（电力系统及其自动化专业论文）at供电方式及变电所接线方式优选.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s tr a c t r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ni s t h em a i nt r a n s p o r t a t i o nw a yi nc h i n a a b u n d a n c e so fn e w r a i l w a y sa r ei nc o n s t r u c t i n ga tc u r r e n t ，t h et o t a lr a i l w a yw i l l c o m et o10 0t h o u s a n d si n 2 010 f o rt h es a k eo fs a t i s f y i n gt h en e wr e q u i r e m e n tb r o u g h tf o r w a r db yt h ed e v e l o p m e n to f c h i n e s ee c o n o m ya n dp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，h i g hs p e e dt r a i na n dh e a v y - h a u lt r a i nh a v e b e c o m et h ee l e c t r i cr a i l w a yn e c e s s i t yt e n d t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi so n eo ft h em a i nf a c t o r si nr e a l i z i n gh i g hs p e e da n d h e a v y - h a u lr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ，t h es t y l eo fp o w e rs u p p l yf o rt r a c t i o nn e t w o r ka n dt h e t r a n s f o r m e rw i r i n gt y p ed e c i d et h ep o w e rs u p p l y sq u a l i t ya n de f f e c to ft h et r a c t i o np o w e r s u p p l ys y s t e m b e c a u s eo ft h es e v e r a li n h e r e n tt e c h n i ca d v a n t a g e so fa t ( a u t o t r a n s f o r m e r ) p o w e rs u p p l y , i th a sb e c o m e t h ef i r s tc h o o s ef o rh i 曲s p e e dt r a i na n dh e a v y h a u lt r a i n b yt a k i n g5 5 k va tp o w e rs u p p l yw h i c hi sc h a r a c t e r i z e db ys e t t i n gu pa u t o - t r a n s f o r m e r a tt h ee x p o r to fs u b s t a t i o nf o re x a m p l e ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ee l e c t r i c a lp e r f o r m a n c eo f s i n g l e t r a c ka tp o w e rs u p p l yn e t w o r k ，t e r m i n a l - p a r a l l e l d o u b l el i n ea tp o w e rs u p p l y n e t w o r ka n da l l - p a r a l l e ld o u b l el i n ea tp o w e rs u p p l yn e t w o r k a l s o ，t h et h e s i sp r o v e st h a t a l l p a r a l l e la tp o w e rs u p p l yn e t w o r kh a sm o r es u p e r i o r i t i e s t h e n ，j a p a n - m o d e la tp o w e r s u p p l y , f r a n c e m o d e la tp o w e rs u p p l y , n e wm o d e la tp o w e rs u p p l yb e s i d e ss e v e r a lt y