（电力系统及其自动化专业论文）高速铁路供电系统保护配置.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t h i g h s p e e d r a i l w a ye x i s t s i nt h ew o r l df o r4 0y e a r s ，b u ti ti s p l a n e do u ta t p r e s e n ti n c h i n a i ti sc e r t a i nt h a th s rw i l lb ec o n s t r u c t e di nc h i n ai nt h en e a r f u t u r e a s as t a r to fc h i n e s eh s rc o n s t r u c t i o n ，t h e q i n h u a n g d a o s h e n y a n g h i 曲一s p e e dr a i l w a ys p e c i a lf o rp a s s e n g e rt r a n s p o r th a sb e e nc o n s t r u c t e dw i t ht h e h i g h e s tt e s t s p e e d3 2 1 8 k m h i ti sag o o df o u n d a t i o nt oc o n s t r u c tb e i j i n g - s h a n 曲a i h s rw i t h r u n - s p e e d o v e r 3 0 0 k m h s a f e t y i s a l w a y si m p o r t a n t f o r r a i l w a y t r a n s p o r t a t i o n s i ti sap r e c o n d i t i o nt h a tt h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mo p e r a t e s s a f e l ya n dr e l i a b l yt oe n s u r et h et r a i nr u n n i n gs a f e l y t h ep r o t e c t i o no ft h ep o w e r s u p p l ys y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l et oe n s u r et h es y s t e mf e e d i n gt h et r a i ns a f e l y a n d r e l i a b l y c o m p a r i n g w i t l lt h er e g u l a r s p e e dr a i l w a y , h s rh a sh i g h e rs p e e d m o r e p o w e r a n da c - - d c - a cl o c o m o t i v ew i l lr u no nt h el i n e t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sw i l l b r i n gf o r w a r dn e wd e m a n d st ot h ep r o t e c t i o no ft h es y s t e m t oe n s u r et h ep o w e r s u p p l ys y s t e mo p e r a t e ss a f e l y , t h e r e i sab i gs t e pt og oa tt h et e c h n o l o g y n e e 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 s t h a tt h ef a u l tr a t i o so fp o w e r s u p p l yn e t w o r k sa n dt r a c t i o nt r a n s f o r m e r 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 s a n dt h ew r o n g o p e r a t i o n o 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 r s u p p l y s y s t e m sb yr 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 t l e v e l s i nt h et h e s i s ，t h ea u t h o r p a y s a t t e n t i o nt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fh s rp o w e rs