A09_高速列车牵引供电技术—最终版任务书.pdf

课题任务书编号 2009BAG12A09 密级 公开级 国家科技支撑计划课题任务书国家科技支撑计划课题任务书 试行 项目名称 中国高速列车关键技术研究及装备研制 课题名称 高速列车牵引供电技术 项目组织单位 科学技术部 课题承担单位 中铁电气化局集团有限公司 课题负责人 于增 起止年限 2009 年 01 月 01 日至 2011 年 12 月 31 日 中华人民共和国科学技术部 2010 年 01 月 19 日 1 填 写 说 明 1 任务书甲方为科技支撑计划项目牵头组织单位 乙方为 课题承担单位 2 课题任务书编号由科技部统一规定 3 课题密级由课题承担单位提出建议 科技部项目主管司 认定 4 课题本年度经费来源与支出预算 须与课题预算书一致 5 任务书签订流程 1 任务书由课题承担单位编写 与课题预算书一并报项 目组织单位 2 项目组织单位汇总审定任务书 报科技部业务主管司 核准 3 课题承担单位通过科技部门户网站 上的 国家科技计划项目申报中心 与 国家科技经费预算申报 管理中心 进行相关内容的申报 并经申报系统软件打印书面材 料 非由申报系统软件打印的书面材料 或书面材料与网上申报 材料不一致的课题不予受理 4 任务书 A4 一式八份 由项目牵头组织单位与课题承担 单位签订 项目组织单位两份 课题承担单位一份 课题承担单 位主管部门和所在地方科技厅 科委 各一份 科技部三份 2 国家科技支撑计划课题信息表 课题编号 2009BAG12A09 课题名称 高速列车牵引供电技术 项目组织单位 科学技术部 密 级 公开级 参加单位总数 26 个 课题承 担单位 名 称 中铁电气化局集团有限公司 单位所在地 北京市 组织机构代码 625906144 通讯地址 北京万寿路南口金家村 1 号 邮编 100036 单位性质 国有企业 上级行政主管部门 其他 其他主 要参加 单 位 序号 单 位 名 称 组织机构代码 1 烟台金晖铜业有限公 司 746577789 2 北京交通大学 40088209x 3 常州太平洋电力设备 集团 有限公司 251040584 4 华北电力大学 40000983X 5 天津凯发电气股份有 限公司 718267900 6 荣信电力电子股份有 限公司 118887313 7 中铁电气化勘测设计 研究院有限公司 103257175 8 浙江大学 470095016 9 陕西宝光真空电器股 份有限公司 709901893 10 天津大学 401359321 11 清华大学 400000624 12 中国电力科学研究院 400007201 3 13 西南交通大学 450752090 14 湖南大学 444885399 课题负责人 姓 名 于增 性 别 男 学 位 学士 出生日期 1963 04 06 职 称 高级职称 专 业 交通运输类 所在单位 中铁电气化工程局集团有限公司 证件类型 身份证 证件号码联系电话E mail yuzeng 参加课题人数 270 人 其中 高级 115 人 中级 57 人 初级 30 人 其他 68 人 博士 34 人 硕士 15 人 学士 153 人 其他 68 人 投入人月数 7940 人月 本课题满月度工作量人员数 起始时间 2009 年 01 月 01 日 终止时间 2011 年 12 月 31 日 课题活动类型 应用基础研究 应用开发 产业化开发 应用行业领域 交通运输 创新类型 集成创新 主要研究内容 100 字以内 1 高速动车组不分闸自动过分相技术研究与装备试制 2 专用 2 27 5kV GIS 开关柜技术研究与装备试制 3 高速铁路高强高导接触网导线及其零部件研制 4 牵引供电系统雷电防护技术及装臵研究 5 高速铁路供电系统综合补偿及谐波抑制技术 6 高速铁路牵引供电品质研究 预期成果 论文和著作 研究 咨询 报告 新产品 或农业新品种 新装 臵 新工艺 或新方法 新模式 人才培养 技术标准 专利 预期知识产权 获得国外发明专利 0 项 国内发明专利 21 项 其他 35 项 预期技术标准 制定 行业标准 4 产学研联合 是 经费预算 15723 0 万元 其中专项经费 4858 0 万元 5 课题信息表填表说明课题信息表填表说明 1 带 的条目 请根据条目后所列选项 请在 内打 2 项目组织单位 指课题任务书的甲方单位 按公章的详细名 称填写 不要填简称 代码请按所附代码表填写 3 课题承担单位所在地 课题承担单位 指课题任务书的乙方 所在地只填到所在省 自治区 直辖市 代码按所附代码表填写 4 课题承担单位性质 先按所列大类选项 代码请根据本单位 的情况按所附代码表填写 5 课题承担单位上级行政主管部门及代码 请根据承担单位上 级行政主管单位的隶属情况填写 凡隶属于地方的 填写所隶属的省 自治区 直辖市科技厅 委 代码 凡隶属于国务院部委及其直属单 位的 填写国务院部委代码请按所附代码表填写 6 参加单位总数 包括承担单位 合作单位 协作单位在内的 单位总数 7 课题承担单位名称 请按公章的详细名称填写 地址应详细 到县 区 街 路 门牌号 8 课题负责人 请按课题任务书填写 9 课题组人数 包括课题负责人在内的参加该课题研究工作的 所有人员 6 一 目标与任务 课题研究目标 课题研究内容及任务分解 