p i c a l t r a c t i o nt r a n s f o r m e rw i r i n gt y p e ss u i t e df o ra tp o w e rs u p p l ys y s t e ma r es t u d y e d a c o n c l u t i o nt h a tt h en e wm o d ea tp o w e rs u p p l ya n dy n v dc o n n e c t i o nt r a c t i o nt r a n s f o r m e r h a v et h eb e s te l e c t r i c a lp e r f o r m a n c ei sg o t t e n n es i m u l a t i o nm o d e l sb u i l d e db a s e do nt h em a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r ep l a t f o r ma s f o l l o w s ：s e v e r a lt y p i c a lt r a c t i o nt r a n s f o r m e rs i m u l a t i o nm o d e l sw h i c hs u i tf o ra tp o w e r s u p p l y , a l l - p a r a l l e ld o u b l el i n ea tp o w e rs u p p l yn e t w o r ks i m u l a t i o nm o d e l ，a n dj a p a n - m o d e l a tp o w e rs u p p l ys y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l ，f r a n c e - m o d e la tp o w e rs u p p l ys y s t e m s i m u l a t i o nm o d e l ，n e wm o d e la tp o w e rs u p p l ys y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l s b a s i n go nt h e s i m u l a t i o nm o d e l sb u i l i d e da b o v e ，o nt h es a m ec o n d i t i o nas i m u l a t i o ni sc a r r i e do u ti n n o r m a la n df a u l ts t a t es e p a r a t e l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t so b t a i n e dd e m o n s t r a t e st h a tt h en e w m o d e la tp o w e rs u p p l yh a ss u p e r i o re l e c t r i c a lp e r f o r m a n c e s u m m i n gu pa l l t r a n s f o r m e rw i r i n gt y p e sa n da tp o w e rs u p p l y st e c h n i c a la n d e c o n o m i cp e r f o r m a n c e ，w ek n o wt h a tt h ea l l p a r a l l e ld o u b l el i n ea tp o w e rs u p p l ys y s t e m ， c o n s i s t e db yy n v dw i r i n gt r a c t i o nt r a n s f o r m e ra n dn e wm o d e la tp o w e rs u p p l y , h a sg o o d p e r f o r m a n c e k e yw 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 ；a tp o w e rs u p p l y ；t r a n s f o r m e rw i r i n gt y p e ； e l e c t r i c a lp e r f o r m a n c e ；s i m u l a t i o nm o d e l 西南交通大学 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 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 指导老师签名：锄 日期：7 0 7 。