（电力系统及其自动化专业论文）牵引供电系统新型保护与测距原理研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i f i e dr a i l w a yi no u rc o u n t r ya n dt h e c o n s t r u s t i o no f h i g h s p e e dr a i l w a y ( h s r ) a n dd e d i c a t e dp a s s e n g e rl i n e ( d p l ) ，t h ep r o t e c t i o na n dc o n 仃o lf o r t r a c t i o np o w e rs y s t e mb e c o m e si m p o r t a n ts a f e t yg u a r a n t e ei n c r e a s i n g l yt h e r ea r es e v e r a l p o w e rs u p p l ym o d e s ，s u c ha sd i r e c tp o w e rs u p p l ym o d e , b o o s t t r a n s f o r m e r ( b t ) p o w e r s u p p l ym o d ea n da 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 ym o d e s e r i e sc o m p e s a t o r sa r ea d d c d i ns o m ed i r e c tp o w e rs u p p l ys y s t e m ，s ot h ep o w e rs u p p l y c a p a b i l i t yc a nb ee n h a n c e d t h e r e a r es i n g l e t r a c k l i n ea n dd o u b l e - t r a c k - l i n em o d ei n t h e s ep o w e r s u p p l ym o d e s t h e d o u b l e _ t r a c k l i n e sw i t hp a r a l l e lc o n n e c t i o n sa r eo n a l a r g es c a l ea p p l i e dt oa tp o w e rs u p p l y s y s t e mi nt h eh s ra n dd p li no u rc o u n t r y i no u rc o u n t r y , t h ed i r e c tp o w e rs u p p l ym o d ea n da tp o w e rs u p p l ym o d ea r em o s t l y a p p l i e dt ot r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，w h i c hi st h er e s e a r c ho b j e c t ，a n dr e s e a r c hd i r e c t i o n s a r ef o l l o w i n g ： a ts u b s t a t i o nw e r er e c o n s t r u c t e do r c o n s t r u c t e di ns o m e r a i l w a y s ， a n ds c o t t t r a n s f o r m e r sw e r ea d o p t e d a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tt r a n s f o r mr e l a t i o n t h r e ed i 仃e r e n t i a l p r o t e c t i v ee q u a t i o n so ft h es c o t tt r a n s f o r m e ra g ep r o p o s e d i ts h o w st h a tt h r e ek i n d so f e q u a t i o n sc a no p e r a t ec o r r e c t l yu n d e ra l lp o s s i b l es i t u a t i o n s b ym e a n so f c o m p a r i s o no ft h e i n f l u e n c eo fi n r u s hc u r r e n t ，s e n s i t i v i t yo f p r o t e c t i o na n ds e t t i n go ft h r e ee q u a t i o n s i ts h o