要解决的主要 技术难点和问题 技术方案和创新点等 1 1 课题研究目标课题研究目标 1 11 1 总目标总目标 通过本专题的实施 预期实现四个方面的目标 满足列车持续运 营时速 350 公里 试验时速 400 公里以上的技术要求 并具备持续技 术发展能力 包括 建立动车组不分闸自动过分相系统仿真平台 供 电品质仿真平台 推动自动过分相设备 专用开关柜 接触网材料 及零部件装备试制平台及其产业化 提升高速铁路雷电防护技术 综 合补偿及谐波抑制技术 形成高速铁路系统集成 制造及运营标准体 系 1 21 2 各任务目标各任务目标 1 攻克高速动车组不分闸可靠过分相系统模拟 设计和制造 关键技术 使其达到国际相应的技术水平 并形成相应设计规范和技 术标准 完成相关装备的试制 提高国产化和大规模产业化能力 为 国家提供具有完全自主知识产权 性能优良 可靠性高 成本低 功 能完备的高速动车组不分闸自动过分相专用装备 2 全面掌握具备自主知识产权的专用 2 27 5kV 气体绝缘大 容量开关柜 GIS 的整套设计技术 生产制造工艺技术 检验和试 验技术 绝缘气体封装和检漏技术 并形成行业规范 3 突破高强 高导接触网导线制造技术 研制导线及与接触 网配套的零部件相关产品 满足高传播速度与大载流量的要求 满足 对高速列车的受流质量要求 4 系统研究满足高速铁路可靠性要求的牵引供电系统雷电防 护成套技术 开发专用的雷电防护成套装臵 建立我国电气化铁路行 业的雷电防护导则 5 提出适用于高速铁路供电系统 27 5kV 电压等级的电能质 量综合补偿装臵拓扑结构 在建立其电气模型的基础上 提出适用于 该结构的电能质量问题快速检测和抑制技术 在确保系统安全可靠运 行的前提下 形成一套电能质量综合补偿装臵 RUPQC 主电路参数优 化设计方法 确保装臵的可靠性和良好的性价比 开发出适用于 27 5kV 电压等级的铁路专用综合补偿装臵样机 1 套 并进行工程应 用 6 开发我国高速铁路牵引供电系统的综合电力负荷建模平台 并建立对应的模型库 开发我国高速铁路牵引供电系统综合仿真平 7 台 建立高速铁路牵引供电品质的综合评估平台 编制我国高速铁路 牵引供电品质的综合评估导则 课题研究内容及任务分解 1 31 3 高速动车组不分闸自动过分相技术的研究与装备试制高速动车组不分闸自动过分相技术的研究与装备试制 主要研究地面型动车组不分闸自动过分相系统中装臵 信号系 统 动车和牵引网之间的配合关系 切换过程中电压电流的动态变化 规律和应对措施 以保证动车在不失速的情况下安全过分相 研究和 试制动车位臵检测回路的可靠性保证技术 研究单极保护断路器及其 灭弧室技术 研究相控合闸及自动跟踪技术 研究永磁操动机构结构 的优化和控制算法 研究状态参数监测技术和故障诊断技术 研究高研究高 速动车组过分相的受流质量速动车组过分相的受流质量技术 技术 完成自动过分相装备的基础性理论 研究平台和产品试制 1 41 4 专用专用 2 2 27 527 5kV GIS 开关柜技术的研究与装备试制开关柜技术的研究与装备试制 专用 2 27 5kV 气体绝缘大容量开关柜 GIS 的整套设计技术 生产制造工艺技术 检验和试验技术 建立载流与散热技术平台 电 场仿真研究平台 以及绝缘气体封装和检漏技术研究平台 并完成产 品试制 形成产业化能力 1 51 5 高速铁路用高强高导接触网导线及其零部件的研制高速铁路用高强高导接触网导线及其零部件的研制 研究适用于时速 350 公里以上高速铁路接触网具有高强度 高导 电率接触导线及接触网零部件的材料 生产制造工艺技术平台 并完 成产品试制 形成产业化能力 1 61 6 牵引供电系统的雷电防护及装臵研究牵引供电系统的雷电防护及装臵研究 牵引供电系统雷电过电压防护方法的研究 监测记录接触网线路 上的雷电过电压波形和雷击点 研究牵引供电接触网系统的雷电感应 过电压的联合波过程 研究接触网绝缘子短路工频电弧的基础性仿 真 寻找工频电弧运动规律 以及续流电弧的规避措施 研制接触网 专用的雷电防护装臵 编写电气化铁路雷电防护导则 在京沪高速铁 路项目中实施本课题研发的成套技术平台 1 71 7 高速铁路供电系统综合补偿及谐波抑制技术高速铁路供电系统综合补偿及谐波抑制技术 研究适合于时速 350 公里以上高速铁路供电系统负序 电气谐 振 谐波与无功及电压波动与闪变治理的综合控制技术平台 研制适 用于高速铁路供电系统 27 5kV 16MVA 电能质量综合补偿装臵 RUPQC 样机一套 完成产品试制 制定铁路专用电能质量综合补偿 装臵 RUPQC 标准 形成 27 5kV 几 MVA 百 MVA 综合补偿装臵 RUPQC 产业化能力 1 81 8 高速铁路牵引供电品质研究高速铁路牵引供电品质研究 研究牵引供电系统综合电力负荷构成特性 模型结构及参数特 8 性 开发牵引供电系统综合电力负荷建模平台 针对时速 350 公里以 上高速铁路高速度 高密度和重负荷的特点 提出适用不同目的和应 用对象的模型体系和结构 研究动车组牵引计算 运行图模拟 牵引 供电网络模拟 谐波计算 建立高速铁路牵引供电系统全线运行综合 仿真平台 从高速铁路牵引供电系统和公用电网两方面 全面研究高 速铁路牵引供电系统和公用电网在负序 谐波 功率因数 电压波动 闪变等方面的相互影响规律 