高速铁路牵引网（共8篇）
高速铁路牵引网 篇1
行波测距法通过检测初始行波与反射行波到达时刻差与行波波速,实现对故障点的准确定位。高速铁路牵引网线路正常供电电压为27.5 kV,故障发生时,线路产生的暂态行波频谱成分复杂,不便于对行波波头的准确识别,同时行波信号的频率对于行波波速也有一定的影响[1,2,3,4]。因此,若能在不影响行波信号波头特征的情况下,提取行波信号某一频段信号进行分析,将有助于减小行波波头到达时刻和行波波速的测量误差,提高故障点定位精度。
1 FFT频谱分析和FIR滤波技术基本原理
1.1 FFT技术基本原理
基于离散傅里叶变换的原理将时域中解决的问题转换到频域中进行分析。傅里叶变换的基本公式如下[5,6]:
F{f(x)}=F(u)=∫
将其离散化得到离散的傅里叶变换:
u=0,1,2,…,N-1 (2)
为满足高速铁路故障判定快速、实时的要求,采用快速傅里叶变换对行波信号进行处理。FFT 的递推公式为:
F(u)=1/2(Feven(u)+Fodd(u)W(2M) (3)
F(u+M)=(1/2)(Feven(u)-Fodd(u)W(2M)u) (4)
其中:铰链因子W(N)=exp(-j2/N) 是一个常数;N=2M =2n。式(3)和式(4)表明一个N个点的变换,能够把原始数据分成每个点数为N/2的两部分,分别计算得到Feven(u)和Food(u)。奇数部分和偶数部分之和得到F(u)的前(N/2)各点的值,奇数部分和偶数部分之差得到后(N/2)个点的值。对于任何N=2M的DFT变换,可以通过计算m点的DFT来实现。可见,采用快速傅里叶算法可以大大降低算法的复杂度,节约运算量。
1.2 FIR滤波技术基本原理
有限长冲激响应滤波器(FIR)具有系统稳定好、易于实现线性相位、允许设计多通带(或多阻带)滤波器[7,8]等优点,故本论文采用FIR滤波器对故障行波数据进行分析。FIR滤波器的冲激响应h(n)具有有限长度,数学上M阶FIR滤波器可以表示为:
其系统函数为:
FIR滤波器的设计问题实质上是确定能满足所要求的转移序列或脉冲响应的常数的问题,设计方法主要有窗函数法、频率采样法和等波纹最佳逼近法等。本文采用窗函数法进行FIR滤波器的设计。窗函数设计法是一种通过截短和计权的方法使无限长非因果序列成为有限长脉冲响应序列的设计方法。
2 行波信号的检测
本文基于A型行波法原理,对高速铁路牵引网实际线路跳闸时的信号进行了多次测量。实验方案基本原理如图1所示。
如图1所示,MN表示实验线路,在M端安装行波传感器,当F点处发生故障时,引起线路跳闸。此时F点产生暂态行波信号,沿线路两端传播,其中沿M端传播的信号到达线路起始端时发生第一次反射,第一次反射信号行经故障点F处时,发生第二次反射。行波传感器记录下两次反射行波信号的波形。基于以上原理,本文在天津南仓变电站安装了多个传感器,对上海方向的217#馈线倒闸时的信号进行了监测,数据采样率为60 MHz,采样长度为262 144个点。以下对于行波信号主频率成分的分析以某次线路倒闸时的实测数据为例进行说明,信号波形如图2所示。
3 行波信号频谱成分的分析
3.1 行波信号的频谱分析
根据1.1节中所述快速傅里叶变换原理,设计算法对如图2所示行波波形数据进行分析。频谱分析结果如图3所示,横坐标表示频率值,单位Hz,纵坐标表示能量密度。
根据分析结果所示,行波信号频谱成分复杂,能量最高点对应频率为20.6 kHz,大部分能量分布在5 MHz以下的频段。对比实际测试信号与频谱分析结果可知,由于高速铁路牵引网线路跨度大,对应的测试数据长度较长,在初始行波与故障行波之间存在较多的噪声信号,因此,行波信号频谱分析结果中能量谱幅值最大点处对应的频率值并不一定为故障行波的频率。在此情况下,根据频谱分析结果,采用数字滤波技术对于频谱分析中的各主要频谱成份进行分析。
