（电力系统及其自动化专业论文）全并联at供电系统馈线保护与故障测距方案研究.pdf

西南交通大学硕士研究生论文第1 i 页 a b s t r a c t a tt h ee c o n o m yh i g h l yd e v e l o p e dt o d a y ，r a i l w a yi sg o i n gt o w a r dh i g hs p e e d ， h e a v yd u t y b u i l d i n gt h eh i g hs p e e dr a i l w a y ( h s r ) o rp a s s e n g e r - t r a n s p o r t s p e c i a ll i n ei st om e e tt h ed e v e l o p m e n to fo u re c o n o m ya n dt h ed e m a n do ft h e s t a t eo ft h en a t i o n h s rw i l la d o p te l e c t r i ct r a c t i o nn e c e s s a r i l y t h ep o w e rs u p p l y s y s t e mi st h em o s ti m p o r t a n tp a r to fe l e c t r i f i e dr a i l w a y ，s oi t sp o w e rs u p p l ym o d e a l s ob e c o m e so n eo ft h ek e yf a c t o r st h a td e v e l o pt h eh s r a tf e e d i n gs y s t e m s 喇mt h ea d v a n t a g eo fi t s e l f , g o tt h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nf r a n c e ，j a p a n ，a l s o b ep a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb y0 1 1 1 r a i l r o a d t h ee x p e r i e n c e sf r o mr e g u l a rs p e e dr a i l w a yi n d i c a t e st h a tt h ef a u l tr a t i o so f p o w e rs u p p l yn e t w o r k si nc h i n aa r eh i g h e rt h a no t h e rc o u n t r i e sa n dw r o n g o p e r a t i o no fp r o t e c t i v ed e v i c e so f t e no c c u r si nc h i n e s ep o w e rs u p p l ys y s t e m sb y r e a s o no ft h et e c h n i c a la n dm a n a g e m e n tl e v e l s t h ef o r e i g na d v a n c e dt e c h n i q u e s c a nc e r t a i n l yb ea d o p t e dt os e r v i c ec h i n e s er a i l w a yt r a n s p o r t ，e s p e c i a l l yh s r t r a n s p o r t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fa l l - p a r a l l e la u t o t r a n s f o r m e r ( a t ) p o w e rs u p p l ys y s t e m ，s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e dt h ep r o t e c t i v ep r i n c i p l e so ff e e d e r a n df a u l tl o c a t i o na n dp u tf o r w a r dn o v e lp r o t e c t i o na n df a u l tl o c a t i o nf o rh s r b a s e do nt h ee q u i v a l e n tc i r c u i to ft h ea tp o w e rs u p p l ys y s t e m ，t h e e q u i v a l e n tc i r c u i to fa tp o w e rs u p p l ys y s t e mw i t hp r o t e c t i o nw