w s t h a tt h es t r o n g p o i n ta n dd i s a d v a n t a g eo ft h r e ew i r i n go fc u r r e n t t r a n s f o r m e r ( c t ) t h et h i r d d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ns c h e m ea p p l i e di nj a p a ne a r l yc a no p e r a t e sb yp h a s e r e s p e c t a b l yi ti s b e t t e rt h a no t h e r si nr e l i a b i l i t ya n d s e n s i t i v i t yw h e nc o r r e c to p e r a t i o ng u a r a n t e e d t h er e a l - o p e r a t i o no fd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nf o rt r a c t i o nt r a n s f o r m e ri se a s i l vc a u s c db v c tt r a n s i e n ts a t u r a t i o n a c c o r d i n gt om ec tc o n n e c t i o na n dt h ev a r i a t i o n a l q u a n t i t y c h a r a c t e r i s t i co fd i f f e r e n t i a lc u r r e n ta n dr e s t r a i n tc u r r e n t ，w h e ni n s i d eo ro u t s i d ef a u l to c c u r s an e wc r i t e r i o nt or e c o g n i z ec tt r a n s i e n ts a t u r a t i o ni sp r o p o s e db a s e do nt h a tt h e v a r i a t i o n a l q u a n t i t ys u mo fd i f f e r e n t i a lc u r r e n ta n dr e s t r a i n tc u r r e n to ft h r e ep h a s e s w r o n g p h a s e - c o u p l i n gf a u l ti nt h ep o w e rt r a c t i o ns y s t e mi so n ek i n do fn o r m a ls h o r t c i r c u i tf a u l t s t h ec u r r e n tf a u l tc o m p o n e n tw a v e f o r m so ft w o p h a s e sa r es y m m e t r i c a lb a s e d o nt h ea n a l y s i so fw r o n g p h a s e c o u p l i n g t h i sc h a r a c t e r i s t i cc a nb ea c q u i r e db yc o l l e l a t i o n a n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fp o w e rt r a c t i o ns y s t e m ，an e wp r o t e c t i v es c h e m e i se s t a b l i s h e db a s e do nt h ec o r r e l a t i o na n a l y s i so ff a u l tc o m p o n e n t w h e nf a u l to c c u r so np o w e rs u p p l ys y s t e mw i t hs e r i e s w o u n dc o m p e s a t o r ss e t s t h e r ei s m o r et h a no n ef a u l tp o i n tc o r r e s p o n d i n gt oo n er e a c t a n c eb a s e do nt h er i ；a c t a n c e d i s t a n c e t a b l e am e t h o dt oi d e n t i f yt h ef a u l ti sb e f o r eo rb e h i n ds e r i e s w o u n dc o m p e n s