（控制理论与控制工程专业论文）高速铁路牵引供电系统馈线保护研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国中长期铁路网规划的实施，特别是在全球金融危机的背景下， 我国又追加了2 万亿元用于铁路建设，我国的铁路建设迎来了新一轮高峰，其 中高速铁路成为铁路建设的重点。高速铁路的安全运行离不开牵引供电系统的 保护，本文对高速铁路牵引供电系统馈线保护进行了研究。 本文首先分别从牵引变电所变压器接线方式、牵引供电系统供电方式、牵 引网供电方式等方面介绍了电气化铁路牵引供电系统的组成，通过比较各种供 电方式的特点，提出一种适用于高速电气化铁路的牵引供电方式，即牵引变电 所的变压器接线方式为用两台单相变压器组成的v v 接线，线路的上下行在a t 所和分区所并联，组成全并联a t 供电方式，并在此基础上建立牵引供电系统的 一个供电臂作为研究模型。分析了全并联a t 供电方式下阻抗计算。 综合牵引网线路故障的各种形式，主要有牵引网各导线短路故障、牵引网 断线接地故障以及电力机车不降弓通过牵引变电所的电分相时受电弓飞弧引起 的异相短路故障。对于牵引网馈线短路故障、断线接地故障、异相短路故障分 别进行了详细的电流分析，并针对这些故障提出了牵引供电系统的保护配置。 根据运营统计，线路发生短路故障的概率占绝大多数，对于短路故障，距离保 护是最有效的保护方式。由于全并联a t 牵引网短路阻抗与距离之间的关系呈 非线性，对此牵引网馈线除了以距离保护为主保护以外，还要以电流速断保护、 电流增量保护、过电流保护为后备保护。 距离保护由于其独特的优点，一直是我国电气化铁路馈线保护的主保护， 但是距离保护也存在不足，因此，提出了将人工神经网络应用于距离保护，并 建立了基于人工神经网络的距离保护模型。 最后，利用a t p 仿真高速铁路牵引供电系统一个供电臂，得到大量训练样 本，再利用m a t l a b 神经网络工具箱对建立起来的神经网络对这些样本进行训练， 训练结束后，再进行检验，结果表明这种基于人工神经网络的距离保护取得了 令人满意的效果，很有研究和发展的价值，这种保护投入实际应用的前景也值 得进一步探索和研究。 关键词：高速铁路；牵引供电系统；馈线保护；人工神经网络 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ei m p l e m e n t a t i o no fc h i n a s “m e d i u ma n dl o n g t e r mr a i l w a yn e t w o r k p l a n n i n g ，e s p e c i a l l yu n d e rt h eb a c k g r o u n do fg l o b a lf m a n c i a lc r i s i s ，t h eg o v e r n m e n t h a sa d d e de x t e r n a l2t r i l l i o nr m bf o rr a i l w a yc o n s t r u c t i o n , s ot h a tt h er a i l w a y c o n s t r u c t i o ne n c o u n t e r i n gan e wp e a ki nw h i c ht h eh i g h s p e e dr a i l w a yb e c o m e st h e f o c u so ft h ec o n s t r u c t i o n t h eh i g h - s p e e dr a i l w a yc a n n o tr u ns a f e l yw i t h o u t p r o t e c t i o no ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m t h i sp a p e rh a ss t u d i e dt h ef e e d e r p r o t e c t i o no fh i g h - s p e e dr a i l w a yt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e dt h ec o m p o n e n to fe l e c t r i f i e dr a u w a yt r a c t i o np o w e r s u p p l ys y s t e mf r o md i f f e r e n ts i d e ss u c ha st h et r a n s f o r m e r s c o n n e c t i o nm o d eo f t r a c t i o ns u b s t a t i o n ，t h es u p p l ym o d eo ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e ma n dt h es u p p l y m o d eo ft r a c t i o nn