年月；b 日 弧玺 旧套j i 2，jj 轹， 阴 戳 上 者 年 作 文 汐 敝 埘 位 期 西南交通大学硕士学位论文主要工作声明 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，均己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。 本学位论文的主要工作如下： 1 对单线a t 供电网、末端并联复线a t 供电网及全并联复线a t 供电网的电气性 能进行了对比分析； 2 对日本模式a t 供电方式、法国模式a t 供电方式、新型模式a t 供电方式及2 7 5 k v 供电的a t 供电方式的主要电气性能进行了分析； 3 对几种适合于a t 供电方式的几种典型接线形式的牵引变压器原、副边电流分布 关系及不对称系数进行了分析计算； 4 搭建了日本模式a t 供电系统、法国模式a t 供电系统及新型模式a t 供电系统 的仿真模型，并在上述仿真模型上进行了正常和故障状态下的仿真分析。 学僦文作者躲强酬 日期：矽p 年f 月谚日 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 课题的研究背景及意义 1 1 1 我国铁路现状和发展规划 铁路是我国目前最主要的交通运输方式，铁路面临的主要问题是运输能力远远不 能满足国民经济和社会发展的需求，路网整体运输能力严重不足，季节性运输能力十 分紧张，而且还在不断加剧。过去我国铁路供电方式大多采用直接供电( d i r e c tf e e d ) 方式和吸流变压器( b o o s t e r - t r a n s f o r m e r ) 供电方式即b t 供电方式，由于直接供电方 式和b t 供电方式自身的技术缺陷，不利于解决我国铁路所面临的主要问题，于是研究 和采用适合于现代铁路发展方向的最佳供电方式显得尤为重要。 党的十六届五中全会确定了我国“十一五 时期经济社会发展的主要目标，强调 要加快发展铁路。国务院于2 0 0 6 年发布的国家中长期科学和技术发展规划纲要中 明确指出，高速轨道交通系统是重点领域交通运输业的优先主题之一。按照国务院批 准的中长期铁路网规划，到2 0 2 0 年全国电气化铁路将达到5 0 0 0 0 k m ，即未来1 5 年 新建近3 0 0 0 0 k m ，其中包括1 2 0 0 0 k m 电气化客运专线，超过国外高速铁路里程总和【l 】。 “十一五”时期是实现全面小康社会的关键时期，对客货运输量和运输质量的要求日 益提高。根据有关部门预测，2 0 1 0 年中国铁路旅客发送量将达到1 6 4 亿人次，货物发 送量达3 5 亿吨，为满足客货运量的巨大需求高速、重载铁路成为了目前铁路发展的必 然趋势。 高速、重载铁路从牵引网取流大小和牵引网电压稳定等方面对铁路供电系统提出了 更高的要求，自耦变压器( a u t o t r a n s f o r m e r ) 供电方式即a t 供电方式具有其它供电 方式所不具备的技术性优势【23 1 ，能够满足高速、重载铁路对牵引供电系统提出的新要 求，是今后铁路牵引供电发展的新方向。 1 1 2a t 供电方式的发展历史 a t 供电方式起源较早，是1 9 1 1 年美国一名叫w 安瑟的工程师首先提出来的，1 9 1 3 年在纽黑文铁路上安装调试，采用的牵引网电压为2 5 赫兹2 x 1 1 千伏。由于其电气计 算比较复杂，因而当时没有进一步发展。近几十年来，由于高速交流电气化铁路的兴 起，大大促进了a t 供电方式的发展，加之计算机技术的广泛应用，也为电气化铁路提 供了必要的计算手段。目前已有很多国家大力发展a t 供电方式。 日本于1 9 6 6 年7 月起通过一系列试验，证明a t 供电方式的供电性能和防通讯干扰 效果都很好，于是，1 9 6 9 年正式在鹿儿岛本线八代到出水区段采用了a t 供电方式， 以后在山阳新干线、东北新干线、上越新干线等都采用了a t 供电方式，同时还决定将 a t 供电方式作为日本交流电气化铁路的标准供电方式加以推广。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 前苏联于1 9 7 8 年在克拉斯诺雅尔斯科铁路局的克拉夫琴科至科诺克长2 7 公里的区 段内，对a t 供电方式进行了运营试验。在1 9 7 9 年正式在雅西马至奥尔沙电气化铁路 上采用了a t 供电方式，接着又在奥尔沙明斯客一布列斯特铁路上，贝加尔阿 穆尔大干线上采用a t 供电方式。并决定以后在运输繁忙的交流电气化铁路上都采用 a t 供电方式。 法国于1 9 8 1 年在里昂到巴黎的电气化铁路上，美国在华盛顿到波斯顿的东北走廊 铁路上，韩国在汉城近郊的铁路上，阿根廷在布宜诺斯艾利斯的近郊铁路上也都采用 了a t 供电方式【4 j 。 我国1 9 8 1 年新建的第一条双线电气化铁路京秦电气化铁路上，首次采用了a t 供 电方式，并成套引进了日本的新技术和新设备【5 1 。1 9 8 5 年开工修建的我国第一条以运 煤为主开行重载单元列车( 品种单一不混装，循环运输不解体) 的大秦铁路，以及 其它一些电气化铁路上也采用了a t 供电方式。 1 1 3 供电方式简介和a t 供电方式的特点 目前世界上采用和正在研究的供电方式有直接供电方式、吸流变压器( b t ) 供电 方式、同轴电缆( c c ) 供电方式、自耦变压器( a t ) 供电方式。 