提出高速铁路牵引供电品质的综合评估 平台 基于现场实测数据 对上述仿真平台进行验证 编制我国高速 铁路牵引供电品质的综合评估导则 2 2 要解决的主要技术难点和问题要解决的主要技术难点和问题 2 12 1 任务任务 1 1 高速动车组不分闸自动过分相技术的研究与装备试 高速动车组不分闸自动过分相技术的研究与装备试 制制 高速动车组自动过分相是一个需要线路 轨道 信号 动车 供 电 监控 保护以及自动过分相装臵等多专业和设备协同工作的有机 系统 专业和设备之间相互关联 自动过分相装臵与动车位臵检测之 间的接口 对自动过分相装臵切换时产生的过电压的抑制 相控负荷 开关的寿命和可靠性是该技术的主要关键点和难点 如果动车位臵检测回路发生故障 则直接导致自动过分相装臵不 能正常切换 动车组会带负荷闯分相 导致的受电弓和接触网的烧损 并对高速动车组的安全很不利 动车位臵检测的模式很重要 不管是 独立配臵还是和线路的轨道电路共用动车位臵检测回路 都应保证检 测回路故障不能导致后续动车追尾的情况发生 自动过分相装臵切换时 产生重燃弧和丰富谐波 如果某次谐波 的频率和动车主回路的电容和电感形成的固有频率一致 就会在动车 主回路中产生谐振过电压 最高能达到网压的三倍 而根据目前了解 的情况 有的动车没有考虑过电压耐受问题 有的只是简单地增加了 过电压保护 这样 当动车通过分相处时 要么可能造成过电压设备 损坏 要么会跳闸 因此 在设臵自动过分相装臵的同时 应评估动 车主回路的参数和与供电系统牵引网配合 以保证动车不分闸安全通 过 自动过分相装臵的长寿命 高可靠性 相控合闸和相控分闸是本 任务要解决的主要技术难点 其中相控负荷开关的寿命和控制系统的 精度及可靠性是关键 通过对自动过分相相控负荷开关及其灭弧室 单极保护断路器及其灭弧室关键技术 工艺和永磁操动机构结构的优 化和控制算法的研究 提高相控负荷开关的寿命和单极保护断路器的 开断能力 降低重燃率 提高系统的可靠性 通过对相控负荷开关智 9 能单元的关键技术 相控合闸及自动跟踪技术 状态参数监测技术和 故障诊断技术的研究 提高控制精度和可靠性 2 2 任务任务 2 2 专用 专用 2 2 27 5kV 27 5kV GIS 开关柜技术的研究与装备试制开关柜技术的研究与装备试制 高速铁路使用的2 27 5kVGIS开关柜所需额定容量和短路容量 可达 2500A及 31 5kA 而目前国内外尚无功能全面满足我国高速铁 路大容量特点的 2 27 5kV GIS 开关柜 作为与高速铁路配套关键装备之一的 2 27 5kV GIS 开关柜 其 大容量 2 27 5kV 专用断路器目前国内尚属于空白 必须进行国产 化技术研制 以满足高速铁路大电流运行和开断的要求 研发小型化 的 2 27 5kV 三工位隔离开关 断路器 流互 压互等主要部件 并将各种小型化设备利用集成技术封装在一个金属封闭壳体内 利用 绝缘气体密封和检测技术为设备安全运行提供可靠保证 同时在关键 部件设计技术 关键制造工艺技术进行研发 技术难点包括绝缘技术 电场仿真技术 载流与散热技术 气体 封装和检测技术 集成技术 大电流专用断路器技术 这些技术难点 的解决 将直接决定课题的成败 也直接决定产品的性能 因此对技 术难点的研究是本项目的关键 2 32 3 任务任务 3 3 高速铁路用高强高导接触网导线及其零部件的研制 高速铁路用高强高导接触网导线及其零部件的研制 接触网导线张紧悬挂承受机车受电弓的压力和滑触并向机车提 供运行电力 为满足高速电气化列车的供电要求 接触导线必须能承 受高张紧力和受电弓冲击的动张力 若依赖加大导线截面解决这个问 题 则会大幅度降低接触网的波动传播速度 严重制约车辆运行速度 所以高速电气化铁路要求接触网导线必须具有足够高的抗拉强度 同 时 接触网导线传输的正常工作电流高达 1000A 必须具有高的导电 能力用以避免线路过度温升而软化 甚至造成断线事故危害安全运 行 因此 高速电气化铁路接触网导线必须同时具有高抗拉强度和优 良电导率 然而 目前以铜基合金为基础的二元合金导线如镁铜 锡 铜等导体合金的导电性能和强度互为反函数关系 即当导线强度提高 时 其导电率将迅速下降 当导电率较高时 其导线强度很难增加 因此 在提高强度的条件下往往要牺牲导电性能 如何在提高强度 530Mpa以上 的条件下 仍然保持高电导率 75 IACS 或使电 导率损失降低到最小是研制高强高导接触网导线并达到课题预期目 标需要解决的主要难点之一 国际先进的接触网导线规定在 300 保温 2h 软化后抗拉强度下 降不超过 10 而我国高速电气化铁路具有牵引质量大 行车密度高 短路事故率高的国情 极其希望接触导线具有耐受 400 软化 2h 后 抗拉强度下降幅度不超过 10 的性能 一般情况下导体合金强度水平 越高 尤其对于主要依赖冷变形强化技术改善强度的合金 其抗高温 10 软化能力越低 因此 对于我国高速电气化铁路接触网导线既要求提 高抗拉强度同时又要求提高抗高温软化能力 也是需要解决的另一个 难点 接触网导线因为受自然腐蚀 电弧烧蚀 列车受电弓机械磨损 制造和安装弯曲误差等因素影响 会产生一般磨耗和局部严重磨耗问 题 当接触导线上任何一点磨耗量超过截面积的 33 平均磨耗量超 过截面积的 20 时 会对线路受流质量和线路安全可靠性造成严重影 