a t o r si s p r o p o s e db a s e do nt h er l - cm o d e l b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y , t h ei d e n t i f i e d 西南交通大学博士研究生学位论文 第1 il 页 p r i n c i p l eo fd e t e c t i n gt h es h o r tc i r c u i to f t h ed i s c h a r g eg a pi sp r o p o s e d t h es e r i e s w o u n dr e a c t o ro ns h u n tc o m p e s a t o r si s s h o r to fn e c e s s a r yp r o t e c t i o n ， e s p e c i a l l yt h eo n ea g a i n s ti n t e r - t u r nf a u l t b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h i sk i n do ff a u l ta n di t s i m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c ，t o g e t h e rw i t ht h ep a r t i c u l a r i t yo fp o w e rs y s t e mi n e l e c t r i f i e d r a i l w a y , an e wp r o t e c t i o na g a i n s ti n t e r - t u r n f a u l ti sp r o p o s e db a s e do nt h em e a s u r e d i m p e d a n c eo rt h er a t i oo fr e a c t o rv o l t a g ea n db u sv o l t a g e a c o r r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fa tp o w e rs u p p l ys y s t e mw i t hp a r a l l e lc o n n e c t i o n s ， b a s e do nt h eg e n e r a l i z e dm e t h o do fs y m m e t r i c a lc o m p o n e n t s ，t h ec a l c u l a t i n gm a h o do f i m p e d a n c eo ft h i sp o w e rs u p p l ym o d e i sp r o p o s e d i ti si l l u m i n a t e dt h a tf a u l tl o c a t i o nw i t h r e a c t a n c em e t h o di si n v a l i d t h ef a u l tl o c m i o np r i n c i p l eb a s e do nt h er a t i oo fb o o s t i n g c u r r e n t so fa t si ss t i l lv a l i di nt h i sp o w e rs u p p l ym o d ea n dt h ep r i n c i p l ei sa n a l y s i e da n d s i m u l a t e d b a s e do nt h eg e n e r a l i z e dm a h o do fs y m m e t r i c a lc o m p o n e n t sm o d e l ，t h ep r i n c i p l e o fr a t i ob e t w e e nu p p e rl i n ec u r r e n ta n dd o w nl i n ec u r r e n ta n dp a r a l l e ll i n ec u r r e n t sr a t i ow e r e p r o p o s e d t h et w op r i n c i p l e sa r ec o m p a r e d t ob o o s t i n gc u r r e n t sr a t i oo fa t s i ts h o w e st h a t t h el o c a t i o np r i n c i p l eb a s e do np a r a l l e ll i n ec u r r e n t sr a t i oi sb e r e t 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 ；c t t r a n s i e n ts a t u r a t i o n ；f a u l tl o c a t i o n ； w r o n g p h a s e c o u p l i n g ；s e r i e s w o u dc o m p e s a t o rs e t s ；a tp o w e rs u p p l ys y s t e mw i t hp a r a l l e l c o n n e c t i o n s 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 不保密动，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名：多相习书 日期：3 , n 10 听1 0 指导老师签名： 日期：沙，n 坼2 0 西南交通大学博士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。 本学位论文的丰要创新点如下： 1 、针对采用s c o t t 变压器牵引供电系统既有变电所改造和新建a t 牵引供电系统， 根据保护平衡方程结构形式，从励磁涌流对保护影响、保护的灵敏性和微机保护整定 方面比较分析了3 种电流互感器接线的影响与优劣。证明了日本早期采用的方案3 在 确保正确动作情况下可以分相制动，在保护可靠性、灵敏度方面的性能更优。( 第2 3 节) 2 、针对牵引变压器差动保护由于装置内部c t 暂态饱和出现的误动，根据牵引变 压器差动保护的c t 接线原理，以及内部故障与外部故障在差动电流和制动电流上的不 同表现，根据三相制动电流变化量之和较差动电流变化量之和更早出现的情况，提出 了判别c t 饱和的原理。( 第2 4 节) 3 、针对含串联电容补偿装置的供电牵引网发生故障，既有电抗法测距原理存在单 个电抗对应多个故障点的问题，根据线路r l c 参数模型，提出了识别故障点在区间 电容前或后的方法，并基于数学形态学提出串补电容放电间隙短路的识别原理。( 第 5 4 5 8 节) 4 、针对全并联a t 供电方式的特性，基于广义对称分量法提出计算短路阻抗的方 法；分析和仿真证明了基于a t 吸上电流比原理的故障测距方法在该供电方式下依然有 效；根据该运行方式的广义对称分量模型，提出了基于上下行电流比、横联线电流比 的故障测距原理，并与a t 吸上电流比原理进行了比较，表明横联线电流比测距原理更 具有优越性。( 第6 2 6 7 节) 学位论文作者签名：力韧司伽 日期：加，o t t 2 1 0 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 9 6 1 年8 月1 5 日，我国的第一条电气化铁路一宝成线宝鸡至凤州段顺利建成，标 志着我国交流电气化铁路的诞生。经过5 0 多年的不懈努力，走过了世界电气化铁路发 达国家百余年的发展历程，实现了从无到有、从常速到高速、从低吨位到重载的不断 跨越。截至目前，中国共建成开通电气化铁路总里程近2 6 0 0 0 公里，仅次于俄罗斯， 位居世界第二位，中国已步入世界电气化铁路先进行列。目前，中国铁路电气化率达 到3 2 7 ，承担了全部客货运量的5 0 ，经济效益和社会效益十分显著。 电气化铁路因节能环保、动力性能强，被世界各国列为重点发展的绿色交通方式。 时速达3 5 0 公里的京津城际高速铁路，全程旅客人均耗电仅8 度，能效优势明显；年 运量己突破3 亿吨的大秦单元重载电气化铁路，可开行2 万吨级重载列车，大大优于 其他牵引方式；运输最繁忙的京广、京沪等铁路干线，电气化改造后成为运能利用率 最高的铁路。中国电气化铁路不仅实现了发展数量的不断攀升，而且实现了技术发展 上的不断创新。 近年来，我国铁路运输需求增速强劲，供需缺口进一步扩大。2 0 0 1 年以来，我国 的铁路货运增速逐步提高，至2 0 0 5 年末，铁路完成货运量2 7 亿吨，货物周转量2 0 7 3 0 亿吨公里。铁路整体运输需求增势迅猛，货运请车量一直高居，从2 0 0 4 年的平均每天 1 6 万多车攀升至2 0 0 5 年每天2 8 万车的高水平，铁路运力的供需缺口进一步扩大。 同期全国铁路完成旅客运量1 1 6 亿人次，周转量6 0 6 1 亿人公里，分别增长3 4 和 6 1 【l j 。据最新统计，2 0 0 8 年1 月至1 1 月，铁路完成货运量3 0 亿吨，货物周转量2 3 1 6 7 亿吨公里，同期全国铁路完成旅客运量1 3 5 亿人次，周转量7 2 2 2 亿人公里。按照铁 道部的中长期铁路网规划，从2 0 0 6 年开始到2 0 1 0 年，估计每年都有1 6 0 0 亿左右 的铁路固定资产投资。如今，电力与铁路已经形成不可分割的伙伴关系。铁路大提速 后，京哈、京广、陇海等1 8 条铁道线路上运行的新型电力机车对电力供应提出了新的 要求。这意味着，随着铁路电气化进程的加快，铁路电网配套工程的建设也将提速。 