1 直接供电方式 这是一种最简单的供电方式，它分两种形式，一种称为基本型，其牵引网结构最 简，仅由接触网t 和钢轨r 组成，投资最小，但钢轨电位较高，对通信线的感应干扰 最大，主要适用于通信线路( 主要是明线) 较少或很易将受扰通信线迁改迁的场合。 另一种为基本型的改进方式即在钢轨上并联架空回流线n ( n e g a t i v ef e e d e r ) ，并联 架空回流线后能使钢轨电位大为降低，对通信线的干扰得到较好抑制，还能降低牵引 网阻抗，使供电臂延长约3 0 。研究和实践表明，这是一种有前途的供电方式，法国 在现行高速铁路中也有采用该供电方式的。直接供电方式原理如图1 1 所示： 弋 r a 基本型b 带回流线直供方式 图1 1 直接供电方式示意图 2 b t 供电方式 b t 供电方式它是在牵引网中每隔1 5 - 4 k m 间隔，设置一台变比为l ：l 的吸流变 压器，用以吸回地中电流，以减少对通讯的干扰。当吸流变压器( b t ) 一次线圈接入 接触网中，二次线圈接在回流线中称为吸流变压器一回流线方式；当吸流变压器一次 线圈接入牵引网中，二次线圈接入钢轨中则称为吸流变压器一钢轨方式，其中，吸流 变压器一回流线方式的防通信干扰效果优于吸流变压器一钢轨方式，如图1 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 我国的电气化铁路主要采用吸流变压器一回流线方式。 n 门r t 7 ( )( j ) f a b t 回流线方式 b b t 钢轨方式 图1 2b t 供电方式示意图 虽然b t 方式的钢轨电位低，抑制通信干扰的效果很好，但是b t 方式增加了牵引 网结构的复杂性，提高了工程造价，同时也使牵引网阻抗变大，供电臂长度减小。b t 供电方式供电臂长度约为直接供电( 基本型) 方式的3 4 ，线路上变电所数目就相应增 加，使得投资增大。另外，因b t 串联在接触网中，每个b t 处都必须有电分段从而使 得接触网发生事故的概率和的维修工作量增大，供电可靠性降低，不利于代表目前铁 路发展方向的高速、重载等大电流列车的运行。 3 c c 供电方式【2 1 c c 供电方式即同轴电缆( c o a x i a lc a b l e ) 供电方式是一种新型的供电方式，其结 构如图1 1 所示。它的同轴电缆沿铁路线路埋设，内部芯线作为供电线与接触网连接， 外部导体作为回流线与钢轨连接，每隔大约5 1 0 k m 做一个分段，由于同轴电缆的电 阻比牵引网和钢轨都要小得多，因此牵引电流几乎全部从同轴电缆中流过。 同轴电缆供电方式的馈电线与回流线在同一电缆中，两者间隔很小，且同轴布置， 且其内部芯线和外层导体电流大小相等，方向相反二者形成的磁场相互平衡，对邻近 的通信线路几乎无影响。c c 供电方式牵引网阻抗小，钢轨电位低，接触网结构简单， 同轴电缆沿地埋设对净空要求低，适合于高速、重载等大电流列车运行，但是由于同 轴电缆造价太高，限制了它的广泛应用，我国只是进行过研究和试验还没有在现实工 程中使用。 图1 3 同轴电缆供电方式示意图 4 a t 供电方式 a t 供电方式即为自耦变压器供电方式，该供电方式是在牵引网内增设一条正馈线 f ，每隔一定距离在接触线和正馈线中并入一台绕组匝数比w l ：w ：= 1 ：1 的自耦变压器。 a t 供电方式不但减少了对邻近通讯线路的干扰影响，而且对牵引供电系统有较好的技 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 术经济性指标，已经被许多发展电气化铁路的国家所采用。a t 供电方式的原理图如图 1 4 所示： 图1 - 4 a t 供电方式原理图 a t 供电方式具有如下经济技术性特点： 1 a t 供电方式其牵引网电压为5 5 k v 或2 x 2 7 5 k v ，因此无需提高接触网的绝缘 水平就能使牵引网电压比其额定电压2 7 5 k v 提高一倍：由于正馈线的并入使得牵引网 阻抗大为减少。供电电压的提高和牵引网阻抗的减少，在相同负荷情况下牵引网的电 压损失和电能损失比直接供电方式和b t 供电方式少得多； 2 由于牵引网阻抗的减少，a t 供电方式供电距离长，约为直接供电方式 的1 7 - 2 倍，约为b t 供电方式的2 3 倍，因而使供电区段内变电所数目大为减少， 节省了设备的总投资； 3 a t 供电方式接触网与正馈线平行架设，且通过的电流大小近似相等，方向相 反，两者之间的距离也相对很小，两者的交变磁场和基本平衡，能有效的减少对邻近 通信线的感应影响：同时由于a t 供电方式所以的自耦变压器容量较大，其铁芯不易饱 和，所以在事故情况下具有较好的防护效果。 4 a t 供电方式中的自耦变压器是并联在牵引网中的，而不像b t 供电方式中吸流 变压器一次绕组串接在接触线上，这就避免了接触网中每一个吸流变压器处必须的电 分段，从而大大提高了供电的可靠性，减少了维护与检修的工作量，所以a t 供电方式 更适合于高速度和大功率电力机车的运行。 5 a t 供电方式与同轴电缆供电方式相比，a t 供电方式工程造价低，更有利于a t 供电方式在实际工作中的广泛应用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外的研究现状 国外对a t 供电的研究比国内要早，最早是由美国工程师w 安瑟于1 9 1 1 年提出来 的，并于1 9 1 3 年在纽黑文铁路上安装调试。