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电力牵引接地系统分析电力牵引接地系统分析 摘要摘要 牵引供电系统由馈电线 有轨电车 铁轨 静态电线组成 牵引负 荷是应用在机车与钢轨之间的一个单相负荷 为了保证牵引线上的电压稳定 在沿线并联了自耦变压器 还有诸如铁路站台和架空桥的建筑 变电站和并联 车站配备接地网络 依次连接到静态电线上 架空桥与站台基础连接到钢轨或静 态电线线上 轨道和静态电线连接在能提供持续电流的固定位置 沿整个电力 系统的接地系统的设计 使工作人员和乘客的安全是有所保证 接地系统的综 合性能由整个供电和接地系统决定 通过计算在不同地方的最大的接触电压与 IEEE 标准 80 相比较以策安全 关键词关键词 接地接地 牵引供电系统牵引供电系统 一 背景一 背景 华盛顿和波士顿之间的东北走廊是这个国家最繁忙的铁路系统 一年的旅 客发送量超过2 2亿人次 美国铁路公司在1976年全心投入到这条牵引网络中 那时美国铁路公司在升级基础设施和牵引系统上已经有了很大的提高 目前 美国铁路公司正在进行从纽黑文市到波士顿的北部线路的电气化改造 这项工 程包括四座变电站 18个并联车站 三个配电站 23个铁路站台和超过224座桥 梁 牵引系统的电力供应来自三个不同的供电公司 分别是波士顿爱迪生公司 BECo 东北电力公司和腊纳西甘特 NEU0 电力公司 NEU提供两个地方的 电力供应 而BECo和NECo各自供电于一处 每个牵引变电站服务于两个接触网 系统 一路供向东路 另一路供向西路 在本文中 接地计算在新伦敦西部地区沿线铁路的建模和计算中体现了出 来 本研究的意图是铁路沿线三相交流供电系统 牵引变电站 牵引导体 轨 道 并联车站和配电所的模型建立 运用这些模型 对牵引系统中任何地区的 接触电压进行了研究 二 牵引系统的定义二 牵引系统的定义 里程标 MP 沿着轨道的距离在里程标呈现出来 第一个数是所在位置 到参考点距离的英里数 第二个数是英尺数 阻抗键 一个特殊的变压器由几圈重铜绕一层叠片铁芯组成 其中终端连 接到每个轨道 中点引出来连接在临近的轨道类似的点上 阻抗系数提供非常 高的阻抗到信号电流 并且提供低阻抗到 60 赫兹牵引电流 A 点被定义为在所 有轨道和悬挂支撑结构搭连的阻抗中性点的位置 悬挂支撑依次和静态电线搭 连 所有变电站 并联车站和配电站都有 A 点 图 1 用于仿真的系统图 自耦变压器 一个中心抽头变压器是用来提供三相系统的牵引系统 输入 是两相的 115 kV 供电系统 一个终端输出连接到 27 5KV 的馈电线 另一路输 出连接到移动的受电弓上 中性点通过阻抗连接到铁轨 变电站 一个牵引变电所由带有开关设备的两次降压的自耦变压器并提供 两相的 115KV 电路 如图 1 一个自耦变压器供应西侧的牵引系统 其他自 耦变压器供应东侧的牵引系统 平行车站 一个并联车站配备一台自耦变压器和开关设备并连接到受电弓 如图 1 所示 自耦变压器作为一种反馈装置来提高牵引线沿线电压属性 配电站 一个配电站配备了具有开关设备的自耦变压器并连接到受电弓上 如图 1 所示 它没有和实用电源有直接的供给连接 配电站是一个牵引子系统 的终点站 三 系统描述三 系统描述 图1中描述了一个单线铁路的牵引系统 牵引系统三相电源被分成了一个通 用的四线系统 新伦敦牵引变电站的电力是由东北电力公司的William街变电站 的115KV 三相供电系统提供的 William街变电站通过两个三相连接到 Montville和Flanders变电站的115KV输电线路上 两路单相115KV 大约1800英 尺的地底电缆提供给新伦敦西部和东部的电车 牵引系统通过设在新伦敦变电 站的两路单相 40MVA的自耦变压器提供电力 在每个给定的位置有两条轨道 一路上行线和另一路下行线 每一条线路 都包含接触线 承力索 馈电线 静态电缆 轨道1和轨道2 电流回路包括铁 轨 静态电线 和土壤 静态电线要定期的维修以保证均匀 电压属性通过安 装在并联车站上的自耦变压器进行调整 在电力系统的末端有一个安装有吸流 自耦变压器的配电站 牵引变电站 并联车站和配电站当故障接地时提供接地 