e t w o r k b yc o m p a r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa l lk i n d so fs u p p l y m o d e ，p r o m o t e dat r a c t i o np o w e rs u p p l ym o d ew h i c hs u i t a b l ef o rh i g hs p e e d e l e c t r i f i e dr a i l w a y t h a tm e a n st h et r a n s f o r m e r s c o n n e c t i o nm o d eo ft r a c t i o n s u b s t a t i o na p p l i e d nc o n n e c t i o nw h i c hc o n s i s to ft w os i n g l e p h a s et r a n s f o r m e r s ， a n dt h ed o w n s t r e a ma n du p s t r e a ml i n e sw e r ep a r a l l e l e di nt h ea ts t a t i o na n ds e c t i o n p o s tw h i c hf o r m e dt h ef u l lp a r a l l e la ts u p p l ym o d e b a s e do na l lo ft h e s e ，e s t a b l i s h e d as u p p l ya r n lo ft h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e ma st h er e s e a r c hm o d e l ，a n da n a l y z e d t h ec a l c u l a t i o no fi m p e n d e n c ew h i c hu n d e rt h ef u l lp a r a l l e la t s u p p l ym o d e i n t e g r a t e dt r a c t i o nl i n ef a u l ti na l li t sf o r m s ，t h e r ea r es h o r t - c i r c u i tf a u l t ，t h e c o m p l e xg r o u n d i n gf a u l tw i t hi n t e r r u p t i o na n df a u l t - p h a s es h o r tc i r c u i tf a u l t t h i s p a p e rm a d ec u r r e n ta n a l y s i sf o rt h ef e e d e rs h o r tc i r c u i tf a u l t ，t h ec o m p l e xg r o u n d i n g f a u l tw i t hi n t e r r u p t i o na n df a u l t p h a s es h o r tc i r c u i tf a u l t ，a n dt h e nf i g u r e do u tt h e p r o t e c t i o nc o n f i g u r a t i o no ft h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e me o r r e s p o n dw i t ht h e s e f a u l t s a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o ns t a t i s t i c s ，s h o r tc i r c u i tf a u l ti st h em a j o r i t y , a n dt h e d i s t a n c e p r o t e c t i o ni s t h em o s te f f e c t i v ep r o t e c t i o nm o d et oa v o i di t a st h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni m p e n d e n c eo ff u l lp a r a l l e la tt r a c t i o nn e t w o r ka n dd i s t a n c ei s n o n l i n e a r , t h ef e e d e ro ft r a c t i o nn e t w o r ks h o u l dn o to n l yc h o o s et h ed i s t a n c e i i 武汉理工大学硕士学位论文 p r o t e