u p p l y s y s t e m a n dn e w r e q u e s t s ，d i f f i c u l t i e si tb r i n g st o t h ep r o t e c t i o n t h ep u r p o s ei st o s y s t e m a t i c a l l y s t u d yt 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 ra n dt r a n s f o r m e ri nt r a c t i o np o w e rs u p p l y s y s t e m so fh s r a n dt or e s o l v es o m et e c h n i c a lp r o b l e m sf o rt h ec o n s t r u c t i o no f c h i n e s eh s ra n dt o i m p r o v et h ep r e s e n tp r o t e c t i v ep r i n c i p l e s ，f u n c t i o n s a n d r e l i a b i l i t y o n t h eb a s i so fp r o t e c t i o nb a s i cr e q u i r e m e n t ( s e l e c t i v i t y , s e n s i t i v i t y , s e c u r i t y , s p e e d i n e s s ) a s e to fp r o t e c t i o ns c h e m ei sb r o u g h tf o r w a r da d a p t i v et oh s r ， i nt h i s t h e s i s ，f i r s t l y , a u t h o rs i m p l yi n t r o d u c e st h ec o m p o s i t i o no ft r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e ma n di t s o p e r a t i o np r i n c i p l e s t h ea c - d c - a c l o c o m o t i v ei s s i m u l a t e db yt h et o o l sm a t l a b s i m u l i n k o nt h eb a s i so fh s r o p e r a t i n gf e a t u r e s ，t h e r e f u s i n go p e r a t i o na n dw r o n go p e r a t i o nm e c h a n i s mo ft h ef e e d e rp r o t e c t i o no f t h e l i n eo nw h i c ht h ea c - d c a cl o c o m o t i v ei s a d o p t e di sa n a l y z e di n d e t a i l t h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第| ii 页 s i t u a t i o no fr e g e n e r a t i v eb r a k eo ft h ea c d c - a cl o c o m o t i v ei s s p e c i a ld i s c u s s e d a n dt h ei n f l u e n c et ot h ep r o t e c t i v ed e v i c ei sa n a l y z e di nt h e o r y f o rd i f f e r e n tl i n e s ， t h em a i n p r o t e c t i o n o ft h ef e e d e r p r o t e c t i o n ，d i s t a n c e p r o t e c t i o n ，o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i ci sd i s c u s s e da n dt h ef e e d e r p r o t e c t i o ns c h e m e i sp r e s e n t e da l s o s e c o n d l y , a u t h o ri n t r o d u c e st h ep r o t e c t i o nm e t h o d so ft h et r a c t i o nt r a n s f o r m e r a n dp o i n t so u tt h a tt h ek e yi s s u eo ft h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ni