网以保证安全 同样地 在多个铁路站台和桥梁位置也有接地系统 在实际的 接地分析 2 5 的基础上 安全性能用输电网参数的最大故障电流和故障 清除时间进行评价 从安全的观点计算接触电压和跨步电压 对于牵引供电的 接地系统这种方法不是很精确 因为有很多的影响因素 如静态电线 接触线 馈电线 轨道 铁路站台 变电站和桥梁 因此 一个综合的供电和接地分析 对牵引系统是很必要的 本文对牵引系统的分析指明了方向 四 验收标准四 验收标准 在这项研究中 1986 版 IEEE 标准 80 被用于验收标准 1 允许的接触电 压和跨步电压分别是 1 t sCs allowableVt 10005 1 116 0 2 t sCs allowableVt 10006 116 0 此处 Cs 1986 版 IEEE 标准 80 中的因数 沿面电阻用欧姆 米表示s t 故障清除时间用秒表示 变电所接触电压 假定变电所被四英尺的碎石覆盖 碎石层的电阻为 2000 欧姆 米 如果一个人站在碎石上触摸变电所内的设备 这个电压被定义为变电 所接触电压 桥梁接触电压 如果一个人站在距桥梁一米的位置并且触摸桥梁 这个电 压被定义为桥梁触摸电压 条件在图 2 中已有说明 站台上对火车的接触电压 假设一个人站在距离火车一米的位置并且触摸 火车 此时感受到的电压称为站台上对火车的接触电压 接触网支柱接触电压 假定一个人站在离支柱一米的位置并且触摸支柱 此时感受到的电压被称为接触网支柱接触电压 此条件在图 2 中也有说明 五 系统模型五 系统模型 美国铁路公司的电力和接地部件用完整的接地系统设计方案建模 这是一 项用于在各种意外事件下全系统接地分析的规划 运用这种规划电力系统部件 可以被交互式地进入 这个规划中有些有效的模型是三相电源 电源阻抗 三 相四线 电缆 双绕组变压器 自耦变压器 用分裂导线和接地网组成的牵引 系统 这个项目的输出被每一个元件或者整个系统列出来 图形输出可以被转 换为经过文字处理的报告形式 以下是对假设进行的分析 等效的实用源是等效的正序 负序 零序阻抗下的理想电压源 每道两个轨道 静态电线 有轨电车和馈线被建模为互相耦合的电线 火车轴的影响没有被包括在这次研究中 火车轴在两轨之间提供一个短 路路径 自耦变压器的饱和效应被忽略 避雷器未进行建模 图 2 接触电压说明 作为一个例子 在新伦敦变电站模型和 47 05 英里的铁路部分电气系统 议员通过 MP 150 15 103 10 提出 该系统已被分隔成两个子系统 新伦敦 西部子系统在米莱波斯特 103 10 公里处到新伦敦变电站 123 56 公里处共包括 一个变电站 2 个平行站 10 个桥梁 2 个月台和 14 个 A 点 公用系统当量 三相四线系统建模实用正序和零序阻抗 三相线 在等效电源和新伦敦西部之间的三相电线用导体和相导体坐标的 位置描述 变电站变压器 电力变压器是单相 双绕组 用第二个中心抽头 20MVA 6 的总阻抗 变比为 17 原 副边电压为 115KV 2 27 5KV 初级线 圈连接在穿过相电压的两线之间 次级线圈连接在接触线到轨道和轨道到正馈 线上 平行车站自耦变压器 平行车站所用自耦变压器为 10KVA 1 2 阻抗 17 变比 额定为 27 5KV 的双绕组 自耦变压器的两绕组分别连接到接触线和轨 道之间 轨道和正馈线之间 接触网系统部分 在变电站之间的每个接触网部分用一个 10 导体分布参数 线路模型建模 导体的几何图形如图 3 土壤电阻率从测量值中减去 接触网 模型是为所有的变电站 平行车站 和桥梁位置做准备 这种导体应用在模型 中就是接触线 正馈线 静态电线 轨道 1 和轨道 2 所有轨道用分布式的耦 合线圈模型描述 阻抗键 阻抗键的规格是 30KVA 初级 次级电压为 1 0KV 0 5KV 0 01P U 的阻抗 图 3 双轨道系统的导体位置 桥和管道 一般而言 钢结构和混凝土桥在美铁系统中经常遇到 所有的 桥梁设备在铁路一侧都有接地回路 桥梁都连接到牵引系统每个位置的静态电 线上 土壤电阻率可以从测量值中获得 接地网 在伦敦变电所和各个平行车站设有接地网 这些接地网是不规则 的和详细地模式化的 例如 