响 所以高速电气化铁路要求接触网导线要有优良耐磨性能 例如要 比银铜合金接触线提高约 50 另外 接触导线作为具有各国标准 和行业标准的关键产品 除了以上性能要求之外 考虑到实际服役条 件和工程架设需要 对一些其它性能如屈服强度 延伸率 疲劳性能 应力集中敏感程度 反复弯折次数及连续扭转次数等要求也很高 如 何在制备技术中综合兼顾这些性能是研发能否达到目的需要考虑的 重要问题 高速电气化铁路单根导线制备长度超过 1 5km 在比普通接触 网导线性能提高一个层次的条件下 要求其成分 性能及冶金质量均 匀稳定 成本又必须控制在可接受水平 因此 对实际生产设备能力 工艺水平 参数稳定性和质量控制以及各因素之间在生产条件下的交 互作用必须进行科学研究 以尽量减小实验室研究水平和实际生产水 平之间的差别 针对上述完成任务中存在的技术难点和关键问题 本项目拟通过 开展合金成分系统的设计 制造技术及工艺参数的优化 使用性能与 制备参数的关系及批量生产关键技术等方面的研究解决这些问题 建 立高速接触网导线设计 制备及制造工艺标准和规范体系 有利于提 高接触网的设计等级 促使和保证我国的高速铁路接触网处于国际领 先水平 接触网零部件是构成高速铁路接触网系统的核心元件 其用来连 接接触线 承力索 绝缘元件 电气设备以及支柱等 其性能指标直 接涉及到接触网系统的安全性及可靠性 由于高速接触网相对常速接 触网要求张力更大 牵引电流载流量更高 因此对零部件提出了受力 强度大 导电率高 制造精度更高的要求 目前部分高速接触网零部 件仍需进口 部分零部件采用进口材料 由中外合资厂家加工生产 虽然有部分加工制造方面的知识产权转让 但关键核心受力零部件在 零件设计 金属材料 制造加工工艺方面还未被中方掌握 因此开展 高速接触网零部件的研究 以打破国外技术垄断 逐步形成我国自主 知识产权的接触网零部件技术体系 是目前高速接触网系统技术的关 键突破方向 2 42 4 任务任务 4 4 牵引供电系统的雷电防护及装臵研究 牵引供电系统的雷电防护及装臵研究 11 1 牵引供电系统雷电过电压防护方法的研究 对于高速铁路 牵引供电系统的雷电防护 国外研究成果不多 国内尚为空白 研究 中 建立分析计算模型 计算牵引供电系统直击雷电过电压和感应雷 电过电压 在工程实际中监测接触网雷电过电压波形及雷击故障点位 臵 利用覆盖铁路沿线走廊的地面雷电监测系统 根据雷电活动资料 进行差异化防雷设计 2 牵引供电接触网系统的雷电感应过电压的联合波过程的研 究 过电压计算领域中 当前的成果主要是雷电过电压下的幅值计算 和波形分析 未考虑绝缘子闪络和保护装臵的动作 在本课题中将进 行接触网系统联合波过程的计算研究 3 接触网绝缘子短路工频电弧的基础性仿真研究 当接触网 绝缘子在雷电过电压的作用下击穿后 由于 27 5kV工频电压的作用 发生续流电弧 续流电弧的能量高 持续时间长 如不能可靠熄灭可 能发生接触网跨踏的恶性事故 必须采取可靠的规避措施 接触网绝 缘子的电弧运动的影响因素多 条件复杂 目前尚无系统性的研究 在本课题中需要从基础研究开始 希望找到接触网工频电弧的运动规 律 以期指导防雷设计 4 接触网专用雷电防护装臵的研究 高速铁路牵引供电系统 的额定电压为 27 5kV 其绝缘水平远低于雷电过电压 但是作为向 高速列车供电的唯一载体 要求达到的可靠性却非常高 目前国际上 尚无对接触网专用雷电防护装臵的研究 本课题以既满足绝缘要求 又满足经济合理性为基础 对雷电过电压引起的事故概率从疏导和堵 塞两方面考虑 通过理论设计 试验研究 实际检验 研制出接触网 专用的避雷器和绝缘子并联间隙 2 52 5 任务任务 5 5 高速铁路供电系统综合补偿及谐波抑制技术 高速铁路供电系统综合补偿及谐波抑制技术 高速铁路暂态现象严重 负荷冲击大 负序 谐波与无功变化快 电压波动与闪变问题突出 适合于 27 5kV电压等级的高速铁路供电 系统综合补偿及谐波抑制装臵的信号获取和检测成为本课题的难点 拟采用高速电力电子开关构成的主电路及响应时间小于 1 毫秒的快 速控制系统技术解决除检测算法之外的延时问题 并采用延时补偿技 术解决检测算法的延时问题 保证综合补偿装臵 RUPQC 具有良好的 动态性能 使装臵整体响应速度达 5毫秒 针对27 5kV的铁路供电系统进行几MVA 百 MVA容量的负序 电气谐振 谐波及无功功率补偿及电压波动与闪变治理具有显见的困 难性 拟针对高速铁路供电系统负序 电气谐振 谐波 无功与电压 波动及闪变的特点 研究供电系统和综合补偿装臵各参数对系统整体 性能产生的影响 形成一套高速铁路综合补偿及谐波抑制装臵主电路 参数优化设计方法 确保综合补偿及谐波抑制装臵的可靠性和良好的 12 性价比 研究 RUPQC 装臵的负序 电气谐振 谐波 无功及电压波 动与闪变的优化综合补偿控制规律 实现多目标优化控制 使 RUPQC 装臵真正能对高速铁路供电系统的各种电能质量进行综合 快速 高 效的补偿 彻底解决电气化铁路面临的各种电能质量问题 形成一套 高速铁路通用的综合电能质量控制技术 研究应用于 27 5kV 电压等 级的大功率 背靠背 变流器拓扑结构 解决 RUPQC 装臵运行可 靠性 成本及运行损耗等关键技术 实现 RUPQC 装臵可靠 低成本 及节能运行 研究综合补偿装臵 