i r ei sp r o p o s e d w i t ht h i se q u i v a l e n tc i r c u i t ，t h ei m p e d a n c eo ff e e d e rc a nb ee a s i l yc a l c u l a t e d ，s o t h et h e o r e t i c a lb a s i si so f f e r e dt ot h ep r o t e c t i o ns e t t i n g t h e nt h es i m u l a t i o n m o d e li sb u i l tt oa n a l y z et h ei m p e d a n c eo fv a r i o u sf a u l t sa n dt h er e s u l t so f s i m u l a t i o n si n d i c a t et h ec o r r e c t n e s so ft h ec a l c u l a t e d i m p e d a n c e w i t ht h e e q u i v a l e n tc i r c u i t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fa l l - p a r a l l e la tp o w e rs u p p l ys y s t e m ，p u t f o r w a r da na p p l i c a b l ep r o t e c t i o ns c h e m e ，a n dt h e np u tf o r w a r da na p p l i c a b l e p r o t e c t i o nf l o wa n dt h ec o n f i g u r a t i o n so ft h ep r o t e c t i o n ，f i n a l l yd e t a i l e da n a l y z e p r o t e c t i o n so f v a r i o u sf a u l t s b a s e do nt h ep r o t e c t i o ns c h e m e ，p u tf o r w a r dan e w l ya n de a s i l ym e t h o dt o l o c a t et h ef a u l t1 0 c a t i o n t h en e wm e t h o di sd i f f e r e n tf r o mo t h e r s i tc a l lc a l c u l a t e t h ef a u l td i s t a n c eo n l yu s i n gt h el o c a ld a t aa n dc a nb ee a s i l yc a r d e do u t k e yw o r d s ：h s r ；a l l p a r a l l e la tp o w e rs u p p l ys y s t e m ；t h ee q u i v a l e n tc i r c u i t ； p r o t e c t i o nw i r e ；f e e d e rp r o t e c t i o n ；f a u l tl o c a t i o n 西南交通大学曲陶父逋大芋 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 i 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密臼使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：岛戍曩指导老师签名： 日期： 妒。了瓴7 t 日期： 6 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： 【1 从a t 供电方式的当量等值电路入手，推导出带保护线的a t 供电方 式的当量等值电路，该等值电路能够准确的计算故障阻抗和短路电流，为保 护整定提供了理论依据。 【2 】根据全并联a t 供电系统的特点，当故障发生时，必然使上下行线路 断路器同时跳闸才能切除故障，这样必然造成故障范围的增大，不利于高速 铁路的发展。本文提出一种新型保护方案，并给出了保护动作流程和具体的 保护配置，此保护方案可以有效的减少故障影响范围，将故障线路隔离起来， 使故障线路停电，而非故障线路正常供电。根据本文提出的保护方案流程， 重合闸动作前后的供电方式是发生变化的，由全并联a t 供电方式变为直接 供电方式，根据这种变化，提出了根据保护整定值在重合闸前后变化的保护 方案，可以有效的避免保护的误动和拒动，增加保护动作的可靠性。 【3 在本文提出的新型保护方案的基础上，提出了一种新型的故障测距 方案，该测距方案只需测量重合闸时变电所故障线路的电压和电流，即可准 确的计算故障距离，与其他故障测距原理有本质的区别，具有测量点少，无 需专用通道等优点。 