波一 t s 2 故障点反射波 图 1 一6 设线路长度为l ，波速度为刀， 分别为t t 2 ，则故障距离x ; 为: a型行波测距原理示意图 故障初始行波与由故障反射波到达母线的时间 _ 生 v a t _ 1 v ( 兀2 一 几 i )( 1 一1 9 ) a 型测距装置比较简单，容易实现，只在线路一端装设，不需要和线路对端进 行数据通信联系，但由于故障反射波受两端母线和系统结构的影响，有时会无法有 效识别第二个行波波头，导致测距失败。 ( 2 ) . b 型测距装置 b 型测距装置是利用故障点产生的初始行波到达线路两端母线时间差来实现测 距的。 假定故障初始行 波波头到达两侧母线时间分别为t . ， t ， 如图1 - 7 所示。 n|叫 % s_ 丰一x n 一匕| 图 1 一7 b 型测距装置原理示意图 华 北电 力 大 学 ( 北 京 ) 硕 士 学 位 论 文_ _ _ 根据安装于线路两端的测距装置记录下的故障行波波头到达两侧母线的时间， 计算故障距离的公式如下所示: ( t : 一 t ) v + 1 z ( t 。 一 t , ) v + l ( 1 一2 0 ) x 2 ( 1 一 2 1 ) b 型测距法原理简单，测距可靠、精度高，但需要安装两台测距设备。随着微 波通信和光纤通信在电力系统的发展， b 型双端测距装置会得到广泛的推广使用的。 ( 3 ) . c 型测距装置 c 型测距装置是在故障发生后由测距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。这类装置原理简单，精度较高，但要附加 高压脉冲信号发生器等设备，比较复杂和昂贵。实际应用中由于发射的高压脉冲信 号强度不能太高，很难区别故障点反射脉冲和干扰，致使装置的测距可靠性。但 c 型测距装置可以在线路断开的条件下，检查出线路是有故障存在，可以有效防止手 动或自动重合闸到永久性故障线路上。 1 . 2 . 3 智能化的故障a 9 距方法 近几年来，随着边缘学科、交叉学科的日益兴起，为探索新测距算法提出了一 些新思路，许多专家学者相继将相关学科的理论成果引入了故障定位装置的研究 中，提出了许多新颖实用的测距方法，如优化方法、卡尔曼滤波技术、模式识别技 术、概率统计决策方法、模糊理论和神经网络方法。由于以上各种方法中，引入了 一些智能化的模式，因此人们将这些算法统称为智能化定位方法【 ” ， 一 f 川。智能化的 新方法，在一定的程度上丰富了故障定位研究的方法，开拓了人们研究故障定位的 视野，但是这些方法大部分目前还处于理论探讨研究阶段，还没有形成完整的理论 体系，有许多新问题需要进一步研究解决:也没有批量的产品投入现场中使用， 有待于广大科技工作者继续努力，不断探索充实。 1 . 2 . 4 国内外牵引网测距方法研究现状 自从世界上第一条交流电气化铁路建成后， 牵引网故障测距作为热门研究课题 之一，引起了国内外许多高等院校、设计单位、生产厂家的极大关注，都先后投入 了巨大的人力和物力，进行了长期地不懈地研究，提出了许多基于不同原理的新理 论新方法。英国学者s . h . r i c h a r d s 和g . c . w e l l e r 、日 本学者藤江宏史以及我国学 者贺威俊、高仕斌等人在研究故障测距方面做出了长期的工作，积累了大量的故障 测距的研究经验，为进一步研究故障测距装置做了许多开拓性的试验。目前在国内 西南交通大学、中铁电气化勘测设计院以及许昌继电器集团公司等高等院校和科研 单位都研制出了自己的牵引网故障定位装置，并相继投入了现场运行。但是由于种 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 种原因，现有的各种测距装置在应用过程中存在测量精度不高、拒动、误动现象明 显等一系列实际问题，极大地影响了牵引网故障测距装置的推广使用。 1 .3 现有故障测距方法存在的问题 现有的测距方法，在一定程度上减轻了维护人员的强度， 缩短了因故障导致的 停电时间，提高了铁路营运的安全性，但是每种测距方法都是存在着一定的缺陷， 影响着测距装置的推广使用。 1 . 3 . 1阻抗法存在的问题 阻抗法是目前测距装置应用最广泛的原理，它的测距结果比较稳定、可靠，原 理简单，但其在应用过程还存在一定的问题: ( 1 ) 故 障 过 渡 电 阻 的 影 响 0 1, u 07. 161 - z i 现场运行过程中， 故障性质大多表现为经过渡电阻接地的故障特征，这也是专 注于牵引网故障阻抗测距法的学者的一个重要的研究课题。为了解决这个问题，人 们总是在不断地寻找更好的辅助方法来消除故障过度电阻的影响，比如电抗法、过 零检测法等等，这在一定程度上提高了故障测距的精度，但还是不能完全满足现场 运行的要求。 ( 2 .线路单位阻抗的整定 牵引网的架设与电力高压输电线有所不同，一方面，一个供电臂区间内设置了 一些站场，使线路个别点并联或形成 “ t ”型供电方式，造成整个牵引供电网的单 位阻抗呈分段线性化特征; 另一方面，电力机车受电弓与牵引网滑动磨损、 经常“ v 形天窗”检修、局部区段换线、增加加强线等造成牵引网单位阻抗或牵引网结构性 变化。曾在京广电气化铁路现场进行过多次调研，发现维护部门很少对测距装置出 厂设定的阻抗进行校验，形成测距装置使用的模型与实际情况不相符合，导致测距 误差比较大。 ( 3 ) 基波信号的提取与分析 牵引网的负荷及牵引网结构，具有明显的特殊性( 具体的分析详见第二章) 。在 电力机车调速、制动或机车运行过程中受电弓与牵引网之间离线时，均会产生大量 的丰富的整次、非整次谐波和非周期谐波。对牵引变电所谐波含量实测结果表明， 3 次谐波占基波2 5 % 左右，5 次谐波 1 3 % 左右，7 次谐波7 % 左右。现常用的算法，如 全波傅立叶算法、半波傅立叶算法、微分方程算法等，都难以从中提取出准确的工 频基波电压、电流量。 1 . 3 . 2 行 波 法 存 在 的 问 题【，“， : 2 3 行波法是随着现代行波理论、 微电子技术以及微机技术的迅速发展而发展起来 的，它因精确的故障定位而被人们所关注，但在现场的应用中也发现定位结果具有 不可靠性，还需解决如下问题: ( 1 ) .行波信号的不确定性 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 行波信号的不确定主要包括故障不确定性和母线接线方式的不确定性。 故障不 确定性是指故障发生的时刻是随机的，若接地故障发生在电压达到峰值时，初始行 波幅值达到最大值;若发生在过零或相角比较小的时刻，则不会出现足以识别的故 障行波，行波测距方法失效。母线接线方式的不确定性是指母线上的接线的不固定 引起行波到达母线时的反射波的不确定性，与故障线路接于相同母线的馈线回路越 多，行波的反射越明显;若故障线路相连母线上只有两回馈线时，行波将不发生反 射;若故障线路相连母线只有故障线路和其它元件时，行波反射非常微弱，此时的 行波折、反射现象仅取决于母线对地的等效电容。 ( 2 ) .故障点反射波的识别 线路上存在着大量的干扰，其特征与故障点的反射波极为相似。正常运行情况 下较大的干扰主要来自 断路器和隔离开关的操作、直流电动机的运行状态的改变以 及弓网状态的变化，任何上述变化都会产生剧烈的电压、电流变化，从而产生陡峭 的行波信号; 故障后主要干扰是在行波沿牵引网传播时， 因波阻抗的变化而产生的。 排除干扰、正确识别故障点反射波是能否准确可靠进行故障测距的关键技术问题。 ( 3 ) .行波信号的提取与处理 行波信号的提取与处理包括两方面的问题:一方面，常规的电压互感器和电流 互感器的截止频率比较低，没有足够快的响应速度，很难满足传变暂态行波信号的 要求;另一方面由于故障产生的暂态行波信号只持续很短的时间，为了不失时机地 在故障发生后约几毫秒的时间内记录下有用的暂态行波信号，行波信号的采样频率 就必须足够高。 ( 4 ) 参数的频变效应 波速是影响行波a 9 距精度的主要因素之一，在实际使用过程中，人们一般取波 速为0 . 9 8 3 c -0 . 9 8 6 c ， 而波速的计算往往不仅与大地的电阻率和牵引网线路的结构 相关，而且是频率的非线性函数。 1 .4 本论文研究的主要内 容 随着电气化铁路的迅速发展， 牵引网故障定位已 经得到了铁道部相关运营部门 的高度重视。经过广大科技工作者和生产厂家的不懈研究，已经获取了大量有意义 的数据和经验。本论文在充分利用已有的研究成果的基础上，结合我国电气化铁路 牵引供电系统结构、牵引负荷、运行方式等方面的特点，深入地研究适应于我国牵 引网故障定位的测距装置。 本论文在导师全玉生教授的悉心指导下，经过自己的不懈努力，主要在如下方 面进行了大量的研究工作: ( 1 ) .从影响牵引网故障测距精度的角度出发，分析了我国电气化铁道牵引网 供电系统的常用结构、牵引电力机车负荷特征、牵引网运行方式、受电弓与接触网 工况;利用c a r s o n 公式计算出牵引网单位阻抗，根据牵引网电路列出了电路平衡 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 方程式，合并了牵引网 ( 由接触网、承力索、加强导线等导线组成)的分裂导线， 消除了地线;针对复线区段上、下行牵引网运行方式，进行了相模变换运算，分解 出模 0 ( 同向序) 、模 1 ( 反向序) 分量。 ( 2 ) .