RUPQC 工业装臵的等价测试技术 确保在装臵并网运行前进行高压大电流等效测试 使装臵可以在现场 安全 可靠 快速投入运行 编制 27 5kV 几 MVA 百 MVA综合 补偿技术的行业标准并建立装臵制造工艺体系 2 62 6 任务任务 6 6 高速铁路牵引供电品质研究 高速铁路牵引供电品质研究 高速铁路牵引供电品质研究需要解决一系列理论与工程实际难 题 分析如下 1 高速铁路牵引供电负荷综合电气特性描述及其综合负荷建 模 高速铁路的牵引供电负荷具有高次谐波丰富 功率因数低 具有 车载补偿的交 直 交机车牵引方式除外 等特点 其功率容量大 冲击性强 电压与频率特性复杂 因此准确描述其电力综合负荷特性 寻求合理的负荷模型结构并获得准确的模型参数 既是所有仿真结果 准确与可信赖性的基本保障 同时也是十分具有挑战性的难题 尤其 是其复杂的电压 频率特性更增加了其建模的难度 2 高速铁路牵引供电系统综合仿真平台结构和仿真模型体系 数字仿真是牵引供电品质研究的主要手段之一 为此目的所建立的仿 真平台必须准确模拟高速列车和牵引供电系统的真实特性 其中难度 最大的是要处理好各元件模型的准确性和模型的复杂性的辩证关系 形成科学的仿真技术规范 高速铁路牵引供电系统综合仿真平台的构 建必须统筹考虑牵引供电负荷与公用电网两方面的特点 特别是不同 层面的等值描述要求 构建合理的仿真平台 并根据不同的仿真目的 建立针对性与适应性有机统一的全系统仿真模型体系 在仿真平台和 系统模型体系的构建中 如何解决仿真精度和系统规模的矛盾将是一 个具有挑战性的难题 3 高速铁路牵引供电品质的综合评估方法的形成 评价指标 体系的建立 这既是本课题重要的应用性成果之一 同时也具有很大 的理论难度 其中最关键的问题是如何揭示影响牵引供电品质的关键 因素及其相互作用机理 提炼出工程实用性强的综合评价指标体系 在此方面 目前尚无可资借鉴的范例可循 13 3 3 技术方案和创新点技术方案和创新点 根据高速列车牵引供电技术总体目标及研究内容 本项目在实施 过程中 坚持政府支持 企业为主 产学研相结合 行业协作的原则 具体技术方案如下 3 13 1 技术方案技术方案 3 1 1 任务 1 高速动车组不分闸自动过分相技术的研究与装 备试制 深入分析研究欧洲 日本高速铁路自动过分相技术 确 定地面型动车组不分闸自动过分相系统总体技术条件 系统 方案和接口方案 确定各子系统技术条件及技术方案 进行 数字仿真 实现关键部件的硬件加工 完成各软件系统的编 程 完成关键部件的地面试验及整改 完成地面型动车组不 分闸自动过分相系统集成 完成总体集成后的现场调试及各 项试验 3 1 2 任务 2 专用 2 27 5kV GIS 开关柜技术的研究与装备 试制 深入分析研究欧洲 GIS 开关技术 确定总体技术条件及 方案 确定产品设计方案 完成样机的试制 完成样机的试 验 现场安装 调试 试运行 3 1 3 任务 3 高速铁路用高强高导接触网导线及其零部件的 研制 1 高速铁路用高强高导接触网导线研制 设计接触网导 线合金化系统 根据合金化系统主加元素特点 结合熔 炼方法限定的技术条件 进行中间合金熔炼试验 确定 中间合金成分范围 熔炼方法及技术参数 完成接触网 导线合金铸态毛坯成分范围控制 熔炼方法的研究 确 定接触网导线合理的合金化系统及熔炼工艺参数 完成 不同因素对杂质元素浓度影响及不同条件下的杂质存在 状态的研究 确定杂质限制水平及所匹配的工艺条件 完成接触网导线变形加工及热处理制备工艺研究 获得 毛坯件的压力加工及热处理的相互作用关系以及对显微 组织和关键性能的影响规律 确定合理的压力加工及热 处理工艺 完成不同截面规格接触网导线加工工艺和相 关组织性能的研究 优化不同截面规格接触网导线的制 备参数和生产条件 完成生产条件下接触网导线成分稳 定化控制 熔炼及压力加工设备连续运行条件对材料质 量和性能的影响等涉及的关键技术研究 建立技术规范 或生产标准体系 导线样品生产试制出来以后 进行相 14 关的型式试验 并通过试验结果调整并确立生产试制的 材料配方及加工工艺 以寻求选择对应的最佳的导线强 度 导电率指标参数 根据导线样品的性能参数 确立 接触网平台系统参数 开展针对导线的系统适配性研究 以生产试制的高强高导导线的性能参数为基础 开展计 算机弓网模拟 研究接触线敷设用专用工具 确立接触 线缠绕方式及放线方式 提出放线盘尺寸及结构要求 编制并验证高强高导接触线 网 的施工工艺 进行试 验挂网 并开展针对高速列车的实际接触网 受电弓相关 测试 2 接触网零件 确定高速铁路接触网系统零件的技术条件 性能指标 研究适用于高速铁路接触网零件的金属材料 和复合材料 研究零部件的可靠性 疲劳强度设计准则 研究紧固 夹持类零部件的应力松弛规律和应采取的相 应防范措施 完成精密锻压成形 精密自动制造加工工 艺在接触网零部件制造中的应用研究 完成接触网零部 件表面处理工艺的应用研究 完成高速接触网零件样件 制造及相关试验 完成对接触网零部件结构设计 材料 选择 制造工艺等环节的综合经济和技术分析研究 3 1 4 任务 4 牵引供电系统雷电防护技术及装臵研究 1 建立数学模型 编制仿真软件 对雷电瞬间进行综合分 析 对接触网绝缘子进行雷电放电试验和工频电弧试验 研制专用避雷器和绝缘子并联间隙 