西南交通大学硕士研究生论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景及其意义 1 1 1 世界高速铁路的发展和我国的发展规划 随着时代的发展和我国国民经济的持续增长，铁路作为我国交通运输的 核心，客货运量严重饱和，运能与运量矛盾十分突出，已成为制约国民经济 发展的瓶颈，发展高速铁路是解决客运供需矛盾的重要手段之一。随着京津 客专的开始修建，高速铁路的建设在我国拉开了序幕。国家发展和改革委员 会 - 2 0 0 4 1 5 9 号文件一中长期铁路网规划批准：“为满足快速增长的旅客 运输要求，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三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。“四纵”客运专线包括： 北京一上海，北京一武汉一广州一深圳，北京一沈阳一哈尔滨( 大连) ，杭 州一宁波一福州一深圳客运专线。“四横 客运专线包括：徐州一郑州一兰 州，杭州一南昌一长沙，青岛一石家庄一太原，南京一武汉一重庆一成都客 运专线。三个城际客运系统包括：环渤海地区、长江三角洲地区、珠江三角 洲地区城际客运系统，覆盖区域内主要城镇”。从规划可以看出：至2 0 2 0 年，中国铁路将形成以高快速客运专线为主干网络的客运系统。 高速铁路是指具有高加速和高减速性能及对列车运行进行自动控制，时 速在2 0 0 k m 以上的铁路【lj 。提高列车速度是铁路赖以生存和适应社会发展的 惟一出路【2 1 。从上世纪初至5 0 年代，德、法、日等国都开展了大量的有关高 速列车的理论研究和试验工作。铁路高速技术至6 0 年代已进入实用阶段， 8 0 年代又取得了一系列新突破，9 0 年代后进入建设与发展的新时期。截至 2 0 0 3 年底，世界上时速超过2 5 0 k m 的高速铁路运营里程已达到5 9 0 0 k m ，还 有近3 0 0 0 k m 高速铁路在建【引。目前世界上在运的高速铁路以日本新干线、法 国的t g v 地中海线路、西班牙马德里一巴塞罗那、德国纽伦堡一英格尔斯塔 特等线路比较典型，都取得了极大的社会和经济效益。 西南交通大学硕士研究生论文第2 页 1 1 2 高速铁路的牵引供电系统 高速铁路的牵引动力一般为电力牵引。列车速度快、行车密度大要求供 电容量大、供电可靠性高。高速列车要求起动快，使其能够在很短的时间和 距离内达到额定最高运行速度，为此，必须加大牵引功率，以增大其起动牵 引力。同时，当列车运行速度达到最高额定速度后，为保持其恒速运行，必 须要有足够的持续牵引力来克服列车高速运行阻力。随着列车牵引速度的提 高，列车单位重量所需的牵引力成倍提高，机车额定功率也随着成倍增大， 因此，牵引供电系统的额定容量必须相应地增加。 目前的电气化铁道供电系统一般有：直接供电方式、带回流线的直接供 电方式、b t ( b o o s t e rt r a n s f o r m e r ) 供电方式、a t ( a u t o t r a n s f o r m e r ) 供电方 式和同轴电缆( c o a x i a lc a b l e ) 供电方式等几种。 直接供电方式最简单、投资少、运营和维护方便，但是其供电能力有限， 且对临近通讯线路的干扰最严重。为保留直接供电方式的优点克服其不足， 人们在其结构上增设与轨道并联的架空回流线，发展出带回流线的直接供电 方式。带回流线的直接供电方式一定程度上改善了对临近通讯线路的屏蔽效 果，使得牵引网阻抗和轨道电位都有所降低，但是其供电能力并没有本质的 提高。 b t 供电方式是为了减少直接供电方式对周围通讯线路的干扰而提出来 的一种供电方式，通过在接触网中串联吸流变压器( b t ) ，将在钢轨中回流 的电流吸上到回流线中流通来减少对通讯的干扰。b t 供电方式需要在接触 网中增设开口以串联吸流变压器，从而将使得牵引网阻抗增加、牵引网电压 损失和电能损失增大；同时，由于开口使得接触网产生电分段绝缘间隙，不 利于线路的高速运行。此种供电方式主要在日本和我国早期的牵引网中有应 用，目前新修的线路很少应用。 a t 供电方式是在牵引网中增设正馈线和并联白耦变压器，将牵引供电 电压提高一倍，从而使得牵引网的载流能力大大增加，同时减少对通信线路 干扰的一种供电方式。a t 供电方式不仅是电气化铁路减轻对通信线路的干 扰影响的有效措施之一，而且对牵引供电系统有较好的技术经济指标措施， 已被许多发展电气化铁路的国家研究和采用。在日本，a t 供电方式成为国 家标准牵引供电方式【4 j ，我国北京一秦皇岛、大同一秦皇岛、郑州一武昌等 电气化铁路，也采用了a t 供电方式。 将复线a t 供电方式的上下行牵引网在变电所出线处共用一台断路器， 西南交通大学硕士研究生论文第3 页 且分别将上下行牵引网的接触线、钢轨和正馈线在所有a t 所都通过横联线 对应并联起来，即为全并联a t 供电方式。全并联a t 供电方式的优点更加 突出，线路的载流能力有了很大提高，并且由于上下行电的并联，使得对周 围线路的干扰更小。