3.2 FIR滤波技术在行波信号频谱成分分析中的应用
根据1.2节所述FIR滤波器基本原理,本文选择阻带衰减高的凯泽窗进行FIR滤波器的设计,其具体实施步骤如下:
(1)确定滤波器技术指标。滤波器指标参数一般为通带截止频率ωρ、阻带截止频率ωs、实际通带波动Rp和最小阻带衰减As。根据技术指标计算归一化过渡带和滤波器阶数。归一化过渡带为:
(2)根据待求的五个带通滤波器的理想频率响应函数Hd(ejω),采用傅里叶反变换式求出理想单位脉冲响应hd(n):
(3)计算滤波器的单位脉冲响应h(n)。它是理想单位脉冲响应和窗函数的乘积,即h(n)=hd(n)wd(n)。
(4)设计FIR滤波器,验算技术指标是否满足要求,如果不满足要求,可根据具体情况,调整窗函数类型或长度,直到满足要求为止。
(5)对给定数据进行滤波计算。
根据设定指标,采用FIR滤波器对天津南仓变电站现场测试数据进行滤波分析,结果如图4所示。
由图4(a)可见,在10 kHz～300 kHz频段,反射行波信号幅值较小,噪声信号幅值较大。整体波形在原点附近持续振荡,慢慢衰减到零,由此分析,振荡可能由于谐波分量引起。由图4(b)可见,在300 kHz～600 kHz频段,整体波形未发生明显的振荡,但在幅值较大的行波波头信号后,有较严重的拖尾峰存在,导致两次反射信号波形并不能较好的区分开。由图4(c)、(d)、(e)、(f)、(g)可见,从600 kHz开始,随着频率的增加,行波信号的幅值慢慢下降,但主峰幅值信号下降的速度明显低于其后振荡过程中信号幅值的下降速度,如图4(g)所示,主峰幅值约为2.2 V,其后振荡波形幅值约为0.2 V。此外,对比图4经滤波处理后的波形与图2所示的原始波形可见,原始波形中波头的信号极性特征经滤波处理后变得较不明显。
4 总结与展望
本文采用FFT与FIR技术,对高速铁路牵引网线路跳闸时的信号波形进行了分析。由分析结果可见,故障行波信号的噪声主要分布在600 kHz以下的频段,其特征类似于工频电信号的谐波分量。因此,利用行波信号的高频段进行分析可以较好的滤除噪声干扰,提高定位的准确度。但FIR滤波处理后的信号极性特征被明显消弱,不利于根据极性变化进行故障性质的分析。为准确获取行波波头到达时刻,在下一步工作中,可在本论文分析的基础上,采用小波变换算法结合模极大值理论等对于行波信号进行时域和频域的综合分析,以更准确的提取行波信号主频率成份,提高行波波头定位的准确性。
摘要：基于FFT频谱分析和FIR滤波技术原理对实际高速铁路牵引网馈线跳闸时的行波信号频谱进行了分析。结果显示:在(10～300)kHz频段,反射行波信号幅值较小,噪声信号幅值较大,整体波形在原点附近持续振荡;在(300～600)kHz频段,整体波形未发生明显的振荡,但在幅值较大的行波波头信号后,有较严重的拖尾峰存在。从600 kHz开始,随着频率的增加,行波信号的幅值慢慢下降,但主峰幅值信号下降的速度明显低于其后振荡过程中信号幅值的下降速度。
关键词：高速铁路牵引网,行波测距法,快速傅里叶变换,FIR滤波,频谱成份
参考文献
[1]Ekici S,Yildirim S,Poyraz M.Energy and entropy-based feature ex-tractionfor locating fault on transmission lines by using neural networkand waveletpacket decomposition.Expert Systems with Applications,2008;34:2937—2944