c t i o na st h em a i np r o t e c t i o n , b u ta l s ou s et h ec u r r e n tq u i c kb r e a k i n gp r o t e c t i o n , t h ec u r r e n ti n c r e m e n tp r o t e c t i o na n do v e rc u r r e n t p r o t e c t i o na s t h e b a c k - u p p r o t e c t i o n b e c a u s eo fi t ss p e c i a la d v a n t a g e ，t h ed i s t a n c ep r o t e c t i o ni sa l w a y st h em a i n p r o t e c t i o ni nc h i n a se l e c t r i f i e dr a i l w a yf e e d e rp r o t e c t i o n c o n s i d e r i n gs o m eo fi t s d e f e c t s ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h ei d e at oa p p l ya n n ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) i n t od i s t a n c ep r o t e c t i o na n db u i l dt h ed i s t a n c ep r o t e c t i o nm o d e lb a s e do na n n f i n a l l y , t h i sp a p e rr e p o r t st h es i m u l a t i v er e s u l to ft h i sn e wm o d e lo fa n n n u m e r o u ss a m p l e sf i r s t l ya c q u i r e df r o ms i m u l a t i n gah i g h - s p e e d r a i l w a yt r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e m 、析t ha t p , a n dt r a i n e dt h ea n n m o d e le s t a b l i s h e db yt h em a t l a b n e u r a ln e t w o r kt o o l b o x e s a c c o r d i n gt ot h e s es a m p l e s ，t h er e l i a b i l i t yo fa n nm o d e l i sv e r i f i e d t h es a t i s f a c t o r yr e s u l ts i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ea d a p t i v ed i s t a n c e p r o t e c t i o nb a s e do na n ni sp r o m i s i n ga n dt h er e s e a r c hd e v e l o p i n g v a l u eo f a p p l i c a t i o nw i l la l s om a k eg r e a t e rp r o g r e s si nt h ef u t u r e t h es c h e m ew i l lb eb r o u g h t t oc e n t e rs t a g ea n dm a k e g r e a t e rp r o g r e s si nt h ec o m i n gy e a r s k e yw o r d s ：h i g h - s p e e d - r a i l w a y ；t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ；f e e d e rp r o t e c t i o n ； a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：邋 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生( 签孙埤导师( 签孙逊盥日期1 护 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的目的和意义 自从我国1 9 6 1 年开通第一条电气化铁路以来，我国电气化铁路经历了从起 步到缓慢发展再到快速发展的过程。