sh o wt od i s t i n g u i s h t h ef a u l tc u r r e n ti n s i d ea n dm a g n e t i z i n gi n r u s h t h e nt h e m a g n e t i z i n gi n r u s hi s s i m u l a t e dw h e nt h et r a n s f o r m e ri sc l o s e da tn ol o a d b a s e do nt h e r e s u l t s ，t h e m a g n e t i z i n g i n r u s ha n df a u l tc u r r e n ta r ed i f f e r e n t i a t e d t h e c h a r a c t e r i s t i c ，t h e o r ya n d d i s a d v a n t a g e o ft h et r a n s f o r m e r p r o t e c t i o nt h e o r y b a s e do n e l e c t r o m a g n e t i s m c h a r a c t e ri sd i s c u s s e d o nt h eb a s i so f i t ，t h er a t i oo fv o l t a g ea n dc u r r e n td i f f e r e n t i a l i su s e dt o d i s t i n g u i s hw h e t h e rt h et r a n s f o r m e rh a sm a g n e t i z i n gi n r u s ho rf a u l t c u r r e n ti n s i d e b yt h em e a n so fs i m u l a t i o nt ot h es i n g l e p h a s et r a n s f o r m e r , i ti s p r o v e d t h a tt h et h e o r yi sc o r r e c t t h e nf o r t h et r a n s f o r m e r ，as e to f p r o t e c t i o ns c h e m e i sp r e s e n t e d f i n a l l y t h ec o o p e r a t i o no ft h ef e e d e rp r o t e c t i o na n dt r a n s f o r m e rp r o t e c t i o ni s d i s c u s s e d k e y w o r d s ：h i g h s p e e d - r m l w a y ，p r o t e c t i o ns c h e m e ，t r a c t i o np o w e rs u p p l y , f e e d e r ， t r a n s f o r m e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第l 章绪论 1 1 研究背景及意义 当前，交通运输能力是制约我国国民经济发展的最主要“瓶颈”之一。而 高速铁路是解决这一矛盾的最佳选择。国外铁路发展证明，高速铁路具有速度 快、运能大、安全好、占地少、节省能源、利于环保和经济效益显著等一系列 优点，是世界铁路的共同发展趋势，因而引发了一场交通革命，并成为交通史 上的一个重要里程碑。我国修建高速铁路条件成熟，势在必行。秦沈客运专线 作为我国高速电气化铁路的一个重要试验基地，为即将上马的京沪高速等铁路 作着技术铺垫。 安全是铁路运输永恒的话题，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及其重要的作用，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m 9 3 。 高速电气化铁路中，保护的配置是个至关重要的问题，配置的好，可以使 得线路出现故障时，保护能动作，不致于扩大事故范围，如果在某些情况下， 保护不动作，将造成扩大事故，甚至出现线断车翻的后果。所以对保护的配置 应重视起来。具有快速性、可靠性、选择性、灵敏性的继电保护，是高速铁路 牵引供电系统安全供电的可靠保证。本文以高速铁路供电系统为研究对象，从 理论上系统的研究牵引网馈线保护，变压器保护的配置无疑具有重要的理论和 实际意义。 1 2 国内外研究现状 自电气化铁路出现以来，牵引供电系统的保护一直是最受关注的研究领域 之一，世界各国的牵引变电所主接线型式、牵引变压器的接线方式、供电方式、 接触网的悬挂方式、电力机车的变流与控制模式各有不同，牵引供电系统的保 护及配置也就各不相同。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 1 国外研究情况 国外高速铁路的牵引供电系统。”