但是由于上下行的并联，使得线路的拓扑结构极其复杂。 目前，全并联a t 供电方式在法国已经投入使用【孓7 1 ，我国即将开工建设的津 京城际高速铁路和京沪高速铁路也将采用这种供电方式【8 】。 由于a t 供电方式供电距离长、供电电压高、接触网单位长度阻抗小、 接触网电压损失和能耗小、对通信线路干扰小，带回流线的直接供电方式结 构简单、投资小等特点，因此，这两种供电方式将是我国高速铁路主要选择 的供电方式。 1 1 2 1 带回流线的直接供电方式 直接供电方式的特点是：供电回路的构成最简单，工程投资少，运营成 本少，维修工作量少；但是对邻近通信线路的干扰影响严重，钢轨电位比其 他供电方式要高。为了保留直接供电方式的优点，克服其不足，在其结构上 增设与轨道并联的架空回流线，就构成为带回流线的直接供电方式，简称为 d n 供电方式，如图1 1 所示。 g 图l - 1 带同流线的直接供电方式示意图 ， 图中，表示接触线；h 表示回流线；g 表示轨道；，为接触网中的电流； l 为回流线中的电流：l 为轨道中的电流。 带回流线的直接供电方式与直接供电方式相比，有以下改善： 原来流经轨道、大地的回流，一部分改由架空回流线流回牵引变电 所，其方向与接触线中的电流方向相反，架空回流线与接触线距离较近，因 此相当于对邻近通信线路增加了屏蔽作用。 西南交通大学硕士研究生论文第4 页 牵引网阻抗和轨道电位都有所降低。 对通信线路的防护效果大大提高。 所以，带回流线的直接供电方式是一种性能稳定、结构简单、经济有效 的防护通信干扰的供电方式，将具有广泛的应用前途。 1 1 2 2a t 供电方式 自耦变压器供电方式，简称a t 供电方式，不但是电气化铁道减轻对邻 近通信线路干扰的有效措施之一，而且具有很好的技术指标，已被许多发展 电气化铁路的国家研究和采用，也是高速铁路使用的主要供电方式之 a t 牵引网由接触线、轨道和回流线构成，大多a t 供电系统还具有保护 线和辅助联接。对于复线a t 供电系统，一般还具有横联线。 在高速铁路下，列车运行速度高、行车密度大，要求列车牵引功率大、 供电分区尽量少、可靠性高。全并联a t 供电方式由于供电功率大、供电区 段长、适应高速、可靠性更高的特点，而受到人们青睐1 9 _ 。全并联a t 供 电方式，即同一方向的上下行牵引网由一台断路器供电，且上下行牵引网在 每个a t 站都进行一次横向电联接，从而减小牵引网单位长度阻抗，减少电 压损失和增强供电能力，改善供电质量。 全并联a t 供电方式是在复线a t 供电方式的基础上，将上下行牵引网 的接触线( t ) 、钢轨( r ) 和正馈线( f ) 在变电所出线处及a t 所处通过横 联线并联起来。在全并联a t 供电方式下，上下行牵引网虽然都有各自的断 路器，但在正常情况下均为一主一备的运行方式，即上下行牵引网共用一台 断路器。全并联a t 供电方式的具体形式如图1 2 所示。 图1 2 全并联a t 供电方式示意图 相对于传统的1x 2 7 5 k v 直接供电方式，2 x 2 7 5 k v 制式的全并联a t 供 西南交通大学硕士研究生论文第5 页 电方式有以下优点【9 j ：1 ) 对相同的牵引负荷，使牵引网的电压损失减小3 倍，从而提高牵引网的效率；2 ) 对相同的牵引负荷和相同的受电弓上的电 压降情况下，可以将牵引变电所的数量减少一半，并因此减少分区和分相点； 3 ) 对相同的牵引变电所数量，使运能增大一倍；4 ) 考虑到现有高压线路， 可以更好布置牵引变电所的所址；5 ) 减小对临近住宅和铁道场所的电磁和 通信干扰；6 ) 不用将a t 变压器侧的接触导线断开，而b t 供电方式中每一 个吸流变压器的分段对接触线和受电弓都是一系列的电气和机械缺点，特别 是在高速的情况下。与不并联的a t 供电方式相比，在相同的负载条件下， 可以减少牵引网电力损失大约1 0 1 1 2 l 。同时，由于在每一a t 站都进行了并 联，负荷电流在上下行牵引网进行了均分，使得线路运行更加均衡，大大提 高了供电的可靠性和带负载能力及减少对周围通讯的干扰。 在全并联a t 供电方式下，由于在每一个a t 站进行电气的横联后，整 个牵引网的电路拓扑结构变得极其复杂。当牵引网线路发生短路或者断路故 障时，上下行线路同时跳闸，造成全线停电，故障区段及故障地点的准确判 别也变得非常困难，不利于故障的排除和供电的及时恢复。本论文的目的就 是分析全并联a t 供电方式的结构特点，提出全并联a t 供电牵引网保护和 故障测距原理。 1 1 3 全并联a t 供电保护与故障测距研究的目的和意义 电力机车能量的取得，是在露天条件下、通过受电弓和接触网之间的滑 动接触来实现的，这样，就先天决定了接触网工作条件的恶劣性和故障易发 性。电气化铁路牵引网均是露天架设在铁轨的正上方，暴露于不同的环境下， 有时候甚至需要穿越严重污染的地区，且没有备用；同时，受电弓和接触网 之间的滑动接触，不断引起接触网的振动，引发接触网部件的松动或断线脱 落，从而引发牵引网故障。根据统计，牵引网故障6 0 9 0 为瞬时性故障外【1 3 1 ， 其余均为永久性故障。