根据国家中长期铁路网规划制定的中国铁路的发展规划，在“十一五”期间， 铁路的工作重点是扩大路网规模、优化布局结构、强攻客运专线，其建设目标是：完 成铁路建设总投资1 2 5 0 0 亿元，实现中国高速铁路零的突破并完成9 8 0 0 公里的高速客 运专线建设。当前规划中的客运专线包括京沪、京广、京哈、沈大、陇海、沪汉蓉通 道等“四纵”、“四横”的高速干线；建设京津、沪宁、沪杭、宁杭、广深、广珠等环 渤海地区、长江三角洲地区、珠江三角洲地区的城际高速轨道交通系统。 中长期铁路网调整规划已于2 0 0 8 年1 0 月3 1 日经国家批准正式颁布实施。新规划 将进一步扩大路网规模，完善布局结构，提高运输质量，体现了原规划快速扩充运输 能力、迅速提高装备水平的要求。 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 新调整的方案，将2 0 2 0 年全国铁路营业里程规划目标由1 0 万公里调整为1 2 万公 里以上，其中客运专线由1 2 万公里调整为1 6 万公里，电化率由5 0 调整为6 0 ，主 要繁忙干线实现客货分线，基本形成布局合理、结构清晰、功能完善、衔接顺畅的铁 路网络，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进 水平【2 】o 根据我国“十一五”规划，明确大力推进技术装备现代化，加快铁路创新体系建 设，建立以企业为主体、市场为导向、产学研相结合的技术创新体系。加强原始创新、 集成创新和引进消化吸收再创新，坚持引进先进技术与自主创新相结合，积极发展具 有自主知识产权的核心技术和关键技术，形成具有中国自主知识产权的高速铁路技术 体系。通信、信号、牵引供电系统坚持系统集成创新，形成满足我国客运专线站后技 术系统集成的基本思路、标准和要求。电力系统中的变电站自动化系统技术的发展， 促使计算机技术在电力系统中得到广泛应用。变电站自动化技术除了完成常规的保护、 测距、控制、测量、远动等功能外，还提供故障录波、故障记录、显示谐波量等功能， 能快速处理故障，迅速恢复系统工作。它能把系统的运行状态、监测的信息通过更清 晰、简单的操作界面反映给操作人员，可以防止误动、误操作，大大提高系统工作的 可靠性、精确性，改善运行人员的工作条件，并可以实现变电所无人或少人值班，提 高运行效率，因此针对牵引网本身的特点设计符合牵引变电所的自动化装置将会对牵 引供电系统发展提供很大的帮助。 随着我国电气化铁路里程的日益延长，准高速、高速铁路在我国逐步开工建设， 牵引供电系统的的安全性、可靠性要求得到更大的提高，这就对系统中继电保护装置 和自动化功能提出了更高的要求，即要求选择性更好、可靠性更高、动作速度更快、 故障恢复时间更快。 牵引供电系统的保护是保障牵引网高效、安全、可靠供电的基础。以我国电气化 铁路牵引供电系统为研究对象，从理论上系统研究牵引网馈线保护原理、馈线故障测 距原理、变压器保护原理等无疑具有重要的理论和实际意义。同时，电气化铁路牵引 供电系统保护误动和拒动的现象时有发生，如何利用各种现代技术，完善牵引供电系 统保护原理与功能，提高其可靠性与可用性也是当务之急。 1 2 牵引供电系统及其供电方式 1 2 1 牵引供电系统 我国新建客运专线典型牵引供电系统f 3 】如图1 1 所示，丰要由牵引变电所( 图1 - 1 中虚线上方) 、牵引网( 虚线下方) 、电力机车负荷组成。图中，b 为变压器，c b 为断 路器，a t 为自耦变压器，t l 、f l 、t 2 、f 2 分别为t 线( t r a c k w i r e ) 母线l 、f 线( f e e d e r w i r e ) 母线l 、t 线母线2 、f 线母线2 。 我国电气化铁路采用工频单相交流制。电气化铁路供电的牵引供电系统由分布在 铁路沿线的牵引变电所及沿铁路架设的牵引网组成，为了保证供电的可靠性，由电力 三1 崮眈 t 1 1 r 1 1 f 1 1 t 1 2 r 1 2 f 1 2 a t l c c b 3 一t 1 一f i t 2 一f 2 c b 5c b a t 4 t 2 1 r 2 1 f 2 1 t 2 2 r 2 2 f 2 2 图卜1 军引供电系统组成不意图 牵引供电回路的构成【4 】是：牵引变电所、馈电线、接触网、电力机车、钢轨与大地、 回流线、正馈线。在这个闭合回路中，通常将馈电线、接触网、钢轨与大地回流线统 称为牵引网。 1 )牵引变电所：_ 丰要是将电力系统传送的2 2 0 k v 或l l o k v 的三相电源转换成牵引 网额定电压2 7 5 k v ( 或2 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。 2 )分区所：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。 3 )a t 所：设置在供电区间上，将自耦变压器接入牵引网。 4 )开闭所：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。 5 )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。