1 自1 9 6 4 年1 0 月1 日日本建成开通世界上第一条高速铁路以来，经过几十 年的实践和发展，各国高速铁路的牵引供电系统都有了很大的改进，达到了很 高的水平，而且都各具特色。最具有代表性的是日本、法国和德国高速铁路的 牵引供电系统。 牵引供电方式 高速铁路要求接触网受流质量高，分段和分相点数量少。目前各国大多采 用自耦变压器( a t ) 供电方式和带回线的直接( r t ) 供电方式。日本、法国采 用a t 供电方式；德国、意大利和西班牙采用r t 供电方式。a t 供电方式的优点 是：供电质量高、变电所数量少、便于牵引变电所选址和电力部门的配合、牵 引变电所间距大、分相点少。因此，便于高速列车运行，防干扰效果也好。 电源电压等级 高速铁路负荷电流大，对电力系统的不平衡影响也大，为了减少对电力系 统的影响，高速铁路一般都采用较高的电源电压。日本采用1 5 4 千伏、2 2 0 千 伏和2 7 5 千伏三种电压等级，德国采用1 1 0 千伏电压等级，意大利采用1 3 0 千 伏电压等级，西班牙采用1 3 2 千伏和2 2 0 千伏两种电压等级。 接触网电压 接触网的电压对电力机车功率发挥及机车运行速度有很大影响，而且直接 关系到牵引供电设备技术参数的选定和供电系统的工程投资，各国都非常重视 这一技术标准。日本接触网的标准电压为2 5 千伏，最高电压为3 0 千伏，最低 电压为2 2 5 千伏。法国分别为2 5 千伏、2 7 5 千伏和1 8 干伏。德国分别为1 5 千伏、1 7 千伏和1 2 千伏。西班牙分别为2 5 千伏、2 7 5 千伏和1 9 千伏。意大 利采用直流供电，分别为3 千伏、3 6 千伏和2 千伏。 接触网悬挂方式 接触网是牵引供电系统影响安全运行的最主要、最直接的因素，又是牵引 供电系统中最薄弱的环节，( 没有也不可能有备用系统) 。国外，高速接触网有 三种典型悬挂方式：简单链形悬挂、弹性链形悬挂，双链形悬挂。这三种悬挂 方式正在成功的运行，各种方式都有其优缺点。尽管各国接触网悬挂方式不同， 但也有其相同的地方，主要有以下两点： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 1 ) 保证高速列车良好受流、可靠运行的关键是接触导线比列车运行速度有更 高的波动传播速度。 理论和实践都证明，当高速列车速度高于接触线波动传播速度0 7 倍以上 时，出现两种不良现象，一是：受电弓的离线率迅速提高，离线引起的电弧和 噪声大大增加，受流质量明显恶化，导线的磨耗随之急剧加快；二是：在受电 弓与接触导线的接触点接触线弯曲变形明显增大，因而接触导线疲劳损坏甚至 断线加剧。因而，要保证安全运行，应提高接触线的波动传播速度，把列车的 最高速度限制在导线波动传播速度的0 7 倍以下。 ( 2 ) 降低接触线的弹性不均匀度，也是保证良好受流、安全运行的重要因素。 具体措施如：采用接触网分段、分相数量少的牵引供电方式；采用重量轻、强 度高、结构好的零件；提高接触导线的张力等。 牵引变压器接线型式 牵引变压器是牵引供电系统中最重要的设备。它对牵引供电系统和工程投 资起决定性的影响，不同类型的牵引变压器对电力系统产生不同的不平衡影响。 日本采用斯科特接线和变形伍德桥接线三相变压器。法国、德国、意大利和西 班牙采用单相变压器。单相变压器的优点是变压器容量大、利用率高、经济效 果好，最适合在高速铁路上应用。 日本新干线的继电保护( a t 供电方式) 日本山阳新干线各牵引变电所都引进两路供电线路，电压为2 2 0 千伏或2 7 5 千伏的超高压大电流系统，主变压器为变形伍德桥接线，变压器容量为1 5 0 2 0 0 兆伏安。在正常情况下，一回路高压线带一台主变压器运行，另一回路及 主变压器1 0 0 备用，在两高压进线之间不设隔离开关。新干线电源线路是超 高压系统，主变压器容量大，保护设备也较多，有电流差动、过电流、电压、 温度、流量、油面、6 0 千伏断路器缺相等。接触网馈电线采用的是单方向断电 保护配置，在变电所装4 4 f 、4 4 f b 、4 4 f r 具有矩形特性的距离继电器，并采用 4 4 f 及4 4 f b 双重保护。4 4 f 型继电器是保护相间短路及金属接地短路用的，由 于新干线负荷电流大，负荷电阻小，在接触网发生电弧接地短路时，短路阻抗 可能落在4 4 f 保护区之外，起不到继电保护的作用，因此又研究成4 4 f r 型距离 继电器，专门保护各种接地短路故障。 英国铁路继电保护( b t 供电方式) 英国电化铁路牵引变电所，受电电压1 3 2 千伏，双回路进线，一般设两台 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 变压器。用于铁路馈线断路器的保护装置是一种稍加改进的静止距离测量继电 器。这种保护装置基本上有三个距离保护区段，保护i 段为瞬时动作，保护馈 线长度的8 0 8 5 ；i i 段和i i i 段为延时保护，用于被保护区段的末端( 但不包 括i 段) 故障，并可作为相邻供电区段故障的后备保护。1 。 1 2 2 国内研究情况 高速铁路牵引供电系统构成及有关技术问题 我国即将建设京沪高速电气化铁路，设计速度在2 5 0 k m h 3 0 0 k m h 间。