根据国家发展和改革委员会( 2 0 0 4 ) 1 5 9 号 文件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n - 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。 高速铁路牵引供电系统的安全可靠运行是保证列车安全运行的前提。在保证牵 引供电系统安全可靠地向列车供电方面，供电系统的保护发挥了极其重要的作 用，一方面在正常运行状态下，应满足列车运行的要求，另一方面在牵引供电 系统发生故障的情况下，应有选择地迅速切除故障，以保证列车、设备、旅客 的人身安全。 在牵引供电系统中装设的保护大体分为三种：主变压器保护，馈线保护， 其它保护州司嘲口1 。馈线保护是其中一个重要单元，在牵引变电所保护中起着重 要作用。这是由于牵引供电系统馈线工作条件比电力网复杂、恶劣得多，牵引 供电系统馈线是牵引供电系统中最容易发生故障的点，给运输带来很大影响。 因此研究如何提高牵引网馈线保护的快速性和可靠性，使牵引供电系统发生短 路故障时能快速、准确地切除故障，减少故障影响范围，并通过线路重合闸或 投入备用电源尽快恢复供电，保障电力机车正常运行，对我国国民生计有重要 意义。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外发展情况 在国际上，日本高速电气化铁路发展很快，用于切换到馈线距离保护继电 器其保护区可随馈线供电状况不同而自动调整数值大小；为防止负荷中高次谐 波及励磁涌流对保护的影响，开发了高可靠性的交流电气化铁路馈线保护装置。 德国西门子公司开发的牵引自动化系统已在我国哈大线上运行，其用于馈线保 护的7 s a 5 1 9 模块设有远距离保护、过电流速断保护、热过负荷保护等保护。法 国的交流电气化铁路馈线保护也具有很好的保护功能嘲侧胁删。 随着我国电气化铁道的迅猛发展，电气化铁道微机保护装置的研制开发在 许多公司开展起来。如国电南京自动化股份有限公司、天津东方凯发电气自动 化技术有限公司和成都交大许继电气有限责任公司等。由国电南自开发的 w x b - 6 5 a 微机馈线保护测控装置、天津东方凯发研制开发的d k 3 5 2 0 电铁馈线保 护测控装置和交大许继研制开发的w k h - 8 9 2 型电铁馈线保护装置已经在我国铁 路上得到了广泛应用协m 儿1 0 1 。它们一般都设有阻抗保护、电流速断保护、电流增 量保护、过电流保护、一次自动重合闸和故障测距功能。这些保护装置的距离 保护大多采用四边形特性继电器，也有采用透镜型特性、扇形特性等动作特性 的继电器，不同特性的继电器都具有不同的特点，其中四边形特性具有较好的 保护作用，受到大部分厂家的采用。而电流增量保护作为最主要的后备保护， 对经过过渡电阻短路的故障起到很好的作用。 随着计算机技术的发展，目前，一些新技术开始应用在继电保护领域，如 自适应技术、小波分析、神经网络、模糊控制等。这些新技术的应用，也为高 速铁路牵引供电系统馈线保护带来了新的思路和方法汹椭瑚1 嘲。 1 3 本文完成的主要工作 本论文主要工作是研究高速电气化铁路牵引供电系统馈线保护。第二章介 绍了电气化铁路供电系统及其负荷特点；第三章分析了牵引供电系统馈线故障 并提出了馈线保护配置。第四章在总结了我国传统馈线保护原理的基础上，尝 试将人工神经网络引入到馈线保护中，并建立了基于人工神经网络的馈线保护 模型。论文完成的工作有： ( 1 ) 对牵引供电系统的组成进行了介绍，包括变电所变压器接线方式、供 2 武汉理工大学硕士学位论文 电系统的供电方式、牵引网的供电方式，提出了一种适合高速铁路的牵引供电 系统，即变电所变压器采用v v 接线方式，牵引网采用全并联a t 供电方式。并 在此基础上建立了牵引供电系统一个供电臂的电气模型作为研究对象。 ( 2 ) 分析了各种馈线故障情况下的电流特性，根据高速铁路供电系统的要 求，提出了馈线保护的保护配置：在牵引变电所设置二段距离、电流速断、过 流、电流增量保护和一次自动重合闸功能；在分区所设置一段距离、失压、过 流、电流增量保护；在a t 所设置失压保护和一次自动重合闸功能。该保护采用 常规的微机保护，能够满足高速铁路牵引供电系统的馈线保护要求。 ( 3 ) 在已有馈线保护原理分析的基础上，提出了将人工神经网络应用于馈 线保护的方法，并建立了基于人工神经网络的馈线保护模型，通过仿真数据对 该神经网络模型进行训练，经过检验，得到了满意的结果，证明了方法的可行 性。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章高速铁路牵引供电系统及其负荷特点 2 1 电气化铁路牵引供电系统概况 电气化铁路牵引供电系统由牵引变电所( 包括分区所、开闭所、a t 所) 、牵 引网( 包括馈电线、接触网、钢轨、回流线等) 、电力机车等组成。电气化铁道 牵引供电系统如图2 - 1 所示。牵引供电系统由电力系统提供l l o k v 或2 2 0 k v 三 相交流电，由牵引变电所将l l o k v 或2 2 0 k v 交流电变成2 7 5 k v 单相交流电，通 过牵引网给电力机车供电。通过分区所实现越区供电和上下行并联供电。 图2 - 1 电气化铁道牵引供电系统 牵引变电所：主要是将电力系统提供的l l o k v 或2 2 0 k v 三相交流电变成 2 7 5 k v 单相交流电，然后通过牵引网向电力机车供电。 