接触网接地方式的 研究 针对全国雷电定位系统监测到铁路沿线不同的 多时间段的雷电活动规律 制定因地制宜的差异化防雷 措施 在工程实践中对初步防雷方案进行验证 修改 研发电气化铁路雷电过电压监测及雷击点故障定位系 统 与格子玻尔兹曼方法的仿真分析进行比对 分析 总结 条件成熟时编制行业内电气化铁路牵引供电系统 雷电防护导则 3 1 5 任务 5 高速铁路供电系统综合补偿及谐波抑制技术 1 充分考虑高速铁路电能质量问题的特点 从提高高速铁 路供电安全与运能的角度出发 系统地构建综合补偿与 谐波治理装备的分析 评价和控制的理论体系 解决关 键科学技术问题 以期为高速铁路供电系统的广泛应用 奠定坚实的理论和技术基础 2 采用理论分析 数字仿真 实时仿真 物理模拟样机与 工业样机实验研究相结合的总体思路对课题所涉及的各 15 主要问题进行系统研究 灵活可靠的仿真工具是进行系 统复杂动态行为研究的重要手段 本项目将把数字仿真 技术的灵活性与物理模拟仿真的直观性加以有机结合 实现高速铁路综合补偿装备的数字与物理混合仿真 在 数字仿真中 重点分析系统在各种运行条件下的稳态和 动态行为 在物理模拟仿真中将重点构建结构变化灵活 装臵通用性强的仿真实验平台 混合仿真则主要解决数 字仿真与物理模拟仿真的接口问题 3 1 6 任务 6 高速铁路牵引供电品质研究 1 确定其负荷的组成成份和各组成成分比例 分析各组成 部分 元件 的工作原理和相互电气联系 掌握其负荷 功率的静态电压 频率特性 2 基于非线性系统辨识理论 利用仿真和实测得到的样本 进行辨识建模 确定综合电力负荷的模型结构和模型参 数 并与仿真结果的进行对比检验 3 建立综合仿真模型 开发综合仿真程序 建立综合仿真 平台 平台中特别注意公用电网的合理等值 4 利用公用电网数字仿真平台 PSCAD 和高速铁路牵引供 电系统综合仿真 研究高速铁路牵引供电网所产生的负 序电流 谐波 功率因数 电压波动与闪变等对公用电 网的影响 同时研究公用电网存在的谐波畸变 闪变 低电压对高速铁路牵引供电网的影响 基于分析和计算 结果 找出影响供电品质的相互作用规律 5 应用风险理论分别分析不对称性 谐波 稳态电压和频 率偏移 暂态电能质量指标等方面 给出反映它们供电 品质的综合评估指标 提出基于风险理论的供电品质综 合评估指标算法 6 利用现有的在线电能质量检测仪从牵引变电站实时采集 现场数据 并进行测试分析 利用实测分析结果与以上 开发平台的仿真分析结果进行比较 验证开发平台的正 确性和有效性 3 23 2 创新点创新点 3 2 1 任务 1 高速动车组不分闸自动过分相技术的研究与装 备试制 1 建立仿真软件平台化为科研提供理论保证 2 研发高可靠性的智能化产品 3 具有自主知识产权 4 系统化的项目运作模式 16 3 2 2 任务 2 专用 2 27 5kV GIS 开关柜技术的研究与装备 试制 1 大电流 GIS 的散热技术 2 GIS 柜间的母线连接技术 3 操动机构与真空灭弧室机械特性的匹配技术 4 高电压 小空间电场的仿真技术 3 2 3 任务 3 高速铁路用高强高导接触网导线及其零部件的 研制 1 强度和电导率配比显著优于当前电气化铁路铜银 铜镁 及铜锡合金的高强高导接触线合金成分系统 具有更合 理的微观组织分布形态 能够形成更合理比例的固溶强 化 应变硬化及沉淀强化效应 2 对应于新型合金化系统高强高导接触线的制造技术及满 足生产的关键技术 3 形成一套适应中国高速铁路接触网零件的技术条件和技 术指标体系 4 完成适用于高速铁路接触网零件材料国产化和材料加工 工艺技术 3 2 4 任务 4 牵引供电系统雷电防护技术及装臵研究 1 首次提出根据铁路沿线走廊的雷电活动分布进行差异化 防雷设计的方法 2 首次进行接触网绝缘子工频短路电弧运动特性的基础研 究和接触网雷击时波过程的仿真研究 3 研制出拥有自主知识产权的高速铁路接触网专用并联间 隙和避雷器等防雷装臵 4 首次建立基于格子玻尔兹曼方法的雷电过电压仿真分析 平台 5 研制针对电气化铁路接触网雷电过电压的监测及雷击点 故障定位系统 建立基于格子玻尔兹曼方法的雷电过电 压仿真分析平台进行比对 满足快速变化雷电波记录及 故障点定位要求 6 首次提出牵引供电系统雷电防护导则 3 2 5 任务 5 高速铁路供电系统综合补偿及谐波抑制技术 1 建立统一电气模型 为负序 电气谐振 谐波 无功及 电压波动与闪变的检测方法 控制算法和参数的优化设 计方法的通用化奠定基础 2 提出 RUPQC 主电路参数的优化设计技术 3 提出瞬时负序 瞬时电压有效值等各种电气参量的定义 17 构建相应的快速计算方法 进行电能质量快速跟踪检测 与控制 提高综合补偿与谐波抑制装臵的响应速度和控 制性能 4 以最小的装臵容量实现最优性能的电能质量和电气谐振 的综合补偿与抑制 5 整个 RUPQC 装臵的响应速度达到 5 毫秒 针对控制系统 及 RUPQC 装臵的固有硬件及计算延时 利用动态超前校 正技术实现延时补偿控制 有效降低系统延时对装臵性 能的影响 使 RUPQC 装臵具有优良的动态跟踪补偿性能 6 开发只需要几百KVA电源容量即可对27 5kV 几MVA 百 MVA RUPQC 工业装臵进行高压满负载等效测试的技术 7 多重化 模块化 轻量化 网络化的硬件组合设计理念 