除瞬时性故障可以通过重合闸消除而恢复系统正常供 电外，永久性故障只能通过系统停运的人工排查方式来进行消除，既费时又 费力。因此在牵引网发生故障后，能够通过保护及时动作，切除故障，并能 快速准确地查找出故障位置，将可以大量地节省寻找故障点的人力物力，减 轻铁路供电维护部门的劳动强度，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，尽早地排除故障，恢复供电， 减少由于停电造成的损失。电气化铁路牵引网的保护与故障准确定位不仅有 西南交通大学硕士研究生论文第6 页 利于及时切除故障，修复故障馈线，保证牵引供电处于良好的运行工况下， 而且对于铁路系统的安全、可靠和高效运输都是十分重要的。 全并联a t 供电方式下的牵引网结构变得更加复杂，故障更容易发生。 由于将上下行供电牵引网在所有a t 站处都进行了并联，牵引网内的电流分 布及牵引网的测量阻抗将发生相应的变化，原有的保护原理和故障测距原理 是否合适以及寻找适合全并联a t 供电方式的新的保护和故障测距原理，成 为全并联a t 供电牵引网保护和故障点分析标定的新的课题。验证传统铁路 供电方式下的保护和故障测距原理在新的全并联a t 供电方式下的适用性； 同时针对全并联a t 供电方式，提出合适的新型保护和故障测距原理，成为 本论文的研究重点。 1 2 国内外研究现况 1 2 1 电气化铁道牵引网保护现状 自电气化铁道出现以来，牵引供电系统保护原理的研究一直受到各领域 的广泛关注。牵引供电系统的供电方式不同，保护方式也就各有不同。电气 化铁路，尤其是对高速铁路牵引供电系统保护的研究，以日本、德国、法国 和英国为代表1 1 4 1 。下面对牵引供电系统线路保护原理做一简单的介绍。 可切换型距离保护原理 可切换型距离保护原理，是一种可根据测量电流中高次谐波的含量大小 自动切换距离元件的动作特性的保护原理。其理论基础是故障电流中基本不 含高次谐波，而负荷电流中含有相当成分的高次谐波。当高次谐波含量较小 时，距离元件的动作范围较大，当高次谐波含量较大时，距离元件的动作范 围较小。 切换判据如式( 1 1 ) 所示。 墨k z ，) = 5 1 5 ( 1 1 ) 式中，疋为等效三次谐波含量，其表达式为 = 半 ( 1 2 ) 式中，、厶厂、厶，、厶- r 分别为馈线电流中的基波、二次、三次和五次谐 波电流；k 为二次谐波增益系数，一般取0 1 之间的值。 西南交通大学硕士研究生论文第7 页 对于交一直型电力机车，负1 苛电流中含有丰富的奇次谐波电流，因电力 机车上通常装有三次谐波滤波支路，三次谐波含量将大为降低，增加五次谐 波电流能提高检测灵敏度。为了防止机车变压器空载投入或a t 牵引网空载 投入产生的励磁涌流而造成馈线保护误动作，在切换系数中增加了二次谐波 电流。 保护按照满足式( 1 1 ) 的情况改变动作边界。当满足式( 1 1 ) 时，可 切换型距离保护元件按较小的边界动作，当不满足式( 1 2 ) 时，阻抗元件按 较大的边界动作。 高次谐波抑制式i 型故障选择原理 高次谐波抑制式i 型故障选择原理，理论基础是负荷电流在一定时间内 的变化量比负荷电流的最大值要小得多，而故障电流在一定时问内的变化量 比负荷电流的变化量要大得多；牵引负荷富含奇次谐波、励磁涌流中富含二 次谐波，而故障电流基本不含高次谐波。高次谐波抑制式i 型故障选择判据 如式( 1 3 ) 所示。 im 一髟她屹 1 量疋，n ( 1 。3 ) 【l 式中，“为基波电流增量；厶为三次谐波电流增量：z n 为电流增量整定 值；k 。为三次谐波抑制系数，取k 。= 3 3 3 ；、1 2 分别为基波、二次谐波 电流；e ，n 为二次谐波闭锁系数。 接触导线温度保护原理 由于高速铁路负荷电流大，实时监视接触导线的温度对于防止接触导线 熔断事故是很重要的，因此，国外都设有接触导线温度保护【1 5 川】。虽然各国 用于接触导线温度检测的数学模型略有不同，但都是通过测量馈线电流来计 算接触导线温度的。典型的计算模型为 耻卟( 爿喝卜号 m 4 ， 式中，乃为当施加电流l 时的稳态温度；l 为馈线额定电流；杨为与接触 网悬挂有关的系数，例如链形悬挂k w = 2 ；f 为接触网的时间常数；，为在 时间t 。和，：间隔内的馈线电流；兀陌为测量的外界温度，有置于室外g p s 内 的温度计测量；z 为时刻考虑外界温度后的导线温度；正为t ：时刻考虑外 西南交通大学硕士研究生论文第8 页 界温度后的导线温度；乃。= 石一无孢为f 。时刻的导线温度；乃：= 正一l 犯为t ： 时刻的导线温度。 自适应三段距离保护原理 自适应三段距离保护，理论基础是相控整流电力机车负荷电流中含有丰 富的奇次谐波分量，而电力机车通过电分相或空载投入a t 牵引网产生的励 磁涌流中含有丰富的二次谐波分量；为了改善电气化铁道的功率因数，电力 机车上设有三次、五次谐波滤波支路，使得某次谐波的含量降低；电力机车 上的滤波支路在实际运行中，投入与否不确定，单一考察某次谐波含量的大 小十分困难且无意义。具体动作特性、动作方程将在第四章中详细介绍。 1 2 2 电气化铁道牵引网故障测距现状 牵引供电系统作为一种故障多发性的特殊电力系统，其故障测距一直受 到人们的重视。