高 速电气化铁路和时速为6 0 k m 8 0 k m 的普通电气化铁路相比，由于所需单相功率 很大，因此对牵引供电系统提出了更高、更严的要求，有许多技术和原则需要 加以研究、解决。下面就我国高速铁路牵引供电系统的构成和有关技术问题作 简要分析“”。 电源电压等级 电力系统向电铁供电的合适电压，是保证高速铁路安全、可靠运行的重要 条件，还应最大限度地满足供电质量和运行经济性。世界各国采用i 频单相交 流制且接触网额定电压为2 5 k v 的高速电气化铁路，均采用超高压供电。我国京 沪高速电气化铁路用2 2 0 k v 电压向牵引变电所供电。其优点体现在： ( 1 ) 送电能力提高 ( 2 ) 可增加负序承受能力 牵引变压器类型 牵引变压器类型的选择，应从技术性和经济性两方面进行综合考虑。从技 术性考虑，不同的牵引变压器类型，单相负荷对电力系统的不平衡影响就不同。 经过全面的分析比较，高速电气化区段采用单相变压器具有明显的优势，应作 为首选的接线形式。采用单相变压器，便于实现同相供电，接触网的分相问题 被解决( 或分相数量可最少) ，对高速运行有利：单相变压器容量利用率高、能 耗低，变电所及变压器结构简单，因而可靠性高，工程投资及运营维护费用低。 对负序问题，可通过相位轮换( 非同相供电) 和采用对称补偿技术或用单一三 相平衡转换装置( 实现同相供电) 降低对电力系统的影响。 供电方式 从世界各园的隋况看，在高速电气化铁路上，普遍采用a t 供电方式和直供 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 加回流线的供电方式。 高速列车若手动操作过分相，虽然每次操作时间很短，但都要经过减速、 惰行、加速的过程，对高速列车的技术速度有较大的影响，分相数量越多，影 响越大；采用自动过分相，虽可避免对技术速度的影响，但每一个分相点都需 设昂贵的自动过分相装置，设备的增多又增加了故障点。因此理想的解决办法 还是采用分相数量少的供电方式。 a t 供电方式牵引变电所间距大，在时速3 0 0 k m h 时，可达6 0 k m 7 0 k m ( 由 单列车取流数值、列车追踪间隔、变压器容量、接触网最低网压要求等决定) ； 时速为3 5 0 k m h 时也可达5 0 k m 6 0 k m ，这样可减少分相数量，并且牵引网阻抗 小，长回路阻抗可降低到0 1 2 q k m 以下，能显著减小牵引压损，改善供电质 量，保证列车高速运行。另外，a t 供电方式由于变电所间距大，对供电电源的 选择更灵活，减少电力工程，降低造价。 直供加回流线供电方式的防干扰能力较a t 供电方式差，经济上增加了通信 干线拆迁的费用。当时速为3 0 0 k m h 时，变电所间距为3 5 k m 4 5 k m ；当时速为 3 5 0 k m h 时，变电所间距为2 5 k m 3 5 k m ，因此交电所数目较多。总之，高速电 气化铁路的供电方式的选择，应根据外部电源情况以及防干扰的要求通过方案 比选以确定是采用a t 方式还是直供加回流线方式或者采用两者混供方式。 接触网悬挂方式 从秦沈客运专线来看，接触网弹性链形悬挂，简单链形悬挂都得到了很好 的应用。对于高速铁路都是很好的借鉴，从受流质量要求来看，弹链和简链均能 满足要求，但弹链施工调整麻烦，运营维护和事故抢修难度加大，同时弹链的稳 定性不如简链。综合比较结果，采用简单链型悬挂更适合我国的施工及维护环 境。 1 3 本文所做的工作 具有快速性、可靠性、选择性、灵敏性的继电保护，是高速铁路牵引供电 系统安全供电的可靠保证。由于高速铁路将采用交一直一交型动车组，有许多 新的特点，既有馈线保护的性能或保护配置已无法保证牵引供电系统的安全。 既有馈线保护继电器是四边形特性的距离保护继电器。利用改变电阻边躲开负 荷阻抗，利用改变电抗边整定及时间整定进行保护的配合，基本能满足普速线 路保护的需要。但若用在高速线既有保护存在两个问题。其一，高速线上馈线 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 负荷电流变得很大，电阻边的整定值变得很小，继电器保护过渡电阻的能力变 得很差，而实际上高过渡电阻故障( 如a t 区段t 线断线，馈线经高阻物体接地 或馈线接地于高大地电阻率点) 不可避免，此时保护可能拒动，甚至引起重大 恶性事故。其二，高速铁路采用再生制动机车，其负荷阻抗角，对可控硅相位 控制机车来说，牵引工况4 0 。左右，再生制动工况1 2 04 左右，对g t o 控制的 机车，牵引工况为0 。左右，再生工况接近1 8 06 。在一个供电臂中有牵引工况 的机车，又有再生工况的机车时，牵引阻抗和再生阻抗叠加后，广泛地分布在 r x 平面的第1 、i i 象限上，有可能侵入距离保护的整定范围，引起保护误动， 造成列车不必要的停运”。 为了在牵引供电系统发生故障及不正常运行情况时，尽可能迅速消除或减 轻其影响，保持系统中尽可能多的区段、设备不中断供电或缩短停电时间，在 牵引变电所装设的保护大体分为三种：主变压器保护，牵引网馈线保护，其它 保护。本文将采用2 2 0 k v 牵引变压器及a t 供电方式对高速铁路牵引供电系统保 护配置进行研究，根据供电系统的供电方式及变电所接线方式，从保护的基本 要求( 选择性、灵敏性、速动性、可靠性) 出发，选定合适的保护方案，进行 初步的整定计算。