分区所：设置在两个牵引变电所之间，通过越区开关实现越区供电，通过 上下行联络开关实现上下行并联供电，提高牵引供电系统的可靠性。 开闭所：一般设置于需送出多路馈线的枢纽站场附件，将牵引变电所牵引 母线上一路或两路馈线按需向分组接触网供电。 4 武汉理工大学硕士学位论文 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。电力机车通过机车受电弓和接触网的滑动接触来获 得牵引动力。 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。 轨道：在电气化铁道供电系统中，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：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。 分相绝缘器：又称电分相，串联在接触网中，目的是把两相不同的供电区 分开，并使机车光滑过渡，主要用在牵引变电所出口处和分区所处。 分段绝缘器：又称电分段。分为纵向电分段和横向电分段，前者用在线路 接触网上，后者用于站场各条接触网之间。通过其上的隔离开关将有关接触网 进行电气连通或断开，以保证供电的可靠性、灵活性和缩小停电范围以及便于 检修等。 供电分区：正常供电时，由牵引变电所馈线到接触网末端的供电线路组成， 也称为供电臂。 2 1 1 牵引变电所变压器接线方式 高速铁路牵引负荷是单相、剧烈变化的负荷，牵引主变压器的选择除了应 满足容量大、并列运行、能耗小和过负荷能力强等要求之外，还应遵循有利于 改善牵引变电所高压侧的负序、提高牵引变压器容量利用率和降低牵引变压器 电压损失的原则。在我国，由于a t 供电方式供电臂加长，两侧负荷加大，负序 电流也相应增大，因此，a t 供电方式下牵引主变压器主要采用以下几种接线方 式：单相接线方式、三相一两相接线方式和三相接线方式。 ( 一) 单相接线 采用副边绕组带中点抽头的单相牵引变压器，如图2 2 所示，原边绕组接 入三相电力系统的a 、b 相。副边绕组出线端子a 、x 分别接到两组5 5 k v 牵引母 线上。两组牵引母线分别通过馈电线向变电所两侧供电臂的牵引网供电。其优 点是：牵引变压器的容量利用率可达1 0 0 ；主接线简单，设备少，占地面积小， 5 武汉理工大学硕士学位论文 投资省等。其缺点是：不能供应地区和牵引变电所三相负荷用电；对电力系统 的负序影响最大；对接触网的供电不能实现两边供电。 a l h bl 厂j t r f 图2 - 2 单相接线 ( 二) 三相一两相接线 三相一二相接线方式有很多，我国应用最多的是斯科特( s c o o t ) 接线，如 图2 - 3 所示：l 为三相送电线路；2 为斯科特接线牵引变压器；3 为自耦变压器； 4 为a t 供电方式牵引网；t 为接触网；r 为轨道；f 为正馈线。其优点是：当两 供电臂电流相等且功率因数相同时，原边三相电流对称；变压器容量能全部利 用：可产生三相对称电压供牵引变电所的自用电。其缺点是：变压器制造难度 大，造价较高；变电所主接线复杂，设备较多；中性点难以引出，无三角形绕 组回路，电压波形较差；原边接点的电位随负载变化而产生漂移；分相绝缘器 两端的电压较高，加重绝缘负担。 a b c t r f i 图2 - 3 斯科特接线 6 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 三) 三相三绕组十字交叉接线 如图2 - 4 所示，该牵引变压器有一个y n 接线原边绕组：有两个容量相同、 电压相等、分别为d l l 和d l 接线的副边绕组。两个副边绕组对顶( c l 、a 2 ) 接 成十字交叉方式；副边端子b 2 、a l 和b l 、c 2 分别接到两组5 5 k v 牵引母线上副 边对顶端子c l 、a 2 ( 十字交叉点) 接到n 母线上。其优点是低压侧保持三相， 有利于供应牵引变电所自用电和地区三相电力；能很好的适应山区单线电气化 铁路牵引负载不平衡的特点。主要缺点是牵引变压器的容量不能得到充分利用。 0cba t r f 图2 - 4 十字交叉接线 ( 四) v x 接线 v x 接线牵引变压器是三绕组变压器，每相有2 个次边绕组，次边绕组的匝 数是v v 接线牵引变压器的2 倍。连接接触网的次边绕组是t 绕组，接正馈线 的次边绕组是f 绕组。v x 接线是将v v 接线和a t 方式纯单相接线的技术进行 整合，在变压器的设计和制造方面比斯科特、十字交叉接线都要简单。其优点 主要是容量利用率为1 0 0 ，而且可以供给所内及地区三相负荷，对牵引网可以 实现双边供电。主要缺点是当一台牵引变压器故障时，另一台进行跨相供电， 中间需要一个倒闸过程。 7 武汉理工大学硕士学位论文 c t 2 f l 图2 - 5v x 接线 2 1 2 牵引供电系统的供电方式 a t l 交流牵引供电系统可采用的供电方式主要有4 种：直接供电方式，b t ( 吸 流变压器) 供电方式，a t ( 自耦变压器) 供电方式和c c ( 同轴电缆) 供电方式。 