作为一种特殊的单相供电系统，其故障测距相对于三相电力 供电系统，又有其特殊性。交一直型电力机车负荷的非线性决定了牵引负荷 电流中含有丰富的谐波成分i l 引，当电力机车通过电分相时，将产生励磁涌 流。电力机车在运行过程中，频繁在起动、牵引调速、再生制动等工况之间 转换，各种工况下，牵引变电所感知的电气参数有很大的差异。当采用不同 的供电方式时，牵引网故障阻抗有时表现为非线性。 电气化铁道故障测距的发展，是随着牵引供电方式和微机技术等方面的 进步而不断发展的。在早期的直接供电方式下，一般采用阻抗分析法或其改 进方法来进行故障测距；后来随着电气化铁道各种供电方式的出现，针对特 定的牵引供电方式，出现利用各点电流比值的方法来进行故障测距 1 9 - 2 2 ；随 着现代行波理论、微电子技术以及微机技术的迅速发展，微波故障测距法在 铁道供电故障测距中开始初步应用i z 卜d j 。 阻抗分析法是利用在已确定系统的运行方式和线路参数的情况下，根据 故障时测距装置安装处测量到的电压、电流量来进行故障回路阻抗的计算， 然后根据线路阻抗与线路长度成正比的原理进行故障测距的方法。但是在此 种故障测距原理下，由于过渡电阻的存在，使得故障测距发生很大的偏差， 人们为此提出了各种改进方法。不考虑电弧电阻的非线性特点，将测量阻抗 只取其虚部，利用电抗来消除过渡电阻带来的影响，即电抗法故障测距。同 样，利用输电线路发生故障时，装置处的电压和电流是故障点距离的函数， 来对故障进行分析计算，实时求出测量点到故障点的距离，即故障分析法i z o | 。 西南交通大学硕士研究生论文第9 页 电气化铁道直接供电方式和b t 供电方式，由于牵引网的阻抗一距离属性的 线性和非时变特性，人们一般在此两种供电方式下都应用阻抗分析法或其改 进方法来进行牵引供电故障测距。 利用牵引网各点电流比值来进行故障浈, f j g e 的方法，是随着a t 供电方式 的发展而提出的，主要是为了解决由于a t 供电方式下故障阻抗的非线性而 导致的阻抗故障测距法误差过大的问题。在6 0 年代，日本学者藤江宏史、 渡边宽等人提出“a t 中性点吸上电流比”的故障测距原理，并且在日本的 各a t 线路、在我国的京秦、大秦线都有采用“a t 中性点吸上电流比”原理 的故障测距装置运行。这一原理解决了在a t 供电方式下无法进行故障测距 的问题，但是仍然存在一些不容忽视的问题，主要表现在装置的经济性和测 距的精确性上。针对我国电气化铁道a t 供电牵引方式的特点，我国学者缪 耀珊和高仕斌、王伟等分别提出了“吸上电流比”、“转移阻抗法”、“吸馈电 流比”及“横连线电流比”等故障测距原理，并取得了一定的成就。 行波法是根据行波传输理论实现对输电线故障测距的方法。由于行波在 线路中有比较稳定的传播速度，且测量到的时间差不受线路类型、故障电阻 及系统运行参数等影响，因而，行波法故障测距有较好的精度和稳定性。行 波测距法在电力系统高压输电线路应用中已经很成熟，针对电气化铁道牵引 供电线路，人们也做了很多的探讨，提出了各种供电方式下的具体应用。但 由于牵引供电系统线路结构、运行方式的复杂性，行波法在电气化铁道牵引 供电系统中的应用目前还处于初步阶段，尚需深入研究。 基于以上的不同故障测距原理和我国的电气化铁道牵引供电状况，国内 很多单位都进行了深入的研究，为牵引网故障测距定位装置的研发做了许多 开拓性的创新。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相继研制出了自己的牵引网故障定位装置，如 交大许继电气集团研发的t d w g 1 故障测距装置1 2 等，并相继投入了现场 运行。 全并联a t 供电方式的提出，使得整个供电系统的网络拓扑结构更加复 杂，通过研究“吸上电流比”、“横连线电流比 及“转移阻抗法”等故障测 距原理从原理上适合全并联a t 供电系统，但都存在测量点多，需要远程数 据等缺点，研究一种只需要变电所数据就可地位故障地点的方法，具有很重 要的现实意义。 西南交通大学硕士研究生论文第10 页 1 3 本文的主要工作 高速铁路已在轰轰烈烈的建设，现在正是我国铁路高速发展的时期，作 为高速机车动力源的电力牵引供电系统是高速铁路一个非常重要的部分，牵 引供电系统保护与测距系统是高速铁路安全、可靠运营的保障，因此研究牵 引供电系统的保护与测距原理十分必要，具有重要的理论意义和实际价值。 由于全并联a t 供电系统具有较好的电气特性，因此是高速铁路供电系统的 主要选择之一。本论文把全并联a t 供电系统作为研究对象，根据其电气特 性，研究这种复杂供电系统的线路保护方案和故障测距方案。 本论文主要的工作如下： 在不带保护线的a t 供电系统等值电路基础上，推导出带保护线的 a t 供电系统等值电路，用于计算线路阻抗。 通过m a t l a b 建立实际线路模型，仿真验证等值电路用于计算线路阻 抗的准确性。 根据全并联a t 供电系统的特点，当故障发生时，必然要求上下行线 路断路器的同时跳闸，这样造成故障影响范围的增大，不适合高速铁路的需 要。为了克服这种保护缺陷，本文提出一种新型保护方案，可以有效的减少 停电范围，只使故障线路停电，而非故障线路可靠供电。