主要内容有： ( 1 ) 研究a t 供电方式下其主变压器的接线形式，及a t 线路阻抗的计算，同时 对高速铁路供电系统的负荷交一直一交电力机车进行研究并对其进行仿真分析。 ( 2 ) 针对高速铁路采用交一直或交一直一交电力机车或混跑线路的馈线保护装置 可能出现误动和拒动情况进行分析，指出当机车再生制动时可能会使保护装置 拒动。提出采用自适应三段距离保护作为主保护并针对不同线路对距离保护进 行整定，提出适合高速铁路的馈线保护配置方案。 ( 3 ) 对单相变压器空载合闸产生的励磁涌流进行仿真，指出影响差动保护动作 的涌流情况。针对变压器的主保护差动保护区分励磁涌流和内部故障能力不强 的问题进行研究，采用了基于磁通特性原理的电压电流微分比的方法来区分励 磁涌流和内部故障，并通过对单相变压器的仿真来验证理论的正确性。 ( 4 ) 提出供电系统保护的整体配置，并对馈线保护及变压器保护的配合进行一 定的研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章高速铁路的牵引供电系统 高速电气化铁路牵引供电与常速铁路牵引供电相比，质的方面没有太大变 化，主要是鉴于安全、稳定、可靠、高效的基础上进行供电制式以及主要供电 设备的选型8 1 。 牵引供电系统由牵引变电所、牵引网、电力机车负荷组成，而牵引网则由 接触网、走行轨道和馈电线、回流线构成。本文中所涉及的牵引供电系统是以 a t 供电方式为对象进行研究的。系统组成如图2 一l 所示。本节着重研究a t 供 电方式下线路阻抗的计算；牵引变压器类型，原理，接线及交一直一交电力机车 的特点。 图2 - i 牵引供电系统组成示意图 2 1a t 供电牵引网的参数计算 r 尺 ， 尹 r 尺 f p a t 供电方式即自耦变压器供电方式，它是目前交流电气化铁道中较为先进 的供电方式，实行2 2 5 k v 供电，线路损耗比b t 方式要小，变电所间的距离可 为b t 方式的3 4 倍，变电所容量大，有和b t 方式同样的减轻电磁干扰的能力。 其次，由于a t 方式可消除b t 方式中因接入b t 需增加接触导线断口，在负荷电 流很大及高速下，对b t 供电方式，当受电弓通过时，产生很大的电弧，并发展 成为间隙之间的闪络，很可能造成接触导线的熔断和受电弓滑板的熔损等，安 全可靠性低。随着高速铁路的发展，列车的功率随之增大，这就要求相应采取 可靠性更高的供电方式a t 供电方式“”“。 a t 供电方式的牵引网阻抗与b t 供电方式一样，即不是一种均匀分布参数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 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 中间而出现的牵引网中的增量 部分。当列车由牵引变电所出发通过整个供电臂时，其牵引网阻抗为一系列递 增的鞍形曲线“3 。 ， j il 1 毛 2 3 图2 - 2 单线a t 供电方式牵引网等效电路 图2 - 3 双线并联供电a t 网络的等效电路 2 1 1 单线a t 网络的参数计算 图2 - 2 为单线a t 军引网等效电路，以此为基础计算单线a t 牵引网阻抗， 牵引网从变电所延伸至任意a 点的阻抗为： 弘砒+ 毪舞芦+ 蓑， c z - z ， 化简得z 。= z 1 + z i ( 1 一手沁 ( 2 2 ) 式中z q + 鲁，刁一丢，z l 畸一锄一纽兰+ z ，；2 岛+ z z ，+ z 1 一 z ：叫一q m + 半一孙；屯；址三p 一半一z ”m 。 z 是线性部分单位阻抗；x 为列车在段中至4 点的长度。而是机车处于自耦变压 器间隔中而出现的增量；l 为a 点到牵引变电所的距离。2 代表间隔长，一般 为1 0 k m 。用z ，、o 分别代表接触网一地回路、轨道地回路和正馈线一 地回路的单位自阻抗；z 。、z 。，、z 。代表单位互阻抗。 2 1 2 复线a t 网络的参数计算 我国复线区段的牵引网大都采用在末端用横联线相联的上、下行串联供电方式 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 这种供电方式对上、下行列车负荷不很均匀的区段，具有明显的技术和经济优 点。等效电路如图2 3 所示。 1 ， 双线并联供电牵引网的阻抗为：z 。= z 等l o + _ ( 1 一沁 ( 2 - 3 ) bi 式中右端各阻抗的含义与算式，均与单线区段艘网络牵引网阻抗算式相同。 牵引网各元件参数的设定。： z r = 0 2 2 6 5 q - j o 6 8 7 4 ；- - - - 0 1 9 8 + j 0 5 6 ；o = o 2 2 + j o 7 4 3 ；z m = 孙= 0 0 5 + j o 3 0 3 1 ；z ，= 0 0 5 + j o 3 3 5 1 ，单位为q k m 。将各参数带入相应公式就 可以得到任意点a 线性部分单位阻抗z 和增量阻抗( z 1 = o 0 8 8 2 + j 0 1 7 6 2 ， 屯= 0 2 3 6 3 + j 0 4 6 5 1 ，= 一0 0 0 1 6 + j 0 0 1 3 9 ) ；z = 0 0 8 6 8 + j 0 。