推导基于分布参数的单线区段、复线区段牵引网故障测距原理，并结合 牵引负荷的特点，提出了基于谐波分量的协调控制牵引网故障测距思路;针对复线 区段牵引网的多种运行方式，提出了运行方式的识别方法和相应的测距方程模型; 分析对比了目前常用的故障数据处理算法，改进现有故障测距装置的故障录波启动 和测距信息提取的方法。 ( 3 ) .利用a t p 仿真电气化铁道单、复线区段牵引网各种故障工况，验证基于 分布参数的故障测距原理的有效性。 ( 4 ) .完成牵引网故障测距装置的硬件与软件设计。 提出了故障测距装置的具体 实现方案， 详细说明了装置总体结构、 工作原理以 及硬件组成和软件算法及流程。 选 用t i 公司的3 2 位高速浮点t m s 3 2 0 v c 3 3 芯片作为主微处理器，用c 语言进行软件编 程，开发出一套适用于电气化铁道牵引网的故障测距装置。 华北电 力大学( 北京) 硕士学 位论文 第二章电 气化铁路牵引供电系统特征及参数计算 目 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 电 气化铁路牵引 供电系统简介2 4 1 . (2 5 1 电气化铁路牵引供电系统是电力系统一个分支( 用户) ， 是由专用发电厂或容量 较大的地区变电所到牵引变电所的专用高压输电线路、牵引变电所和牵引网等组成 ( 如图 2 -1 所示) 。 发电厂区域变电所 : 罗 -，一- i厂 - 一 卿 卑 乌 烹t it h_- 上 卜 b 一 - 匕j t 二_ h 上 f 已l 图2 -1 电气化铁路牵引供电系统示意图 牵引变电所( t r a c t i o n s u b s t a t i o n ) :主要是将电力系统传送的 1 1 0 k v的三相 电源转换成牵引网额定电压一2 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 n l 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 l r e t u r n l 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 t s 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。 开闭所( s u b - p o s t s 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 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 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。一般设置在需 要送出多路馈电线的多接触网分组的枢纽站场附近。 2 . 2 牵引 供电 系 统 常 用 结 构261, (271 2 . 2 . 12 . 2 . 牵引变电所 目前我国采用的工频单相交流制牵引变电所按其主变压器的结线方式可分为 三相牵引变电所、单相牵引变电所和三相一二相牵引变电所。 ( 1 )三相牵引变电所 三相牵引变电所主变压器采用三相三绕组油浸风冷式变压器， 其线圈接线方式 为y / a - 1 1 高压侧额定电压为1 1 0 k v ， 牵引侧额定电压为2 7 . 5 k v高压侧为额定电 压时牵引侧的空载电压) ，比牵引网标准电压高 1 0 % 。两台变压器并列，接法完全相 同( 结构如图2 -2 a ) a ( 2 )单相牵引变电所 单相牵引变电所主变压器采用特别设计的1 l o k v 全绝缘单相变压器， 副边额定 电压也为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。 i 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区段( 结构如图 2 - 2 b ) ;单相接线是在牵引变电所中采用一台或两强单相主变压器。其一次侧接入 电力系统的1 1 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 c ) o ( 3 )三相一两相牵引变电所 牵引变电所中使用比较成熟的三相一 二相变压器为由两台单相变压器构成的斯 柯特变压器接线。变压器t 1 接入a b 相;变压器t 2 一端接入c 相，另一端接t i 的 中点。