后来日本、法国、前苏联、美国、西班牙、 安根廷、韩国等国家都对a t 供电方式做了一定的研究并采用了a t 供电方式。 前苏联在a t 供电系统牵引变压器接线形式方面，以两台y 三相变压器二次侧 两个三角形对顶接成十字交叉形式，将交叉连接到公共点接地点和钢轨，组成两臂互 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 成1 2 0 。有公共接地回路的2 2 7 5 k v 的a t 供电系统，牵引变电所不设馈线自耦变压 器，其a t 供电模式【6 】如图1 5 所示。该方式两台y 三相变压器同时工作，故须设 第三台y 三相变压器作为备用。 日本、法国在a t 供电方面的研究做得比较多，其技术也比较成熟，并形成了自己 的a t 供电模式【7 j3 1 。现在世界各国的a t 供电方式基本都可以归结为日本和法国的两 种基本模式即5 5 k v 变电所出口设馈线a t 的a t 供电系统模式和2 x 2 7 5 k v 变电所出口 不设馈线a t 的a t 供电系统模式。 a 图1 5 前苏联的a t 供电模式示意图 日本模式的a t 供电系统供电牵引变电所主变压器接线方式主要采用斯科特( s c o t t ) 接线方式或自耦伍德桥( a m ow o o d b r i d g e ) 接线方式，在变电所出口设一台馈线a t ，日 本的a t 供电模式如图1 6 所示。 法国模式a t 供电系统牵引变电所主变压器主要采用纯单相接线方式，在某些电网 较薄弱的地方牵引变电所主变压器采用v 接线方式，变电所出口不设馈线a t ，第一 个a t 段相当于直接供电方式，法国的a t 供电模式如图1 7 所示： a b c 人、， 图1 - 6 日本的a t 供电模式示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 ￥ 一1 t广 t r ；f jj ：，r f f ( 2 - 7 ) ，f ：冬，一，一j r ： j 对图2 - 2 中短回路两侧自耦变压器的上、下两个绕组回路分别有： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 u = u 1 一u 2 = x i t lz t x l mz 豫一x i fz z 弭一( 、d x ) ( 1 mz t i r 2z r r + ifz 陌 一( d x ) ( i r 2z r i t 2 z 豫一1 fz _ r f ) + x ( i mz 只+ 1 fz | r f i nz 豫) = x ( i r lz r i r lz 脶一，fz 肛+ 月1z 尺+ i fz 冗f i nz 豫) ( 2 - 8 ) 一( d x ) ( i r 2z r i r 2z 豫+ - i , z r f + i mz r i t 2z r r 一，fz j r f ) u = u i l u 2 = 一x ( i r iz r i r lz 月r + i vz 盯) + ( d x ) ( i r 2z r i t 2z 豫一i fz 肚) + t d 一玲q fz f i r 2 z r f + l r 2z 陌、) + x lfz f + l mz i l f l n z 陌、) = x ( i fz f + j 删z 肚一l r lz w l mz r + i nz r 7 1 fz 肚) ( 2 9 ) + 、d x ) ( i r 2zr i t 2z t r 一1 fz5 l f 七1 fzf i r 2z r f + i t 2z t f 、) 根据自耦变压器原理有u = a u ，由式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 得： x l n ( z ，一z 豫一z 尺7 + z 7 f ) + x ，r l ( z 月一z 豫一z 肚+ z r ) + x l r ( z 尺7 一 z 市一z f + 乙丁) 一( d x ) i m ( z 7 一z 豫+ z w z 豫) 一( d x ) i r 2 ( z r z 豫+ z r z 冗f ) 一( d z ) i f ( z r v z r f + z f z 咒f ) = 0( 2 - 1 0 ) 把式( 2 - 7 ) 及简化条件z r = z f ，z 豫= z 豫代入式( 2 - 1 0 ) 可得： j 胪竿， ( 2 - 1 1 ) d p 一7 将式( 2 11 ) 代入式( 2 7 ) 得： ，一云， l 产( 1 一耖l( 2 1 2 ) ，r ：三， j f ：三， 2 d ) 2 供电网阳抗分析 在图2 2 中设机车电压为u ，把式( 2 - 1 2 ) 各电流代入图2 2 中可列出归算到2 7 5 k v 条件下机车取流为，时牵引网的电压损失矽：三童一衫。 