另外，本论文还给 出了具体的保护配置。 在前面提出的保护方案的基础上，提出了一种较为简单的故障测距 原理，该原理具有计算简单、测量数据少、只需测量变电所数据等优点。 西南交通大学硕士研究生论文第11 页 第2 章带保护线的a t 供电系统等值电路推导 在电气化牵引供电系统中，a t 供电方式具有供电距离长、供电能力强、 牵引网电压损耗小、对通信干扰小等优点，是我国高速铁路主要选择的供电 方式之一，但因其结构比较复杂，属于多网孔电路，计算线路阻抗和短路电 流，很多情况下只能通过实际测量得到，或者通过等值电路简化计算得到。 当a t 供电系统带上保护线以后，电路形式发生了改变，使电路更加复杂， 网孔更加多，因此相关电气量的计算更加复杂。虽然在正常运行的情况下， 当接触线和回流线的截面相等及导线相对位置对称，且保护线至接触线和回 流线的距离大致相等时，保护线中电流很小，对a t 网络电流分布情况基本 没有影响，但是当导线材料和相对距离不同或者发生故障时，保护线中就存 在较大的电流，也就不能忽略其对a t 网络的影响。因此在计算继电保护所 需要的阻抗和短路电流时，也就不能利用不带保护线的a t 供电方式的等值 电路，如果可以推导出带保护线的a t 供电方式的等值电路，计算线路阻抗 和短路电流，将具有重要的意义。本章在不带保护线的a t 供电系统的基础 上，介绍一种方法推导带保护线的a t 供电方式等值电路，可以很方便的计 算电路的阻抗和短路电流，用于继电保护的整定计算。 2 1 等值电路推导 2 1 1 不带保护线的a t 供电方式等值电路 图2 1 和图2 2 为a t 供电系统的简单示意图和等值电路图。 图2 1a t 供电系统的示意图 t r f 西南交通大学硕士研究生论文第12 页 图2 - 2a t 供电系统的等值电路 t r f 图中，t 表示接触线；r 表示轨道；f 表示回流线；盼为牵引变电所电 压，5 5 k v 。 由图2 1 所示的a t 供电系统可以简化为图2 2 所示的等值电路。 在省略自耦变压器的自阻抗和钢轨对地的漏抗后，t - r 形式的等值电路 参数如下【2 8 】： z l = 吉( z + z f r 一z 即) z 2 = 乙+ 圭( 乙一3 一+ ) ( 2 - 1 ) 弓= 丢( 乙一乙) + 三( 一乙w ) 式中，z l 、z 2 、z 3 分别为接触线、钢轨、回流线的单位等值阻抗，f 2 k m ； 乙、乙、z f 分别为接触线、钢轨、回流线的单位自阻抗，q 砌；z 豫、z 陌、 z 肛分别为接触线与钢轨、接触线与回流线、钢轨与回流线的单位互阻抗， f 2 i o n 。自阻抗和互阻抗可以通过c a r s o n 公式【2 9 。3 0 1 求的。 2 1 2 带保护线的a t 供电方式等值电路 为了避免将接触线支柱的接地部分直接与钢轨相连，以提高信号轨道电 路的工作可靠性，并且当发生故障时，为短路电流提供一条良好的金属通路， a t 供电系统一般都装上一条保护线。保护线与轨道相连，有的还在a t 段的 中部设置一条辅助联接线，以降低轨道电位。 由于保护线的存在，使a t 供电系统变的更加复杂，由三线系统变成四 线系统，因此等值电路也由三线形式，变成为四线形式，上面给出的不带保 西南交通大学硕士研究生论文第13 页 护线的等值电路，不能适合带保护线的a t 供电系统。下面介绍一种带保护 线的a t 供电系统的等值电路推导方法。 2 1 2 1 保护线和钢轨等值线路的自阻抗 由于保护线- q 轨道相连，它们具有相l 司的电压，因此在计算等值电路之 前，先将保护线和轨道等值成一条线来考虑，从而使四线系统先简化成为三 线系统，减少电路参数，减少后续计算的工作量。 f hc a r s o n 公式知，任何导线一地回路的单位自阻抗为 孙巾抽川柞6 l g 安一，弘4 亿2 ， _ ，+ 0 0 5 + m 1 4 5 1 9 等 两平行导线一地回路间的单位互阻抗为 乙：- ，洲：j 2 刀f ( 4 6 1 9 等一冬) x 1 0 。 - 0 0 5 + j o “5 l g 冬 式( 2 2 ) 、( 2 - 3 ) 中，d g 为等效地回线入地的贼q = 第一胁计 算时要将单位转化为m m ；o 为大地电导率，；，为导线的有效电阻 l z c m q 枷；f 为电流频率，胞；此处为5 0 h z ；足为导线的等效半径，2 聊；d 为两平行导线的中心距离，m m ，由几何均距法求得。 钢轨一地回路和保护线一地回路用图2 3 所示的三种等效电路表示。 z r z r p z p z 吁 f b ) c ) 图2 3 钢轨和保护线等值电路 西南交通大学硕士研究生论文第14 页 由图2 3 ( c ) 知，钢轨和保护线等值电路一地回路的自阻抗为 乙月= 丁- 1 一 j l - z r z r pz p zr p+ = 掰 协4 ， 式中，z r 为钢轨自阻抗，f 2 k m ；z p 为保护线自阻抗，q 砌；乙为钢轨 与保护线间的互阻抗，q 砌，都可以通过式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 计算得到。 