1 8 9 8 ，乞= 0 2 3 7 7 + j 0 4 5 1 5 。至此我们可得出单、复线a t 牵引网从变电所延伸至任意点a 的阻抗。 2 22 2 5 k va t 牵引供电系统主变压器接线型式 a t 供电方式具有较高的防止对通信干扰性能、较大传输功率和较高的技术 经济综合效益，在高速、重载和大运量干线电气化铁路中已被国内、外广泛采 用。a t 供电系统主变压器按接线形式分为三相一二相平衡接线方式、三相十字 交叉接线和三相、单相变压器接线方式，按牵引母线电压系统区分，则可分为 5 5 k v 单相和2 2 5 k y 两相三线电压系统“”。 ( 1 ) 三相一二相平衡接线方式的主变压器有：斯科特接线、阻抗匹配接线和变 形伍德桥( w o o d - - b r i d g e ) 接线等，前两种方式变压器接线的特点是将对称三 相电压系统转换成两个相位差为n 2 的单相系统，从而改善单相牵引负荷对三 相系统造成的不平衡程度，而容量利用率介于三相y 。一1 1 接线和单相变压器 接线之间。需要指出，在有再生反馈电流的机车运行时，将大大降低三相一二 相平衡变压器对三相系统不平衡的抑制，极端情况下反而造成负序助增( 一臂 为牵引负荷，另一臂处于再生反馈工况下) 。鼓有再生反馈的电化区段应避免采 用三相一两相平衡接线的主变压器。 ( a ) 阻抗匹配平衡接线牵引变压器 阻抗匹配平衡变压器具有较好的抑制负序电流对电力系统影响、高压侧中性点 可以接地、容量利用率较高等优点，已经成为我国电气化铁路牵引变压器的主 要型式，也是我国高速电气化铁路可能选择的牵引变压器接线型式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 d 矿。 图2 4 阻抗匹配平衡接线图2 - 5 副边接a t 阻抗匹配平衡变压器低压侧两相电流相位差为9 0 。，高压侧电流与低压侧 电流相位差随列车运行方式的变化在0 。9 0 。之间变化。阻抗匹配平衡变压 器是在普通的y n ，d 1 1 接线变压器的自由相上增加两个绕组，并使其次边形 内各绕组阻抗满足z 。一r z 。- 墨z 。的匹配原则而达到原边平衡的变压器。 变压器次边，。、j 4 与原边，。、，口、，c 的映射关系为 ，_ i b i c一壶崴铘：】。壶憾纠引 ( 2 - 4 ) k 。一 目前国内都采用式( 2 4 ) 的原、次边电流变换关系构成阻抗匹配平衡变压器的 微机型差动保护，式( 2 - 4 ) 是在k - 3 + 1 的 前提下得到的。 ( b ) 斯科特接线 牵引变压器副边的m 座绕组和t 座绕组分别与室 外两组5 5 k v 牵引母线连接。两组牵引母线通过 馈电线分别向变电所两侧供电臂供电。由于斯科 特接线牵引变压器副边两个单相5 5 k v 绕组皆无 中点抽头，为了提供2 2 7 5 两相三线电压系统 向t 、r 、f 三导线供电，所以在每路馈电线出口 处皆装设一台带中点抽头的自耦变压器。 i 哥 i 墼 图2 - 6 斯科特接线 该变压器副边的电压是两相对称9 0 。电压，如令以- u p l o 。则哦- u l g o 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 此a 及芦相电压则分别可向两侧牵引网供电。如设两供电臂电流大小相等，具 有相同的功率因数时，则当取t = g o 。时，丘= il 9 0 。原副边电流变换关 系方程为： 2 1 i， 2 面l 。1 【一1 k 为原、副边的匝比。 ( c ) 变形伍德桥接线 这种变压器一次侧三相绕组联成星形，可以 联入要求大电流接地的三相系统，二次侧的 口相和卢相各从两个相互垂直的角端引出电 压，向两牵引网供电。由于a 端引出电压较芦 端低3 倍，故在a 端再接以展压自耦变压器 t ：，其变压比为1 ：3 ，从而可使两臂输出电 压【，。和u 。相等而且相位差9 0 。，即 以一u l o 。，u 8 一u l 一9 0 。设电压变比为 1 时，其电压变换关系为： u a u c瑚 图2 - 7 变形伍德桥接线 ( 2 - 6 ) 电流变换关系与斯科特相同。 ( 2 ) 单相变压器接线方式有：单相接线和单相v v 接线方式，其结构简单、高 压开关电器相应减少，投资较省，容量利用率高。目前，高速铁路一般采用带 再生制动的动车或机车，将来，这种车在高速线上采用是必然趋势。根据国内 外专家研究表明：在一个供电臂的机车处在再生制动状态，另一臂机车处在牵 引状态，采用单相变压器，比采用平衡变压器，对电力系统的电压不平衡影响 小得多。这种运行工况采用单相变压器比其他类型变压器优越得多。在两臂均 为牵引工况或制动工况时，采用单相变压器比采用平衡变压器就一个变电所而 言，对电力系统的不平衡影响要大，尤其是两臂负荷相等的情况下更大。但是 的 怔 。拈垢 陀h 上撕 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 两臂负荷相等的情况很少，绝大多数都是不相等的，尤其是高速铁路供电臂短、 供电臂内运行列车少，每一列车电流很大的情况更是如此。其实，在一个电力 系统中往往要接入多个牵引变电所，只要高压侧轮换相序接入电力系统，采用 单相牵引变压器对电力系统的不平衡影响也可以降到很小。对于高速铁路，接 入2 2 0 k v 系统，系统承受不平衡影响的能力更大。