2 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 d = 丢( z r + z f 一2 z 盯) 1 l + z ，+ z r - 2 z 豫一丢( z r + z f 一2 z 盯) 一面x ( z 7 + 2 z 旯+ z r f 一3 z r r z 肝) m 则归算到2 7 5 k v 条件下单线a t 网络的阻抗z ：坐，在假设条件下有： i z = z l z + z 2 ( 1 一万x ) x ( 2 - 1 3 ) 其中：z 1 = ( z 7 1 + z f 一2 z w ) ，z 2 = ( z 7 + 2 z r + z 万一4 z 豫) 斗二 3 a t 供电网故障情况分析 牵引网线路故障有多种形式，但是短路故障的概率占绝大多数【3 们，在牵引网的短 路故障中，主要有接触网与正馈线之间的短路、接触网与钢轨之间的短路及正馈线与 钢轨之间的短路，现分别对各种故障情况下的短路电流进行分析。 在距离牵引变电所距离为，处发生接触网与正馈线之间的短路时，设系统归算到 5 5 k v 条件下内阻为z 。，短路电流为，其故障示意图如2 3 所示： 图2 3 单线供电网t f 短路故障图 此时线路上所有a t 都被旁路，而没有电流流过，则可得短路电压方程： ， e 陌= zs i + ( z r 一2 z 陌+ z f ) i i 整理得接触网与正馈线之间短路时的短路电流为： j ： 一墨! 一 ( 2 1 4 ) z j + ( z ，一2 z + z f ) ， 在距离牵引变电所z 处发生接触网和钢轨之间发生短路时，同样设系统归算到5 5 k v 条件下内阻为z 。，短路电流为j ，则t - r 之间发生短路故障的示意图如2 - 4 所示，t - r 短路时，我们可以把短路点处的短路电流理解为一取流为，的负荷通过短路点，此时 列t - r 之间的回路电压方程 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 图2 - 4 单线a t 供电嘲t - r 短路故障图 根据前面对单线牵引网阻抗的分析可得电压回路方程： e t r = 圭忍丢+ ( 乙+ z f 一2 ) j z + 【乙+ 乙一2 一言( 乙+ 磊一2 z r f ) 一寺( 乙+ 2 乙+ 磊一3 一) 】，x 罄理可得： i = e 豫 季z s 鬲丐x q 。1 5 由于正馈线和接触线有相同的自阻抗且对钢轨的互阻抗也相同，所以当在距牵引变 电所z 处发生正馈线与钢轨之间短路时，其分析方法与接触网与钢轨之间的短路分析一 样，且有相同的短路电流。 2 2 2 末端并联复线a t 供电网研究 末端并联复线a t 供电网是在供电臂的末端对上、下行供电网的接触网，正馈线， 钢轨分别进行并联，其结构示意图如图2 5 所示： 图2 5 末端并联复线a t 供电网示意图 1 末端并联复线a t 供电网电流分布研究 末端并联复线a t 供电网络中，由于牵引负荷主要流经接触网和正馈线，忽略上、 下行牵引网之间的互感影响时，末端并联的复线a t 网络可以等效成为单线双边供电 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 网，其等效电路如图2 - 6 所示： 图2 - 6 禾瑞并联复线a t 供电嗍等效电路图 根据上图2 - 6 可以列出短回路中各电流之间的关系： 一j r r ：，。+ 三，用 ，r ：j ：+ 土，r ： ，f ：丢j j ：( 2 - 1 6 ) z ! j ： + ，： 2 l ，= ，r 2 + i r a 对短回路左右两个a t 列电压降平衡方程可得： ( z r 一2 z 豫+ z 万) z r 1 一( z r 一2 z 豫+ z 牙) ( d x ) j r 7 2 + ( 2 z r z 孺一z m ) x ，旯l 一( 2 z r z 臻一z 麻) ( d x ) ，月2 + ( z f + z 弦一z m ) d j f = 0 式( 2 - 1 6 ) 代入上式整理得月：= x dj , ，把尺z = 云代入式( 2 - 1 6 ) 可得： ，r 1 ：d - x 1、 ，。：d - x i + j ， 2 d l ( 2 - 1 7 ) r 2 ：d - x 1 + 2f d jf ：去_ l 1 2 - ) 2 d 。 由上式( 2 1 7 ) p - - 丁知，末端并联的复线a t 供电网短回路中机车电流的分布同单线a t 网 络一样，钢轨中电流根据机车在短回路中的位置按距a r 的距离成反比例分布。 设图2 - 6 中左边长回路中的电流j ，和右边长回路中电流j ：可根据图2 - 6 对左右长 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 到路歹0 回路电压方程联立解得。归算到2 7 5 k v 条件f ，左长回路电压降方程为： 氓= 1 2 e 一矽 ：要( z r + z f 一2 z 丌) u x ) 。+ ( z r z r r ) x j 7 。