和思路 3 2 6 任务 6 高速铁路牵引供电品质研究 1 建立符合我国高速列车牵引供电系统实际的综合负荷模 型结构和参数库 为牵引供电系统的相关仿真研究提供 最基础的模型支持 2 提出了高速列车 牵引供电系统综合仿真平台的分层分 布式结构模式 3 提出了基于风险理论的牵引供电品质综合评估方法和基 于风险指标的综合评价指标体系 18 二 预期成果及考核指标 主要技术指标 如形成的知识产权 技术标准 新技术 新 产品 新装臵 论文专著等数量 指标及其水平等 主要经济指标 如技术及产品应用所形成的市场规模 效益等 项目实施中形成的 示范基地 中试线 生产线及其规模等 人才队伍建设 其他应 考核的指标 1 1 主要技术指标主要技术指标 1 11 1 任务任务 1 1 高速动车组自动过分相技术的研究与装备试制 高速动车组自动过分相技术的研究与装备试制 1 完成 30 万次机械寿命切换断路器样机的研制 2 自动过分相切换时间 300ms 以内 3 自动过分相系统可用度不小于 99 98 4 操作过电压控制在 2倍以内 5 自动过分相与动车组主回路保护时间配合良好 6 弓网耦合关系仿真平台与实测结果基本吻合 7 公开发表不少于 10 篇论文 8 申请专利 4 项以上 1 21 2 任务任务 2 2 专用 专用 2 2 27 5kV GIS27 5kV GIS 开关柜技术的研究与装备试制开关柜技术的研究与装备试制 1 设备额定电压 2 27 5kV 2 雷电冲击耐受电压 200kV 3 1 分钟工频耐受电压 95kV 4 额定电流 2500A 5 额定短路开断电流 31 5kA 6 公开发表不少于 5 篇论文 7 申请专利 5 项以上 1 31 3 任务任务 3 3 高速铁路用高强高导接触网导线及其零部件的研制 高速铁路用高强高导接触网导线及其零部件的研制 1 满足时速 350km 高速列车接触网架线要求 批量生产的高 强高导接触网线材料的主要性能指标如下 规格 mm 2 抗拉强 度 MPa 拉断力 kN 相对电导率 IACS 延伸率 5 400 2h软化抗拉强度 MPa 110 530 58 3 75 5 495 120 530 63 6 75 5 495 150 530 79 5 75 5 495 2 满足时速 350km 高速列车接触网架线要求 生产的高强高 19 导接触网线材料的辅助性能指标如下 规格 mm 2 180反复折弯 次数 扭转圈数 卷绕圈数 振动无破损 次数 疲劳无破损 次数 110 4 5 3 2 10 6 5 10 5 120 4 5 3 2 10 6 5 10 5 150 4 5 3 2 10 6 5 10 5 注 振动检测使用参数 振动频率 4Hz 振幅 35mm 载荷 31 5kN 疲劳检测使用参数 频率 3Hz 交变载荷 30 0 9 0kN 3 通过研究 形成一套具有自主知识产权 适应 350 公里以 上高速铁路接触网零部件系列 并形成具有中国特色的 通用的高速 接触网零部件技术标准 1 41 4 任务任务 4 4 牵引供电系统雷电防护技术及装臵研究 牵引供电系统雷电防护技术及装臵研究 1 1 牵引供电系统雷电防护指标 牵引供电系统雷电防护指标 通过实施本课题研发的防雷措施 接触网绝缘子在雷电感应过电 压作用下闪络概率低于 10 2次 百公里 年 接触网雷击跳闸后重合成 功的概率大于 99 牵引变电所的雷击事故次数低于 10 2次 所 年 2 2 高速铁路沿线走廊的雷电活动分布规律监测技术指标 高速铁路沿线走廊的雷电活动分布规律监测技术指标 监测京沪高速铁路沿线走廊两侧各 1km 范围内的雷电活动分布 规律数据 数据内容包括 雷电地闪密度 雷电流幅值概率 极性分 布等 3 3 接触网雷电过电压监测雷电故障定位系统主要技术指标 接触网雷电过电压监测雷电故障定位系统主要技术指标 采样频率 10MHz 可记录雷电过电压波完整波形 能够确定雷 电故障点位臵 4 4 其他 其他 研发牵引供电系统雷电过电压防护仿真软件和接触网绝缘子工 频短路电弧运动特性仿真软件 研制出拥有自主知识产权的接触网绝 缘子专用并联保护间隙和专用避雷器等防雷装臵 编写出牵引供电系 统的雷电防护导则 申请发明专利 4项 编写研究报告 5篇 发表论 文 5 篇 本课题研发的雷电防护技术和装臵属国际领先水平 1 51 5 任务任务 5 5 高速铁路供电系统综合补偿及谐波抑制技术 高速铁路供电系统综合补偿及谐波抑制技术 1 研究高速铁路供电系统综合补偿及谐波抑制新技术 提出 一种适用于 27 5kV 电压等级的综合补偿及谐波抑制拓扑结构 在建 立其电气模型的基础上 提出适用于该结构的负序 电气谐振 谐波 及无功快速检测方法及控制方法 在确保系统安全可靠运行的前提 下 形成一套综合补偿及谐波抑制装臵 RUPQC 主电路参数优化设计 方法 确保装臵的可靠性和良好的性价比 20 2 高速铁路供电系统负序 电气谐振 谐波 无功与电压波 动与闪变补偿与抑制新方法新技术的研究报告 包括理论分析 技术 规范 装臵研制方法 研究结论及实验应用结果等方面的内容 3 在国内外高水平学术刊物和会议上发表学术论文 15 篇 获 取发明专利 4 项 软件著作权 4 项 4 提供 27 5kV 16MVA 综合补偿及谐波抑制装臵样机一台 样机及其关键技术适应时速 350 