在高速电气化铁路中主要采用的是a t 供电方式，个别线路采用的是a t 和直接 供电相结合的供电方式。以下分别介绍这两种供电方式。 ( 一) 直接供电方式 这是一种最简单的供电方式，如图2 - 6 所示，在线路上机车供电由接触网1 和钢轨2 直接构成回路，对通信干扰不加特殊防护措施。其特点是：供电方式 简单，投资最省，牵引阻抗较小，能损也较低。由于钢轨与大地不是绝缘的， 一部分回流由钢轨流入大地，因此对通信线路产生感应影响。 2 图2 - 6 直接供电方式 为增强直接供电方式的防干扰性能，用直接供电加回流线( 负馈线) 的供 电方式，简称为d n 供电方式，如图2 - 7 所示。由图2 7 可知，d n 供电方式是由 接触网、钢轨、沿全线架设的负馈线n f 组成。由于n f 和钢轨并联连接，使得 正常运行时钢轨中负荷电流的一部分贫流到n f 中去，因此，可以减少流入大地 8 武汉理工大学硕士学位论文 的电流，减轻对通讯的干扰危害，降低钢轨电位，减小馈电回路的阻抗。另外， 当绝缘子闪络时，n f 线可起到回归短路电流的作用，即具有保护线( p w ) 的特 性。 图2 - 7 带回流线的直接供电方式 ( 二) b t 供电方式 b t ( b o o s t e rt r a n s f o r m e r ) 供电方式在牵引网中设吸流变压器一回流线装 置的一种供电方式，如图2 - 8 所示。吸流变压器的变比为l ：1 ，它的一次绕组 串接在接触网中，二次绕组串接在专为牵引电流流回牵引变电所而特设的回流 线中。其原理是：由于吸流变压器的变比为l ：1 ，当吸流变压器的一次绕组流 过牵引电流时，在其二次绕组中强制回流通过吸上线流入回流线。由于接触网 与回流线电气空间距离很近，流过的电流大致相等，方向相反，因此对邻近通 信线路的电磁感应绝大部分被抵消，从而降低了对通信线路的干扰。 变电所b tb t 厂一、v ，y 一、r 、厂、，、， 、 1i l i ii 卫onn 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 4 为牵引供电系统中牵引变电所的主接线图。牵引变电所主接线为“双 t ”接线，接有互为备用的两路2 2 0 k y 电源线路；主变压器按采用v v 接线，设 置四台单相牵引变压器设计，为固定备用方式，两台运行，两台固定备用，设 有备用自动投入装置。正常时由一路电源通过任一v v 接线的两台主变向牵引 供电系统供电，当该电源线路失压或其中一台主变故障时，另一电源或两台主 变自动投入，使牵引供电系统恢复供电。 2 2a t 供电牵引网的阻抗计算 牵引网电阻包括接触网的电阻、钢轨的电阻以及大地回路的电阻等。具有 不同结构的牵引网和不同的供电方式，牵引网的阻抗值也随之变化。a t 供电方 式的牵引网阻抗不是一种均匀分布参数，折算到接触网电压的a t 网络阻抗由两 部分组成：一部分是长回路阻抗，即为线性部分的单位阻抗；另一部分是由于 列车处于a t 段中间而出现的牵引网阻抗中的增量部分。假设条件： ( 1 ) 将全部导体设为均质导体： ( 2 ) 不计自耦变压器的励磁电流，即设i o - - 0 ( 3 ) 不计自耦变压器的绕组电阻，而设绕组漏抗x 叮1 = x 叮z ： ( 4 ) 不计轨道对地的过渡阻抗z r ，即设轨道对地绝缘。 考虑到钢轨对地漏导和a t 漏抗相互抵消的作用，即可忽略钢轨对地漏导和 a t 的漏抗：双线的情况下不考虑上下行之间的互感，不考虑保护线。下面分别 介绍单线、两端并联的双线和全并联牵引网的阻抗计算。 2 2 1 单线a t 牵引网的阻抗 单线a t 牵引网的简化等值电路如图2 - 1 5 所示，假设计算距离牵引变电所厶 处的牵引网总阻抗，则可按z - 、z 2 、z ，的等值阻抗经串、并联后求得为： z ，：z i ，l + z 2 x z 2 ( d - x n ) + z 3 d n + 竺( ，。一勋) ( 2 1 ) ( z 2 + z s ) d z 2 + z s 式( 2 一1 ) 中，右端第二项为图2 - 1 5 中的a b 段与b e 、d e 段并联后的阻抗。 右端三项为图2 一1 4 中的a f 段与e g 段并联后的阻抗。将上式进行整理化简得 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 z - = 别n + z l ( 一期洳 ( 2 - 2 ) 其中， z i = 去( 历+ 孙一z 豫一孙) ；z 2 = 历+ 寺( 历一3 孙一孙一孙) ； z 。= 丢( z f 一历) + 三( z 豫一z 矗) ；乙= z - + 丽z 2 2 3 ，为长回路阻抗；z = 丽z 2 2 ， 为段中阻抗。z r 为接触网白阻抗，z r 为钢轨自阻抗，历为馈线自阻抗，z r v 为 接触网与正馈线间互阻抗，z r v 为轨道和正馈线间互阻抗，z r r 为接触网与轨道 间的互阻抗。勘为列车在段中至。点的长度，眈为列车所在a t 段长度。 