+ ( z r z 尺7 ) x j 尺l + ( z 盯一z r p ) x f 整理可得： 移= 三( z 丁+ z v - z r f ) ( i 叫+ ( z r 一) x “隅一如) x 面v - x + 等( 乙一z 加工+ 面x ( 一) x ，一( 一) “( 2 - 1 8 ) 归算到2 7 5 k v 条件下，对右长回路歹i i 电压降方程为： d ：= 三( z ；+ 乙一2 z w ) ( 2 三一，一d + x ) + ( z r - z r r ) ( d x ) 一 ( 岛一z w ) ( d 叫 j r ：+ 去( 乙一z r r ) ( d 叫+ 云( 弘z 一( d 叫+ 寺( 一z 础d 叫】， 2 。1 9 ) 在上述模型中电源到机车的电压损失相等，则有u 。一u ：= 0 ，即 一吾( 乙饵一2 ) 2 9 + 吾z 丁+ 扛一z t f - - z r + z 豫+ z 丌一z 冗f i s 2 + 寺( z 7 + z f - 2 z r r ) l + ( 一寺z r 一 二二 t 去乙+ + 乙一z 豫+ 一z 茚) x 二1 = 0 ( 2 - 2 0 ) 整理化简式( 2 2 。) 可得，：= 毛，t = 等， 2 末端并联复线a t 供电网阻抗分析 求出等效模型电流分布后，根据上图2 - 6 从左边电源向机车追及，归算到2 7 5 k v 条 件下电源到机车的牵引网电压降方程为： d = 三( 乙+ z - 2 z w ) ( 1 一x 百2 l - i j i + ( 乙一z 矗) 鼍一( 吾一去) + ( z r - z r r ) 加一旁 ( z 肛- z w ) x ( 去，一瓦l 尹i 2 三42 三4 2 ( z r + 2 z r + z r f - 4 z r r ) 茜( z r + 2 z r + z t f - - 4 z r r ) i 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 由上式可解出归算到2 7 5 k v 条件下牵引网的阻抗z ：垒旦，即： l z=型生垦兰生，+型型(zr+2zr+-4z)2l 42 d 、 可进一步简化成： z = ( 1 一麦) z l + ( i - 五x ) z 2 x ( 2 - 2 1 ) 3 末端并联复线a t 供电网故障研究 末端并联复线a t 网络的短路情况与单线a t 网络相似可分为分为接触网与正馈线 之间的短路、接触网与钢轨之间的短路及正馈线与钢轨之间的短路。设短路点到牵引 变电所的距离为z ，短路电流为，短路点距短回路中靠近变电所侧a t 的距离为x ， 系统与变电所归算5 5 k v 电压下阻抗为z 。当发生接触网与正馈线之间的短路，其电 流分布如图2 7 所示： 图2 7 全并联a t 供电网t - f 短路示意图 此时a t 供电网中所有的a t 都被旁路了，其中无电流流过，由图( 2 7 ) 列回路电压 方程可得：e t f = z s + 等j r ( 乙+ z ，一2 z 弦y ，整理可得t - f 短路电流为： ； e t f 卜i + 2 争l - i 而 q 。2 2 接触网与钢轨之间的短路，可把短路电流理解为在短路点处存在一取流为，的机 车，这样就可按取流为1 机车正常通过故障点处的思路分析，其电流分布如图2 - 8 所示。 根据前面对末端并联复线a t 供电网阻抗特性分析的结果，可得长回路电压方程： 左豫=生，+一2l-i螋，百o-x4 2 l4 2 ( z r + 2 z 只+ z 弦一4 址j ，) 、。7 “只。一7 f 。“7 r 7 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 8 页 图2 8 末端并联复线a t 供电网t - r 短路图 则末端并联复线a t 供电网在z 处发生t - r 短路的短路电流为： ；e 豫 卜筝z s 篆2 l - i i 雨x _ _ q 乏3 42 三 ? 、 d 7 由于正馈线和接触线有相同的自阻抗且对钢轨的互阻抗也相同，所以当在距牵引变电 所，处发生正馈线与钢轨之间短路时，其分析方法与接触网与钢轨之间的短路分析一 样，且有相同的短路电流。 2 2 3 全并联a t 网络的电气分析 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、下行供电网的接触网、 钢轨和正馈线在变电所出口处及a t 所都进行了并联而形成的一种a t 供电方式【2 7 】。本 节将对全并联a t 网络的电流分布规律、牵引网阻抗特性及短路故障进行分析。 1 全并联a t 供电网络电流分布分析 当有取流为，的机车在复线a t 网络上运行时，由于每个a t 所都进行了并联，在机 车所在a t 段内前后的上、下行a t 的对应绕组电压分别相等，所以在机车运行a t 段靠 近电源侧的上、下行接触网和正馈线中流过的电流相等，均为机车取流的0 2 5 倍，且接 触网电流与正馈线电流方向相反。全并联a t 供电方式的原理如图2 9 所示： + 与丢j 亨- i t 丑离? 厂与 0 之三， j ，之l 二i 。 。l r 、 ；_ 专| 厂f 4l 豫-j ffl 豫一 、 x 。吾l k 土， l 7 ，i i 、 4 、 ) 刚， ：。如：| 弦、与 、歹 声 扣：二f ：声以声： 图2 9 全并联复线a t 供电网电路图 在图2 9 中我们先对邻近机车且距牵引变电所较远的上、下行a t 内部电流分布进行分 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 析。