公里以上高速列车牵引供电系统高 速度 高密度 大容量的特点 满足牵引供电系统电能质量综合补偿 需求 通过等效额定工况运行试验 电介质强度试验 等效过流 过 压保护试验 完成产品定型并通过型式认证 产品额定容量时工作效 率不低于 95 谐波检测精度达 1 级 装臵应用后高速铁路供电网 负序 谐波含量低于国家标准 牵引站牵引供电臂侧电压波动与闪变 达到国家标准要求 系统功率因数高于 0 95 补偿装臵响应速度小 于 7ms 过载能力不低于 1 2 倍 2 秒 平均无故障时间 4000 小时 除开关器件外所有关键技术均拥有自主知识产权 产品与国外同类产 品性能相当甚至部分技术如控制技术处于国际领先水平 5 制定高速铁路供电系统综合补偿及谐波抑制装臵的行业标 准 并形成综合补偿及谐波抑制装臵的制造工艺指导规范以及产业化 规模生产能力 1 61 6 任务任务 6 6 高速铁路牵引供电品质研究 高速铁路牵引供电品质研究 1 高速铁路牵引供电系统电力综合负荷建模平台满足如下功 能需求 a 牵引变电站综合负荷特性在线采集功能 b 负荷模型结 构选择功能 c 负荷模型参数在线辨识功能 d 负荷模型参数选择 功能 e 负荷模型参数覆盖高速铁路不同机车类型 不同运行方式 和不同运行状态 2 高速铁路牵引供电系统供电品质综合评估平台满足如下功 能需求 a 供电品质综合评价指标客观性 综合性 可操作性强 b 专家支持系统能够根据给定计算边界条件 给出完整的供电品质 综合评价结论 c 能够实现高速铁路牵引供电品质的智能化综合评 估并制定提高和改善供电品质的最优技术方案 3 高速铁路牵引供电系统综合数字仿真平台能够满足牵引供 电系统负荷特性和供电品质研究的仿真需要 4 基于课题所提出的牵引供电系统电力综合负荷模型及模型参数 的所有仿真结果 供电品质综合评价结果 须通过实际工程的仿真和 实测检验 综合负荷建模的精度 与实际测量的误差小于 5 2 2 主要经济指标主要经济指标 21 根据铁路中长期发展规划 十一五 期间建成 7000 公里高速客 运专线 到 2020 年左右 我国将建成线路长度约 1 2 万 km 的高速 铁路 而 十一五 期间建成 7000 公里高速客运专线 2 12 1 任务任务 1 1 高速动车组不分闸自动过分相技术的研究与装备试制 高速动车组不分闸自动过分相技术的研究与装备试制 高速铁路牵引供电系统平台为 AT 供电方式 供电臂间距为 25 公里至 50 公里 接触网分相装臵在两各供电臂之间设臵 按未来 15 年高速铁路将建设 2 万公里计算 需设臵电分相约 1400 处 目前国 外地面自动过分相装臵每处约 500 万元 按国产化后每处 300 万元考 虑 有约 42 亿的市场规模 与国外直接进口该装臵相比较 可节约 工程投资 28 亿元 2 22 2 任务任务 2 2 专用 专用 2 2 27 527 5kV GISkV GIS 开关柜技术的研究与装备试制开关柜技术的研究与装备试制 近年来 气体绝缘开关设备在我国得到了迅速地推广与应用 特 别是随着我国城市电网建设和改造 轨道交通以及大型工矿企业等对 开关设备提出了小型化 智能化 免维护 全工况等新的更高要求 高性能 高品质的充气柜在国内的需求越来越强烈 由于传统空气绝 缘开关设备受环境条件 如高海拔 潮湿 盐雾 污秽 腐蚀等 的 局限性 已不能满足冶金 石化 矿山以及沿海地区等用户的要求 城市地铁和轻轨 高层建筑 大型企业等场合 因占地面积 空间限 制等因素 也必将选用 35kV气体绝缘开关设备 35kV GIS 开关柜具 有广阔的应用前景 目前国内所使用的绝大部分为进口产品 但是 国外产品由于电压等级 35kV 电力系统中性点接地方式的差异 还 不能完全满足国内用户的使用 因此必须加快国内 GIS 产品的研发 制造步伐 根据铁路中长期发展规划 初步推算 十一五 期间大 约需要 3920 台套 采用进口引进大约需要资金 176400 万元 国产化 后大约需要资金 137200 万元 至 2020 年总建成 12000 公里高速客运 专线初步推算 大约需要 7000 台套 采用进口引进大约需要资金 315000 万元 国产化后大约需要资金 24 5 亿元 2 32 3 任务任务 3 3 高速铁路用高强高导接触网导线 高速铁路用高强高导接触网导线及其零部件的研制及其零部件的研制 目前高速客运专线所需的高强高导接触网导线及承力索的原材 料基本都由国外进口 国内加工或直接进口成品 目前 高速铁路基 本上接触线采用 150mm2导线 承力索采用 120 mm2导线 每公里约 2 7 吨铜线 按每年 1000 公里高速铁路计算 每年全国的需求量在 7000 吨铜导线 产值在 10 亿以上的水平 到 2020 年 全国约有 100 亿的市场规模 若该项目成功将每年为国家节约外汇在 13 亿人民币 并且在替代进口产品的情况下还节省铁路造价 3 亿人民币 按该项目 在 2009 研制成功至 2020 年的市场规模计算 共节省外汇约 130 亿人 22 民币 节省工程投资约 30 亿元 以上的分析只是针对 350km h 以上的高速铁路而言 实际上若该 高强高导导线研制成功 由于其技术指标 530MPa 电导率 76 优于目前在 160 km h 及 250 km h采用的锡铜导线 420