n 厶上 z 2 、 fabc y x n z 3 g e i ) n d 图2 - 1 5 单线a t 牵引网简化等值电路 2 2 2 两端并联的a t 牵引网阻抗 双线上、下行并联供电的等值a t 网络如图2 - 1 6 ，双线并联供电牵引网的阻 抗为： 乙= 乙2 l - i * i + z , l 2 l( t 一去) 洳 协3 ， l眈 式( 2 3 ) 中，型妄生为列车电流分配系数，其它各阻抗的含义与算式，均 与单线区段a t 网络牵引网阻抗算式相同。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 7 l 、 l n 口i i d 、i ， x n pl d n s p s l 图2 - 1 6 双线a t 并联网络的等值电路 2 2 3 全并联a t 牵引网阻抗 由于a t 网络是多网孔的复杂电路，这给牵引网阻抗的计算带来极大的不便。 一般是先找出折算到a t 二次侧的a t 网络等值电路：再将该等值电路中的互感 消去，便得到没有互感的a t 网络等值电路；在以上假设条件成立的情况下得到 最简化的a t 网络等值电路。 l 2 u i l乙 t r a t l 一i 。a t 2 图2 一1 7 全并联a t 牵引网原电路等着电路 采用a t 供电方式时，根据以上假设条件，可以作出牵引网原电路等值电路， 如图2 一1 7 所示。图中u 一接触网电压；，一列车牵引电流；z r 、丕、z f 一分别为 接触网( t ) 、轨道( r ) 、正馈线( f ) 与地回路间的单位长度自阻抗；z r n 、z 矗、 z 靠一分别为接触网与轨道( t r ) 、轨道与正馈线( r f ) 、接触网与正馈线( t f ) 对地回路间的单位长度互阻抗；在电压2 u 作用下，接触网和馈电线回路间的单 位长度电压降为： 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 u ：，i z r - z w + ，2 z t r - - z r f + ，3 z n p - - z f( 2 4 ) 222 根据戴维南定理，消去a t ，即将电路归算至次边低压侧( w 2 ) ，归算后如图 2 - 1 8 所示，电源电压2 u 降为戴维南等值电源电压( 开路电压) u ，馈电线由 f 变为等值导线f ，馈电线电流由，增为i 3 = 2 1 3 。牵引网电路原来为有源三端 网络，但如果从接触网和轨道向变电所的方向看去，则为有源二端网络，即有 一个输出端口。 z 一i 。 p a t l a t 2 a t 3a t 4 图2 - 1 8 消去a t 的牵引网电路 在等价变换过程中，有戴维南等值阻抗( 输入阻抗) ： 磊= j o 5 彳c r l ( 2 - 5 ) 双绕组变压器( 以串联绕组w 1 为原边，公共绕组w 2 为次边) 归算到次边 的漏抗为： x = x 一- w 亓2 ) 2 + x ，：= 2 x a r l 自耦变压器归算至低压侧的漏阻抗： 磊：( 1 一三) 2 x = j o 2 5 x ：j o 5 x 口l 咒 磊= z s 1 9 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 武汉理工大学硕士学位论文 即证明戴维南等值阻抗就等于自耦变压器漏阻抗。 在日本的技术标准中，自耦变压器的平均阻抗参数( 5 0 h z 时) 如下： 归算高压侧时，绕组漏抗x g , = 1 8 q 归算低压侧时，绕组漏抗2 = x g l n 2 = 0 4 5 q 串联或公共绕组漏抗x 口l = x 口2 = 2 x 9 2 = 0 9 q 由图2 - 1 7 可以看出，变换后的线路单位长度电压降为 a u = l l ( z r z 知) + ，2 ( z ，豫一z 缸) + ，3 ( z 知一z _ ) ( 2 9 ) 已知1 7 3 = 2 1 3 ，且z r = z r ，z k = z r ，z h = z h ，在式( 2 - 9 ) 中，才有比较系数 法，求得： 得 z ，f = 丢( 2 历+ 孙+ 压) z 靠= 三( 历+ 孙) ( 2 - 1 0 ) z k = 三( 孙+ 孙) 去耦之后，线路电流不变，即1 2 = h 。同时，由广义基尔霍夫定律( k c l ) j l + ，2 + 1 3 = 0 消去互感前，运用式( 2 - 1 1 ) ，可由回路1 、回路2 列电流方程组 ( 2 1 1 ) j ，i ( z _ + z k z ，豫一z b ) 一1 3 ( z + z k z k z k ) = a u ( 2 - 1 2 ) i1 2 ( z + z 知一z ，豫一z 缸) 一1 3 ( z f + z ，豫一z 拓一z 缸) = 0 消去互感后，在图2 - 1 9 中，可得等价的回路l 、回路2 电流方程组 f i q z r i 3 z f = a u i l i 2 z r - i 3 z v = o ( 2 - 1 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 r - a t l a t 2a t 3a t 4 图2 1 9 消去a t 和互感的牵引网络 在式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 中，采用比较系数法，求得 i z l = z 7 - + z k z k z 红 z 2 = z 名+ z 。