两变压器副边匝数相同，分别供应变电所两边的供电分区( 如图2 - 2 d ) o c 川|了 b a 尸 六 a b b if cb , a 一 b 、 _工 胜 ( a )三相变压器( b ) 图 2 一2 单相变压器( c ) v ” 接线单相变压器( d )斯柯特变压器 牵引变电所主变压器接线方式示意图 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 2 . 2 . 2 分区亭 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故障时越区供 电;两边供电的供电区内发生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。 2 . 2 . 3 牵引网供电 方式 我国电气化区段牵引网普遍采用由牵引变电所从一边供电，两牵引变电所之间 相邻的两个接触网供电臂相互绝缘，电力机车只从一个牵引变电所取流。现有的供 电方式可分为:直接供电( d i r e c t f e e d i n g ) , b t 供电( b o o s t e r t r a n s f o r m e r ) 和a t 供电( a u t o - t r a n s f o r m e r ) , ( 1 )直接供电方式牵引电流经由接触网供给电力机车， 然后沿轨道和大地流 回牵引变电所( 如图2 -3 a ) , ( 2 ) b t 供电方式在牵引网中设吸流变压器一回流线，可使牵引电流沿回流线 流回牵引变电所而不经过由轨道和大地( 如图2 -3 6 ) , ( 3 ) a t 供电方式即自 祸变压器供电方式， 在结构上用自 藕变压器代替了吸流 变压器，正馈线代替了回流线( 如图2 -3 c ) , b t a tl a t 2 变电二 接 触 网 fx 机车 一 全写 接触网 回流线 ! (4 : 率异 典- 一粤 一掀一一-一轨道 -山 一 ( a )直接供电方式( b ) b t 供电方式 图 2 -3 牵引网供电方式示意图 ( c ) a t 供电方式 2 . 3 牵引供电系统特征 电气化铁路牵引供电系统与电力系统输电线路相比， 具有一定的特殊性。 本节 将从接触网、牵引电力机车负荷特征、牵引网的运行方式及受电弓与接触网状态等 方面进行讨论分析。 2 . 3 . 1电 气 化 铁 路 接 触 网 结 构 特 点 ， 126 7- 33 1 牵引供电传送给电力机车的能量是通过受电弓与接触网的滑动接触来传送的， 在机车高速运行情况下，受电弓与接触网的机械冲击是难免的，因此在电气化铁路 中为了适应不同等级的铁道线路，接触网的结构也是多样的，如简单接触悬挂、单 链形接触悬挂、双链形接触悬挂等。 ( 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 - 4 a ) 。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 ) , 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 ( 2 )单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 -4 b ) 。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 -4 c ) 。比单链形接触悬挂多了一根辅助导线，弹性更加趋于均匀。 承力索悬挂点 遇些 卿 悬挂点 一 /产 吊弦 接触 辅助索 接触网浑霆 ( 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 - 4 接触网悬挂方式示意图 从上面可知， 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，这就成 了影响牵引网故障定位的一个重要因素川 。 2 . 3 . 2 牵引电力 机车负荷特征 目 前我国的单相交流电力机车采用了直流串励激电动机、工频单相整流子电 动机及无整流子交流电动机。其中最具有代表而且最普通的为直流串励激电动机 ( 原理示意图如图2 - 5 ) 0 接触网 受电弓 z 1 t亩z 2 z 3t亩z 4 d 1 )( d 2 )( d 3 )( d 4 )( d 5 ) d 6 图2 -5 牵引电力机车直流串励激电动机原理图 电气化铁路中， 牵引电力机车经常运行在起动、 调速、 再生制动等不同工况下， 造成负荷电流及其相位角的变化很大，电流突变率和冲击特征增大，谐波电流含量 相应增加，这些因素对牵引网线路的微机继电保护装置和故障定位装置造成很大的 困难。