[2]于泽,费明.基于小波变换和行波法的电缆故障测距方法研究.科学技术与工程,2011;11(34):8343—8347
[3]Li Zewen,Yao Jiangang,Zeng Xiangjun,et al.Power grid fault trav-eling wave network protection scheme.Electrical Power and EnergySystems,2011;33:875—879
[4]陈平,葛耀中,徐丙垠.利用故障线路分闸暂态行波的故障测距研究.电力系统自动化,2004;28(1):53—58
[5]程佩清.数字信号处理教程.第2版.北京:清华大学出版社,1995
[6]郑君里.信号与系统.上,下册.北京:高等教育出版社,1999
[7]黄大卫.数字滤波器.北京:中国铁道出版社,1991
[8]刘和平,邓力.数字信号处理.北京:机械工业出版社,2007
高速铁路牵引网 篇2
【关键词】高速铁路网；客流输送模式；特征；选择
随着我国交通网络和市场经济的不断发展，我国人民对于交通网络的需求量越來越高，这也就给我国的高速铁路交通网络提出了挑战。虽然目前我国大部分地区均加大了对于铁路交通网的建设工作，但是与日益增加的需求量相比还是存在着较大的差距。因此，不能单纯只加强对于交通网络的扩展建设，还应该对高速铁路的客流输送模式进行正确的选择。
一、高速铁路网络及其客流的概述
高速铁路网络与普通铁路网络有所不同，其主要承载的是各类高速铁路列车，我国的高速铁路网络的发展虽然较为落后，但是已经具有了一定的规模，并且还在不断的完善过程中。
（一）高速铁路网络的类型
高速铁路网络与普通铁路网络有着极大的区别，因此其在类型上也有着一定的差异。一般情况下，对于高速铁路网络的分类主要是依据铁路的修建类型进行区分的，包括两大类，分别是通道型和城际客运型。其中通道型高速铁路网络主要指的是连接在各省省会、直辖市以及各大型城市之间的高速铁路，例如京沪、京广、京哈等铁路，将这些铁路组成的运输网络就成为通道型高速铁路网络。而城际客运型网络主要是在人口密度较大、城市经济较发达、城市间活动较为频繁的各城市之间建立铁路网络。这种铁路网络与通道型铁路网络有着一定的区别，它一般运行的城市较多，设立的中转站较多，能够为短途的旅客提供较大的方便。
（二）高速铁路网络的特点
高速铁路网络的特点与普通铁路网络也有着一定的区别，首先，在车站方面，高速铁路交通网络采用的是更加先进化的服务理念，同时给旅客提供的候车环境也与普通铁路交通网络不同。另外，对于车站设立地点的选择上也并不是采取各地均设站的标准，而是在客流量较大、经济发展较快、铁路网络较为发达的城市设立中转车站。其次，高速铁路的线路建设也与普通铁路有所不同，其主要采用的是双线电气化供能技术，同时铁道的修建也采用的是无砟轨道和无缝轨道技术，实现了铁道的高稳定性工作。第三，高速铁路网络中所选择的列车也是目前我国最先进的列车种类，其车身抗阻力能力较高，材料质量性较高，并且能够在满足高速行驶的前提下节省能源。同时列车内的座椅、通道、供水设备等都选择的是最舒适最先进的技术，保证旅客不断提升的服务要求。
（三）高速铁路网络客流的分析