设机车从上行接触网靠近该a t 处取流，r ，从上行钢轨流向该a t 的电流为，- ，上行 正馈线在a t 段中的电流为，f ，下行对应a t 段中钢轨电流为? o ，下行该a t 段中接触网 电流为，7 2 ，下行该a t 段中正馈线电流为，f 2 ，则上、下行a t 内部展开图如图2 1 0 所示： 图2 1 0 上、f 行a t 内部电流分布展开图 根据自耦变压器的原理，e h 上、下行a t 组成的广义结点可得：妄( ，一，o ) + i r 2 - i t = 0 ， 妻( ，l _ ，o ) 一i t - i f ：= 0 即有： f ，2 = i t - ( ，l i o ) ， 、 l j r f ：委( ，。一。) 一，f 如图2 9 所示全并联a t 牵引网正常运行时，上行接触网和下行的接触网之间，上行 正馈线和下行的正馈线之间及上行钢轨和下行钢轨之间形成了三个闭合的回路，在忽 略上行线路和下行下行线路各导线之间的互感影响时，利用基尔霍夫定律对分别对三 个闭合回路列电压方程【2 8 1 得： ( ，一i r ) z r x 一( ，一，1 ) z 剧，石一i fz t f x i rz 7 1 ( d x ) + 1 1z 尺r ( d x ) 一 ，fz 弦( 。一x ) 一( 7 一1 1 - z i o ) z r d + 。z r r 。+ ( 1 1 - 2 i o z f ) z 陌。= 。 一( ，一，1 ) z 尺x + ( ，一i t ) z r7 _ x i fz r f x + 1 1z j r ( d x ) 一i rz j r7 ( d x ) 一 i fz 肚( 。一x ) 一( r 一丁1 1 - 1 0 ) z r t d + ，oz r d + ( ( 丁1 1 - i o z f ) z r f 。= 。 一i fz f d 一( i 一1 1 ) z r t x + ( ，一i t ) z t f x + 1 1z w ( d 一工) 一，z r f ( d x ) 一 ，7 z 弦( d x ) + ( 1 1 - 2 i _ _ _ _ a o z f ) z f d + ，。z 月r d 一( ，r 一1 1 - ：z i o ) z 弦d = 。 整理联立上述三方程得： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 ( i x ( z r - z r r ) 一2 i rz 。r d + i l z t r d 一2 ifz t f d l + 。z 尺7 d + d 1 i - ，i 。( z7 _ + z 阡) = o 二 z ( z 船一z r ) 一2 ，z 盯d + ，l z 兄d 一2 ，fz 艇d ( 2 - 2 4 ) 弋+ 1 0 z r d + d 华( + ) ：o 二 fx ( z 矿一z 胪) 一2 - i rz 阡d + l z 肚d 一2 1 fz f d l + j 。k d + d 掣( 岛+ z ，) = o 把式( 2 2 4 ) 的第一式乘以z r t 减去( 2 2 4 ) 的第二式乘以z t 得： i x ( g z , 一乏r ) 一d ( 。+ j 。) ( z r z r 一乏r ) + 罢( ，一。) ( z r z r 一乏r ) 一2 d ) f ( 乙z r z ；丁) = o ( 2 - 2 5 ) 把式( 2 2 4 ) 的第三式乘以z t 减- - - 去( 2 2 4 ) 的第一式乘以z t f 得： ，z ( 乙r z 矗一乙z 盯) 一d ( i + ，。) ( 乙r z 矗一z r z 肛) + d ( i t 一。) ( 乙z 一z 嘉) 一2 d i r ( z ，乙一z 刍) = 0 由式( 2 2 4 ) 至( 2 2 6 ) 可解得： ( 2 2 6 ) n - = - 1 4 ( 1 - 一。) 凡2 寺- 产 ( 2 2 1 ) d u zj ，= 三，+ 1 ( 2 2 d4 t j 。) j ， u i - u ：= u 2 - u ： ( ) r 1 1 2 i 。 ) z r 一z n r - ( 学名琢+ 厶z 月_ 西一z “华一印z 盯 = 一艺驯n 半) z r t - - 丁1 - - 1 0 。+ ( 学名) z r + i oz 肚撕r 一毕磊 对上式进行整理得： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 1 页 + 2 每( 一z r 一2 z 盯+ 2 z r r + 2 z r f z f ) ：o ( 2 - 2 8 ) 将式( 2 2 7 ) 代入式( 2 2 8 ) 可得： ，f ，土! 圣! 兰生二! q 圣墨! 堕兰二鱼兰堕( 2 2 9 ) 2 dz t + 4 z r + z f 七2 z r f 一4 z r r 一4 z r f 把式( 2 2 9 ) 代入( 2 2 7 ) 并利用简化条件可得： 心杀，、14 d “立4 d j l23 0 ) ( 霉10 j d = 当全并联a t 网络上只有一列车存在时，根据图2 - 9 及式( 2 3 0 ) 来求牵引网阻抗。 对