知一z 蠢一z k ( 2 - 1 4 ) i z 3 = z f + z ，豫一z 知一z 缸 将式( 2 - 1 0 ) 代人( 2 - 1 4 ) ，求得： z 卢三+ 孙一孙一孙) z z = 丕+ 丢( 历+ 孙一孙一3 z r r ) ( 2 - 1 5 ) z ，= 丢( z f 一历) + 三( z 豫一孙) 2 3 牵引负荷模型及分析 2 3 1 电气化铁路牵引负荷的特点 电气化铁路负荷与工农业输电线路有很大的不同，在分析牵引网故障与馈 线保护时应加以考虑，主要表现在： ( 1 ) 电气化铁路负荷是一个单相负荷，相接于接触网与钢轨之间，在牵引 系统中，设备是单相的( 单相单极或单相双极) ，这种大功率单相整流型负荷， 由于具有不对称、非线性和波动性的特点，在其运行过程中所产生的负序电流 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 和谐波电流注入电力系统后，必然会引起三相电压不对称、电压波形畸变和电 压波动，从而对电能质量产生一定的影响，严重时还会危及电力系统的正常运 行。 ( 2 ) 电气化铁路负荷是电力机车，而电力机车是沿着铁路线在移动的。随 着机车牵引列车的数量多少，列车的重量变化，线路的坡度变化，电气化铁路 负荷是在变化的。比如，牵引列车满载时，列车数量多，速度高，上坡时，此 时的负荷就很大。反之，负荷小，甚至没有负荷。并且，负荷变化是随机的， 其平均负荷可能不很大，但短时负荷有可能达到很大。 ( 3 ) 高速铁路电气化铁路采用交一直一交机车或动车组，机车在起动、牵引 调速、再生制动等工况之间转换的过程中，牵引变电所感知的电气参数有很大 的差异，可能会影响到牵引网馈线保护的动作行为。 ( 4 ) 接触网是没有备用的设备，而且工作条件恶劣，机械上不断受到机车 受电弓的摩擦与振动，电气上受到机车取流时电火花的烧灼，大气气象条件变 化的影响，即使经过污秽地区也无法避开。因此，防污要求比一般电力系统更 高。接触网的污秽等级只有轻污区与重污区之别，没有清洁区。在隧道内要求 还要高。在这样恶劣的条件下工作，接触网发生故障的次数比一般电力系统多 得多。 依上可见，电气化铁路负荷变化剧烈的特点是独一无二的。此外，牵引网 短路事故或断线事故也大大多于工农业的输电线路。电气化铁路的这些特点对 铁路电气设备提出了特殊的要求。 2 3 2 交一直一交电力机车概述 交流异步牵引电力机车是指利用各种变流器供电的异步或同步电动机作为 动力的机车和动车组，具有优异的运行性能和牵引特性，主要体现在： ( 1 ) 功率大、体积小、重量轻、运行可靠。异步电动机没有换向器和电刷 装置，它不受换向器电机中所谓的电抗电势与片间电压的限制，能以更高的转 速运行； ( 2 ) 结构简单，维修工作量小，环境适应能力更好； ( 3 ) 有良好的牵引性能。合理地设计系统地调频调压特性，可以实现大范 围地平滑调速；异步电动机地硬机械特性有助于提高黏着利用率并有防止空转 地能力：此外，异步电动机过载能力强，可有更大地启动力矩。因此，客运专 武汉理工大学硕士学位论文 线中使用的机车主要为交一直一交机车或动车组。 2 3 3 交一直一交机车的构成 交一直一交机车电路按作用可分为主电路、控制电路和辅助电路三个部分。 主电路是由牵引变压器、牵引变流器、牵引电动机等主要部件构成，如图2 - 2 0 所示。受电弓将2 5 k g 、5 0 h z 的交流电能送到主变压器的高压绕组，3 个副边绕 组给牵引变流器的3 台脉冲整流器供电。脉冲整流器能在四象限内按照脉宽调 制方式工作，维持中间直流电压恒定，并且消除接触网侧的谐波电流，使基波 电流与电网电压保持同相位。p w m 逆变器将中间直流回路的恒定直流电压变换为 频率与幅值均可独立调节的对称三相交流电。牵引时，电能通过电机变换成机 械能：再生时，主电路不作任何改变，只需通过控制装置使滑差为负即可实现 再生制动。 图2 - 2 0 交一直一交电力机车主电路 控制电路实现对机车的控制。最基础的环节是交流传动电机驱动控制，实 现对机车调速特性的控制。即根据不同的运行状态和负载变化情况，选择异步 电机相应的自然特性及其上的稳定工作点。目前，交流电机的控制可分为转差 频率控制、磁场矢量定向控制、直接转矩控制等几种。 2 3 4 交一直一交电力机车的特性 如图2 - 2 1 是交一直一交电力机车的牵引特性和制动特性示意图。从启动至 5 一l o k m h 为低速区，在这一区段内要求牵引力能克服启动阻力，以保持足够的 加速度。此时，粘着系数最大，牵引力也最大。启动段对电机一般采取恒磁通 武汉理工大学硕士学位论文 控制，以保证电机有大的恒定牵引力。 1 0 v e v ( k m h ) 图2 - 2 1 交一直一交电力机车的特性 随着运行速度的提高，列车的粘着系数将减小，为防止黏着破坏引起打滑， 牵引力随着运行速度的提高而降低。在这区段，改变电机的工作点，如减小转 差频率值，使电机的力矩变小，从而达到使机车牵引力下降的目的。 在恒功率区，牵引力与速度成反比。当机车达到额定速度v e 时，使转差率 s = 常数，机车和电机都恒功率运行。 再生制动时，通过控制电机的转差频率使其