故在我国高速铁路中采用单 相变压器是可行的”1 。这两种接线变电所对三相系统不平衡的影响，单相接线 最重，单相v v 接线方式稍好。纯单相接线主变压器适用于电力系统容量很大、 允许存在上述不平衡影响或采用其他措施抑制这种影响的地区和电化区段。 ( a ) 单相接线牵引变压器 如图2 8 所示，采用副边绕组带中点抽头的单相牵引变压器构成，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。可省去变电所a t ，这种接线方式在法国采用。 ( b ) 单相v v 接线 v v 接线变压器是单相变电所的一种变形，其牵引变压器的结线方式如图 2 - 9 所示。从图中可觅，由两台副边带中点抽头的单相牵引变压器构成。两台 的原边绕组分别接入三相电力系统的a b 相和b c 相，两台的副边出线端子a 。、 x 。和a ：、x 2 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，可省去变电所内的a t 。 设变压器供电的两供电臂牵引电流相同，即其数值和功率因数角相同，分别为 j 。，j 。，公共端电流为j 。，交压器变比为k l 。 令i o = i ；i c = ie _ “；贼i 。+ i b 七i ：一0 t i b 一一啦。+ i j ；亳 t ，( 1 + e 一”) - 3 尼”；则原、次边关系为： l i _ i | ic 三， k e - 6 0 磊脚。 1 ( 2 - 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图2 - 8 单相接线 圭 3 = 生 ( c b ) 1 ( a b ) a 窟 c 单相v v t & 线单相v ，v 接线牵引变电所原理电路图 图2 - 9 2 3 交一直一交电力机车原理及特点 我国既有电气化线路上运用的国内外电力机车，均采用交直电传动方式， 其主要缺点是：功率因数低、机车效率低、电机体积重量大、恒功范围窄等。 以韶山系列交直传动电力机车为例，在未加功补时其功率因数一般为0 8 左右， 加功补也仅能达到0 9 左右；机车效率一般在0 8 l o 8 3 之间i 电机功率一般 在6 5 0 1 0 0 0 k w 间。目前，高速铁路一般采用带再生制动的动车组或机车，将 来，这种车在高速线上采用是必然趋势，使用交流传动电力机车，可以明显提 高功率因数，降低电能的消耗，因此有必要对交一直一交电力机车进行深入的研 究。 交直一交机车由于采用了四象限脉冲整流器，使得机车在1 1 0 额定功率以 上时，功率因数接近于i ，并且不需要增加任何设备，就能实现再生制动，再 生制动时的功率因数也接近于l 。再生制动向电网反馈电能，节能效果显著。 对采用交一直一交传动的电力机车或电动车组，由于电源侧采用了四象限 脉冲变流器，逆变器采用了对称的脉宽调制控制，因而功率因数接近于1 ，供电 系统的功率因数补偿问题可以大大缓解。但因为在同一牵引网下同时还可能有 交直传动机车在运行，在相当时期内，还必须采取补偿措施。 交一直一交电力机车的主电路如图2 一1 0 所示，四象限变流器由同台变压 器供电，每两台四象限变流器并联向一个中间环节供电，然后向两台并联逆变 器w r 和三相并联异步电动机供电。当机车进行再生制动时，整个系统的工作原 理及方式没有发生什么变化，主电路结构也不发生任何变化。只是牵引电动机 进入发电机状态，异步牵引电机工作在负的转差频率“。 划差 a 。堡 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 = p 一o 7 口一 牵引变电所 w r 图2 一1 0 交一直一交电力机车框图 2 3 1 四象限脉冲整流器 为了改善变电所的功率因数，减小馈线谐波电流的含量，交一直一交型电 力机车的整流装置采用四象限整流器，而非交一直型电力机车是晶闸管相控整 流器。这种整流器能够在电压、电流平面上所有四个象限工作，在牵引工况时 作为整流器将电网交流能量向直流中间环节传递，在再生制动时作为逆变器将 直流中间环节的能量向电网反馈。 四象限脉冲整流器的原理如图2 一1 1 所示。图中将机车主变的阻抗归约到 r f 和o ，则u ，可以近似为主变二次侧电压，f ，为二次侧电流。元件l 。、c ：为 中间直流环节二次谐波谐振回路，c a 为储能电容。根据图2 一1 1 可以得出电路的 矢量方程为： u f - r f i f + c o l ，f + u s ( 2 - 8 ) 嚣一。i ! v o ti v 3 1! v o 乇 引 一 if 钆 v ： fl c 4 u ：v 2 ，z ”乇 【v 飞! ” 一j o , i ， 图2 - 1l 电压型四象限脉冲整流器的原理圈2 1 2 四象限整流器基波向最图 m m m 佴 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 牵引工况时，四象限整流器通过对以相位和幅值的控制，可以达到电压【， 和电流l 同相位，即基波相位系数等于i ，同时由于调制频率足够高或者电感 l ，足够大，功率因数接近于1 。在再生制动工况时，电网电流与牵引时反向， 通过调制以，变电所功率因数仍可接近l