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。 6 )馈电线：是指连接牵引变电所和接触网的导线，把牵引变电所转换完备的牵引 用电能送给接触网。 7 )轨道：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。 8 )回流线：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。 9 )正馈线：在a t 供电系统中，接触网通过自耦变压器与接触网并联的导线，主 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 要牵引电流回路的作用。 如图1 2 为典型的全并联a t 供电方式下的牵引变电所主接线图( 图中为单侧示意 图) ，牵引变电所主要构成元件有牵引变压器( 简称主变，b ，也用t 表示) 、并联电容 补偿装置( 图1 2 中未画出) 、馈线，其中，c b 代表断路器、a t 代表自耦变压器，c t 代表电流互感器，t v 代表电压互感器，b 代表主变压器，为带中心抽头的单相变压器， 该种丰变绕组连接方式为专用于我国全并联a t 供电方式下的客运专线。正常运行方式 下，图1 2 中上行( t 1 、r 1 、f 1 ) 馈线由断路器c b 3 供电，下行( t 2 、r 2 、f 2 ) 馈 揩1 c b lh b 堕型 扣醛 (卅 】 一 卅(卅c t 4 (卅 (卅 t 3r4 ， ， g k 吒 一 矿 1 1r 1 卜11 2r 2 卜2 图1 - 2 牵引变电所主接线图 在牵引供电线路上，有a t 所和分区所，分区所丰接线相当于两个a t 所。a t 所 丰接线图如图1 3 所示，一般情况下，a t l 与a t 2 一丰一备。由图1 3 可以看出上下 行牵引网通过馈线断路器c b l 和c b 2 及其连接的自耦变压器a t l 和a t 2 通过母线并 联连接，所以称全并联连接方式。 接触网主要由支柱、接触线、承力索、吊弦、电分相等构成，在此仪介绍后面将 涉及到的电分相设备，其主要作用在于将不同电压的两相接触网分开，并能使电力机 车顺利过渡。电分相有器件式电分相和锚段关节式电分相，锚段关节式电分相是由两 个绝缘锚段关节组成，消除了器件式电分相存在的硬点大的问题，我国广深、武广、 哈大、京秦、宁西线等电气化铁路和“十一五”期间开工修建的京沪、郑西、京津等 快速客运专线均计划采用关节式电分相【5 】，世界大多数国家的高速电气化铁路电分相也 均采用该种型式1 6 儿7 1 。关节式电分相如图1 4 所示。 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 t 1a t 2 。1 r n l * n - 丫y 1 三_ i ，出* c b 4 c t 3 十 c b 3 戈厶 r ，f 一 1 ll c t l ，卅 b兰如b c 1 8 1 。 ， l l l 图卜3a t 所主接线图 t 1 上行 f 1 醒下行 f 2 图1 4电分相不恿图 1 2 2 牵引供电系统供电方式 随着我国牵引供电系统的的发展，其运行方式也多种多样。主要有直接供电方式、 带吸流变压器( b t ) 的供电方式、自耦变压器( a t ) 供电方式，除此以外还有含串联 补偿电容的供电方式、全并联直接供电方式、全并联a t 供电方式。 1 直接供电方式 电气化铁路直接供电方式【4 】如图1 5 所示，c b 为断路器，f 为短路故障。其中( a ) 为直接供电的单线形式，图( b ) 为天窗状态下的直接供电方式，图( c ) 为直接供电 的复线方式，图( d ) 为上下行全并联直接供电方式，上下行间由隔离开关并联连接。 ( b ) ( c ) 图1 - 5 直接供电牵引网几种供电方式 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 图卜5 ( a ) 所示的直接供电方式是将从牵引变电所输出的电能，直接通过接触网 供应给电力机车，而回归电流则通过轨道，大地回到牵引变电所( 如图卜6 ) 。这种供 电方式的特点是，供电回路的构成最简单，工程投资、运营成本和维修工作量都很少； 但对邻近通信线路的干扰影响严重，钢轨电位在理论上比其他供电方式要高。 图卜6 直接供电方式 图1 - 5 ( b ) 所示的“v 天窗直接供电方式，在检修的方式下采用。图1 - 5 ( c ) 所示的直接供电的复线方式，在牵引网末端的分区所，将上下行馈线连接，起到提高 网压的作用。图1 - 5 ( d ) 所示的全并联直接供电方式为同一方向上下行由一台断路器 供电且接触悬挂( 含加强线) 在每个车站都实施一次横向电连接，从而实现接触网的 低阻抗，减少电压损失和增强供电能力，改善供电质量。 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。 直接供电方式主要应用于世界各国的普通电气化铁道供电，但是当面对重载和高 速的情况时，其局限性仍然突出。