2 1 2 2 等值线与接触线的互阻抗 由式( 2 - 3 ) 等值线与接触线的互阻抗为 n z a r r = o 0 5 + j 0 1 4 5 1 9 ( 2 5 ) 式中，为等值线与接触线间的距离，m m 。直接用几何均距法求得，即 d a r r = 掘丽 ( 2 6 ) 式中，。、：、咖分别为接触线与两钢轨和保护线的距离，m m 。 等值之前接触线与钢轨的互阻抗及接触线与保护线的互阻抗如式( 2 7 ) 、 ( 2 8 ) 所示 z r r = 0 0 5 + 一，0 1 4 5 1 9 志 协7 ， ：o 0 5 + j o 1 4 5 1 9 7 2 - ( 2 8 ) 根据式( 2 5 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 得，等值线与接触线的互阻抗为 乙豫一2 3z 豫+ j 1z 冲 ( 2 9 ) 2 1 2 3 等值线与回流线的互阻抗 由式( 2 3 ) 等值线与回流线的互阻抗为 n z 掰= 0 0 5 + j 0 1 4 5 1 9 ( 2 - 1 0 ) ( d d r f 式中，为等值线与接触线问的距离，m m 。直接用几何均距法求得，即 d 掰= d 舻l d 肛2 d 阡 ( 2 1 1 ) 西南交通大学硕士研究生论文第15 页 式中，d 肚，、：、d 即分别为凹流线与两钢轨和保护线的距离，m m 。 等值之前接触线与钢轨的互阻抗及接触线与保护线的互阻抗如式 ( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 所示 n = 0 0 5 + j 0 1 4 5 1 9 7 每 ( 2 1 2 ) 、，d r f l d r f 2 d = o 0 5 + j o 1 4 5 1 9 ( 2 - 1 3 ) q f p 根据式( 2 1 0 ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 得，回流线与接触线的互阻抗为 一，1 z 钟= 专z r f + ( 2 一1 4 ) jj 经过前面的计算，钢轨和保护线等值成一条线，使带保护线的四线a t 供电系统等值成不带保护线的三线a t 供电系统，只是线路的参数发生如式 ( 2 4 ) 、( 2 - 9 ) 、( 2 1 4 ) 的变化。 2 1 2 4 保护线与钢轨等值后的a t 供电方式等值电路 根据不带保护线的a t 供电系统等值电路模型，很容易写出保护线和钢 轨等值后的a t 供电方式的等值电路，消除线路间的互阻抗参数，忽略钢轨 对地的漏抗，三条线的等值自阻抗为 z l = 圭( 乙+ 一一) z d 2 乙+ 吾( z r 一3 一+ ) ( 2 _ 1 5 ) z 3 = 丢( z f 一引+ 圭( 一) 2 1 2 5 带保护线的a t 供电方式等值电路 通过上面的推导计算，得到将保护线和钢轨等值成一条线的a t 供电方 式的等值电路参数，如式( 2 1 5 ) ，需要进一步算出钢轨和保护线等值之前的 各线路的等值自阻抗，即四线等值电路的模型参数。 由式( 2 1 5 ) 知，等值电路中的接触线的等值自阻抗和回流线的等值自 阻抗已经算出，下面的主要工作是计算出钢轨等值自阻抗和保护线等值自阻 抗。 西南交通大学硕士研究生论文第16 页 根据前面的计算，得到一个钢轨等值自阻抗和保护线等值自阻抗关系 和12 貉 沼t 6 ， z 2z 4 等值电路主要用来计算电路的阻抗，所有通过等值电路计算所得的阻抗 必然要求与实际线路的计算阻抗相等。 图2 - 4 带保护线的a t 供电方式等值电路 z = z - x + 一 亿 z ：a , is( 2 18 ) 西南交通大学硕士研究生论文第1 7 页 图2 5 带保护线的a t 供电方式电路图 u = 1 2 7 x i r l z 蠢x i f z r f x i e z r e x u 2 = - i t 2 2 7 ( d x ) + i r 2 z r r ( d - x ) 一i f z r f ( d x ) 一i i , z 即( d x ) u 3 = - i r 2 z k ( d x ) + 厶2 z 月( d x ) 一i f z m ：( d x ) 一i e z 胛( d x ) u 4 = j t t z t r x i m z r x i f z r f x l p z r p x = l z 佧_ x i r 2 z 陌( d x ) 一j 用z 胪x + i r 2 z r f ( d x ) 一i f z f d i ? z f p d 乩= l r l z r e x 一2 z 冲( d x ) 一厶l z e , e x + i r 2 z 即( d x ) 一i f z f p d 一z p d i t t + i t 2 = i i 吼+ i r 2 = i l n 2 in + l f + ip i r 2 2i t 2 七if ip u + 以一( u + u 4 ) = + u 一 u + u 4 = 氓 i u s = u t u 4 ( 2 - 1 9 ) 图2 5 中和式( 2 1 9 ) 中队为变电所电压，5