在新伦敦变电所的接地网位于一个 130 英尺长 40 英尺宽的区域内 用间距为 19 英尺的网格导体包括靠近网柱的接地系统模型和 其他的埋地导体 平行车站的接地网位于一个 40 英尺 80 英尺的区域内 接 地网间隔为 10 英尺 每个区域的土壤模型都来自测量 铁路站台 站台接地网包括一个 4 0AWG 裸铜地网和铜包钢的接地棒 必 要时用于全部轨道上 土壤数据 新伦敦变电站的土壤电阻率数据来源于测量 上层地表土壤的 电阻率为 51 14 欧姆 米 底层为 920 6 欧姆 米 上层地表的深度为 10 05 英尺 所有牵引线路上想得到地区的土壤电阻率均来自现场测量 六 结果与讨论六 结果与讨论 新伦敦西部系统的分析已经用以上描述的模型演示出来了 计算的故障电 流 中性通用记录器 钢轨通用记录器 描述了新伦敦西部的轨道接触电压和 支柱接触电压 许多场景被研究了 有代表性的结果在此陈述 变电所的安全评估 在新伦敦变电站的安全评估是由第一种计算所得 其 为产生最大地电位升高的接地故障 在这个条件下计算最大接触电压并于允许 值相比较 图 4 说明了接触电压的分布 容许的接触电压和最大的地电位升高 特殊值为 最大地电位升高值 GPR 817V 允许接触电压 Vt 595V 计算所得的接触电压 43V 接地电阻 Rg 2 79Ohm 按照标准值 80 的要求 最大接触电压在允许接触电压以内是安全的 接触网到中性 静态 点的故障 接触网到中性点发生的故障有很多种原 因 比如绝缘子结冰 绝缘子被动物短路 垂下的树枝等等 这样的故障可以 在变电所 平行车站 配电站 站台和桥梁上产生更高的接触电压 典型的如 中性点通用记录器 轨道记录器 中性点或轨道的接触电压和轨道沿线的故障 电流都在图 5 中有所描述 接触网到轨道的故障 接触网到轨道的故障发生是因为伸缩臂的动作 一 般而言 他们在沿线的轨道上产生很高的接触电压 例如 中性点 轨道记录 器显示 轨道接触电压和线路上的故障电流如图 6 所示 在这种情况下所显示出来的接触电压是受限制的 此后未经认可的工作人 员在这种电压产生的地方不得进入 接触网支柱接触电压 在研究中 系统中接触网支柱的接触电压大约为 200V 随着到新伦敦变电所距离的增加 其接触电压下降 例如 在 Montauk 桥上接触网支柱的容许接触电压是 268V 计算出来的接触电压小于容许接触电 压 桥梁接触电压 在系统中此接触电压和每座桥上的容许接触电压都被计算 了出来 在一座桥上典型的电位属性如图 7 所示 桥上的特殊电位为 最大的接地电位升高值 GPR 517V 允许接触电压 Vt 268V 计算所得接触电压 96V 图 4 新伦敦变电所电位分布图 图 5 接触网到中性点故障轨道剖面图 按照 IEEE 标准 80 计算所得的接触电压应该低于允许接触电压 如果键 位于桥上的话 依照已定义的标准 管道设施是可以接受的 有几个有用的管道附在铁路桥上 金属管道可以将接地电位的升高转移到 远离轨道附近的其他地方 较低的接地电位升高和管道的周期性接地提供了一 个满意的解决方案 当然还应该提供管道的类型 这种管道可能是绝缘的 玻 璃纤维 PVC 等 塑料涂层管外部有套管的管道 每一种情况都应该被处理 转移为特殊情况下的接触电压 站台接触电压 对接触网到中性点 静态电线 故障时的极点接触电压和 接触网到轨道故障时的火车接触电压都是经过慎重考虑的 至于因为接触网到 轨道故障时的火车接触电压 它可以假设为在站台的中间有一个 A 点存在 例 如 图 8 显示了新伦敦站台位置的接触电压属性 其不同的电位为 最大的地电位升高值 GPR 872V 允许接触电压 Vt 251V 计算所得的接触电压 79V 图 6 接触网到轨道故障轨道剖面图 图 7 Montauk 桥电位平面线图 图 8 新伦敦站台的电位属性 图 9 Millstone 平行车站的电位属性 站台位置的允许接触电压用 1 计算和原积土壤电阻率参数 计算所得接 触电压低于允许接触电压并且参照安全规格 平行车站接触电压 从安全的观点看 连到接地网的金属部分的接触电压 是非常重要的 例如 图 9 说明了在 Millstone 平行车站的接触电压属性 这种 特殊的电位