在我国的南( 宁) 昆( 明) 线、宝( 鸡) 兰( 州) 二线，由于所处的地理条件，馈线相对较长、坡度较大、系统阻抗大，在牵引网常常 造成线路网压不足，导致机车“坡停”现象时有发生，设计人员根据串联补偿电容能 提高网压的特性，在变电所出口或区间增设串联电容补偿装置，如图1 - 7 所示。 图1 7 带串联电容补偿装置的牵引网示意图 2b t 供电方式 吸流变压器( b o o s t e rt r a n s f o r m e r ) 供电方式，简称b t 供电方式【引。它是在牵引网 中，每相距1 5 4 k m 间隔，设置一台变比为1 ：1 的吸流变压器，其一次线圈串接入接 触网中；二次线圈串接在回流线中( 即吸流变压器一回流线方式) ，如图1 - 8 ( a ) 所示， 或串接在轨道中( 即吸流变压器一轨道方式) ，如图1 - 8 ( b ) 所示。 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 变电所 变电所 ( a ) 吸一回方式 ( b ) 吸一轨方式 图1 - 8b t 供电方式原理图 目前我国电气化铁路主要采用吸流变压器一回流线方式。 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。 3a t 供电方式 a t 供电方式是通过在牵引网中增设正馈线和白耦变压器，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，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【9 】，我国北京秦皇岛、大同秦皇岛、 郑州武昌等电气化铁路，也采用了a t 供电方式。 如图1 - 9 所示，a t 0 、a t l 、a t 2 为自耦变压器，变比为2 ：1 ，其一端与接触网连接， 另一端与正馈线连接，中点与轨道连接。接触网与轨道间的绕组匝数为w 2 ，正馈线与 轨道间的绕组为w 1 ，w i = w 2 。绕组w l 与w 2 串联( 即原边) 接入电源，电压为2 u ( 即2 2 7 5 k v ) ；绕组w 2 ( 即副边) 接负载，电压为u ( 即2 7 5 k v ) ；绕组w l 与w 2 相同。两台 自耦变压器之间的距离称为自耦变压器间隔( 或称自耦变压器段) ，一般为1 0 k m 左右啤1 。 a t qa t la t 2 图1 - 9a t 供电方式原理电路图 第8 页西南交通大学博士研究生学位论文 如图1 - 9 所示，设自耦变压器阻抗为零，牵引列车运行的电力机车位于a t 2 处， 电力机车电流为i 。由于自耦变压器阻抗为零，则a t l 副边回路被a t 2 旁路，电流i r 流入a t 2 副边绕组w 2 。在a t 2 原边绕组w i + w 2 中感应出电流，该电流由牵引变电所 2 沿接触网流出，沿正馈线流回牵引变电所。轨道中电流为零。由于接触网和正馈线中 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，两者的交变磁场基本 上可以相互平衡( 抵消) ，所以显著地减弱了接触网和正馈线周围空间的交变磁场，使 牵引电流在邻近的通信线路中的电磁感应影响大大减小。 传统的a t 供电牵引网电流回路包含接触线( t ) 、钢轨( r ) 、保护线( p w ) 和正馈 线( f ) ，另外，钢轨泄漏形成回流。当为复线供电方式时，a t 供电牵引网在开闭所( s s p ) 或分区所( s p ) 通过开关并联连接，以提高网压，如图1 - 1 0 所示。 图卜1 0a t 牵引网典型线路不意图 a t 供电方式是将若干台变比为2 ：1 的自耦变压器按一定的间距并联在接触线与正 馈线之间，其中点直接接钢轨，为了减少轨道电位，专门架设一条保护线每隔一定间 隔与钢轨相连接。 将复线a t 供电方式的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能 力更小。但是由于上下行的并联，使得线路的拓扑结构极其复杂，牵引网短路阻抗计 算，保护配置和故障测距都将造成一定的网难。目前，全并联a t 供电方式在法国已经 投入使用【1 0 。12 1 ，在已建成使用的( 北) 京( 上海) 沪高速铁路、合( 肥) 武( 汉) 、石 ( 家庄) 太( 原) 、武( 汉) 广( 州) 、郑( 州) 西( 安) 等各条客运专线，以及未来 将要建设的高速铁路或客运专线，都采用复线全并联a t 供电方式。全并联a t 供电牵 引网典型如图卜1 所示。 文献 1 3 根据我国客运专线供电方式的特点和不足，提出了一种新型的全并联a t 供电方式，如图i - 1 l 所示。其中，t 为单相变压器，次边输出电压5 5 k v ，c b l 、c b 2 分别为上、下行双极断路器，t 1 、r l 、f 1 为上行的接触网、钢轨、正馈线，t 2 、r 2 、 f 2 为下行的接触网、钢轨、正馈线，a t l 、a t 2 、a t 3 为线路上的自耦变压器。 