牵引电动机运行在牵引工况下，牵引负荷电流中3 次谐波为 2 5 % 左右，5 次 谐波为 1 3 % 左右， 7 次谐波为7 % 左右; 运行在再生制动工况( 机车运行速度为6 0 k m / h ) 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 时，牵引负荷电流中3 次谐波含量为2 5 . 4 6 % , 5 次谐波为1 4 . 7 1 % ; 运行在空投机车 变压器或惰性过电分相时，产生含有4 0 % 以上的2 次谐波电流的励磁涌流。 2 . 3 . 3 牵引网的 运行方式 目前我国电气化铁路复线区段牵引网运行方式比较灵活， 可根据牵引运行的实 际要求， 通过操作牵引变电所或分区亭的相应断路器、 隔离开关， 实现“ v 停反行” 、 末端解裂等多种运行方式( 如图2 -6 ) . 牵引 母线牵引 母线牵引母线牵引母线 d 1 ( a ) 正常运行方式( b ) 末端解裂运行方式( c ) v 停反行”运行方式 图2 - 6 复线牵引网典型运行方式及短路模式 由上述运行方式可知，在不同的运行方式下，牵引网线路的计算模型是不一样 的， 测距的模型也需要进行相应地调整。 解决此类问题可通过将外部相关的断路器、 隔离开关或继电保护的辅助接点信号引入测距装置中，进行牵引网运行模式识别 ( 也可由装置内部软件自行识别) ，自动选择正确的测距方程。 2 . 3 . 4受电弓与接触网状态 在电气化铁道中，电力机车通过机车上的受电弓与沿线架设的接触网的滑动接 触来获取牵引能量，这是一个动态的过程，受沿途地形地貌、机车运行速度以及接 触网悬挂方式等因素影响。机车正常运行过程中，要求弓网在合理地冲击下能可靠 地接触滑动，保持良 好的受流特性，但是有时由于机车运行速度比较快，接触网弹 性差或线路弯度大，在冲击下弓网总会出现离线现象，产生电弧，造成牵引负荷电 流中包含大量的丰富的谐波分量。 以上从影响故障测距精度的方面分析了我国电气化铁道牵引供电系统的主要特征， 为后面的故障计算与分析奠定了一定的基础。 但在牵引供电系统中， 影响故障定位的因 素还有不少，比 如在一个牵引供电 分区( 供电 臂) 中设置了一些较大的编织车站， 使一些 支路并联，侧线增多，线间互感变大，电抗增大;经常维护线路，更换导线或增设加强 导线， 使接触网结构发生变化: 牵引回流线路复杂， 而且受天气、 道渣、 大地电阻率影 响比较大等等。 牵引供电系统的特殊性也就决定了 牵引网故障测距的意义和难度。 2 . 4 牵引网参数计算及等值电 路 2 . 4 . 1牵 引 网 导 线 参 数 计 算 ， ， ， ，一 。 。， 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 轨道有效电阻的经验公式: 。 一 髻 + (j g + 3 .7 b ) i。 一 n l lun ( 2 - 1 ) 架空接触网自阻抗及互阻抗: 、。_ _ _ _ ，_ _ _， _ d_ _ z 1 =r 1 +l r j x 1 u +j 4 1 . 1 0 - l n =s 2 / k m 尤 r j x 1 0 - 0 + j 4 ; tf1 0 - in 些s 2 / k m 61 1 2 ( 2 - 3 ) 二 一 658.90 p m ( 2 - 4 ) 2 . 4 . 2 牵引网电路方程式 根据电气化区段牵引网的电流分布情形和电压降，列出牵引网电路的平衡方程 式，并进行接触网、承力索、加强导线合并和消去地线处理，得出适合故障计算的 电路方程式( 分析以复线链形悬挂牵引网为例) 。 12 34 -二二址 亡二 r二 亡 图2 - 7 复线链形悬挂牵引网示意图 ( 1 )牵引网导线合并 在计算牵引网的参数时，只能测量到各馈线电流和对应的母线电压，因此必须 将接触网 分析计算 、承力索等分裂导线进行合并处理，然后根据相应的边界条件进行深入的 由多导线输电线路分布参数偏微分方程可知: _华 北 电 力 大 学 ( 北 京 ) 硕 士 学 位 论 文 z 1 2 z 1 3 z 1 4 z 1 5 z 1 6 z 1 7 z 2 2 z 2 3 z 2 4 z 2 5 z 2 6 z 2 7 z 3 2 z 3 3 z 3 4 z 3 5 z 3 6 z 3 7 z 4 2 z 4 3 z 4 4 z 4 5 z 4 6 z 4 7 z 5 2 z 5 3 z 5 4 z 5 5 z 5 6 z 5 7 z 6 2 z 6 3 z 6 4 z 6 5 z 6 6 z 6 7 z 7 2 z 7 3 z 7 4 z 7 5 z 7 6 z 7 7 z 8 2 z 8 3 z 8 4 z 8 5 z 8 6 z r 7 ( 2 - 5 ) 对于牵引网系统u , =u , , 一 u i l ，u ,2 一 “ i 2 - u i 2 i i ， 一 1 1 + i ;,