该供电方式的优点：牵引变电所出e l 不设自耦变电所，从而简化系统，节约投资： 简化牵引变压器的制造难度，同时，省去了牵引变电所的轨回流线布置；供电能力高 于2 2 7 5 k v 模式；在增加供电能力之同时，延长供电臂，减少电分区数目；在相同 西南交通大学博士研究生学位论文第9 页 的供电能力下，5 5 k v 模式要求的导线截面更小，更有利于接触网的轻型悬挂【1 3 】。 i v c b l l 一 眦一 c b 2 l _ 一一 _ - z - 图1 - 1 1 新型全并联a t 供电牵引网 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内外研究现状简介 世界各国在电气化铁路牵引供电系统的应用【i 8 】中，有各种供电方式，在牵引供 电系统核心的变电所内，各种不同类型的变压器在各国运行。单就我国来说就包含诸 如y 一1 1 、s c o t t 变压器、v v 变压器、单相变压器、带中心抽头的单相变压器等等。 在德国和法国，牵引变压器多采用单相变压器；日本新干线的牵引变压器采用s c o t t 平衡变压器较多，供电方式多采用a t 供电方式【1 9 1 。德国i c e 电气化铁路的牵引变压 器多采用单相变压器，对于复线牵引网一条供电臂的两个方向共用一台断路器【2 卜2 3 1 。 英国、法国t g v 高速电气化铁路的牵引丰变压器多采用单相变压器，供电方式多采用 直接供电+ 回流线的方式或a t 供电方式【2 4 】【2 5 】。 牵引供电系统继电保护的重要职责就是保护各个元件。根据牵引供电系统元件划 分，大体分为变压器、并联电容补偿装置、牵引网三大部件，其中牵引网故障测距又 是保障牵引供电系统正常运行不可或缺的一环。 在馈线保护中，文献 1 9 1 和 2 6 】提出了一种可切换型牵引网馈线距离保护的概念和 高次谐波抑制式i 型故障选择原理；文献 2 7 】给出了一种带谐波抑制过电流元件的距 离保护原理，其理论基础也是利用电气化铁路负荷电流中的综合谐波含量；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重要的，因 此，国外都设有接触导线温度保护【25 。论文在馈线保护方面，主要对其中异相短路保 护提出相应的保护原理。 变压器保护的关键是如何区分励磁涌流和内部故障电流，在电力系统领域，该方 向有大量的研究成果 2 8 - 3 3 】。由于差动保护采用的电流- 瓦感器在保护区内外会出现饱和 现象，容易引起误动或拒动【3 4 】【3 5 】。于是人们尽力研究如何识别c t 饱和及找出相应的 方法防范误动和拒动【3 引。 在电气化铁路的故障测距领域，我国走在了世界的前列，各种不同供电方式下， 提出和应用了不同的故障测距原理【3 9 州】。随着我国大规模采用的全并联a t 供电方式， 其相关模型的分析和故障测距原理的研究是必须的，相关的文献也进行了研究【4 ”7 。， 并且取得了一定的成绩。 第1 0 页西南交通大学博士研究生学位论文 串联补偿装置、并联补偿装置在我国电气化铁路也有应用，他们同样具有相应的 元件保护，论文针对相应设备提出了保护原理。随着引进国外的产品与设备，国外牵 引供电系统新型继电保护和故障测距原理也得以进入中国，伴随着国内在相应领域的 研究和技术的发展，通过消化吸收，国产设备上也得到了广泛应用。 1 3 2 牵引供电系统继电保护存在的问题与不足 牵引供电系统运行方式复杂、牵引变压器类型繁多、故障类型较多。电力机车为 移动负荷，接触网的故障几率较电力系统要高得多；牵引网单位长度的阻抗较高；电 力机车通过变电所、分区所进入另一带电供电臂相当于电力机车上变压器进行一次空 载合闸，a t 供电系统送电相当于该供电臂所有自耦变压器都进行一次空载投入，都将 产生励磁涌流【2 5 1 ，保护装置所在的牵引变电所、a t 所或分区所环境相对恶劣，极易受 到电磁干扰。由于牵引供电系统运行方式、供电类型种类繁多，所以其故障测距原理 相对复杂，且测距精度极易受各种因素的影响。以上这些决定了牵引供电系统继电保 护与测距具有特殊性。 牵引供电系统继电保护的作用是及时发现故障，并进行切除。随着我国电气化铁 路里程的增长，牵引供电系统继电保护既有的、新发现的问题逐步增多，急需研究和 解决。全并联a t 供电方式的引入，在我国现行资料中并无详细的研究，在前期京津城 际高速铁路的引进应用和后期的各条客运专线实施、运行过程中，出现了运行方式、 保护配置与整定和采用何种故障测距原理等问题，这些都需要研究与解决。 1 主变保护 主变保护主要由主变差动保护和丰变后备保护构成，其中，主变差动保护基本采 用无时限或短时限( 如3 - 5 m s ) 方式。牵引供电系统电力机车负荷谐波含量高，容易对 牵引变电所内保护装置产生强大的电磁干扰，当变电所内开关分合闸时，会产生拉弧 现象。这些电磁干扰的存在常常会对继电保护装置产生干扰，对于主变差动无时限的 情况，极易导致差动保护误动。 同时由于牵引供电系统是一个动态网络，接触网与机车的滑动接触、树枝的晃动， 经常会出现短路或放电现象的发牛，导致出现大的短路电流，特别是电分相的存在， 导致近端短路时常发牛。在主变差动保护中，由于采集的变压器高低压侧电流需要电 流互感器( c t