在高速铁路网络中，根据不同的条件可以将客流分为不同的种类。其中，根据旅客出行的距离进行区分，可以将客流分为短途、中途以及长途，其中短途旅客一般乘车时间不会超过两个小时；中途旅客的乘车时间一般在2-6小时之间；而长途旅客一般乘车时间要超过6小时。而根据是否跨线可以将客流分为本线客流和跨线客流，其中本线客流的旅客在同一条高速铁路上即可完成旅途；而跨线客流的旅客则需要通过中转站进行跨线乘坐才能够到达目的地。按照客流量的多少可以将其分为大站客流和小站客流，其主要就是根据中转站内客流量的多少进行却分。另外，高速铁路网络的客流还有着自己独有的特点，其中主要包括客流量较大、旅客出行距离较远、跨线客流量较大、客流结构较为复杂、客流密度分布不均匀等特点。
二、客流输送模式的特征
铁路运输过程中客流输送模式的特征主要是与旅客是否需要转乘有关，其主要分为直达型客流输送和转乘型客流输送。其中直达型客流输送较为简单，其主要就是需要注意铁路运输网络中单一路线的通常程度，保证旅客能够在规定时间内到达目的地。而换乘型客流输送就相对复杂，其不仅需要考虑旅客所乘坐的列车在线路上是否能够通畅运行，还要考虑个中转站之间列车到站、换乘时间上的配合，保证旅客在换乘过程中能够及时赶上换乘的列车。
三、高速铁路成网条件下客流输送模式的选择
在对高速铁路成网条件下的客流输送模式进行选择时，应从两个方面进行考虑，分别是铁路企业的运输收益和旅客出行费用。其中，从铁路企业的运输收益角度出发，就是以运输收益为最优先条件对客流输送模式进行选择。这里所提到的运输收益主要基于最大程度满足客流需求量和旅客服务需求的前提，在计算时可以利用旅客车票的总收入减去铁路企业固定资本和变动成本的总和，利用现代计算机技术对整个高速铁路运输网络进行模拟分析，将每一个时间段旅客流量的基本数值输入到系统中，利用模糊理论方式对铁路企业的收益进行计算，并将计算结果最优的客流输送模式进行对比，选择最佳结果。
而以旅客出行费用作为参考条件进行客流输送模式的选择，其主要包括旅客在乘坐列车的过程中所差生的车票费用、乘坐时间、换乘时间、自由度等多个时间价值的综合。在对这种方式进行计算的过程中，如果时间价值的费用大于旅行时间费用、换乘时间费用以及选择的自由度费用，那么则视其为换乘方案的最优模式；反之则为直达方案的最优模式。然后根据软件模拟的客流输送模式下个方案的费用对比，选择出旅客花费最好的客流输送模式。
结语
随着我国高速铁路网络的逐渐发展，在未来其一定会取代普通铁路网络成为人们出行的首选。而在其发展成熟之前，应该向就目前高速铁路网络条件下的客流输送模式进行科学的选择，保证在未来铁路运输交通网络的建设中能够更加满足铁路企业和旅客的要求，实现客流输送的最优化。
参考文献
[1]徐行方，杨学军.高速铁路运输组织相关问题的研究[J].交通与运输，2010（08）.
[2]王爽，赵鹏.快速客运网列车直达与中转方案选择条件分析[J].系统工程，2011，29（03）.
[3]江峰，杨锐，占曙光.中长途高速客流组织模式决策影响因素研究[J].铁道运输与经济，2013，35（07）.
高速铁路牵引网 篇3
我国高速铁路动车组变流器均采用正弦脉宽调制(SPWM)技术,使得低次谐波含量大幅降低,但在开关频率偶数倍附近产生了不可忽略的高次谐波。 高次谐波电流在牵引网传输过程中,得到了不同程度的畸变和放大。 当牵引网参数和机车参数在某一频率下匹配时,即认为牵引网发生了谐波谐振,会引起避雷器、绝缘子、并联补偿装置的爆炸等［1-4］。 牵引网中的谐波谐振分为并联谐振和串联谐振,2种谐振的特性并不相同,并联谐振产生节点过电压,串联谐振使回路中产生较大的谐波过电流,造成较大的线路电压损耗,并对周遭的环境产生较大的电磁干扰。 从这个角度而言有必要针对牵引网串联谐振展开分析,从而对牵引网出现的谐波谐振危害,根据不同特性应具体分析,采取不同的抑制措施。
频谱分析法是当前唯一能准确识别谐振存在和确定串并联谐振频率的通用方法［5］,该方法是利用系统节点阻抗矩阵的频率扫描进行分析,从而使每个节点都含有系统所有的谐振信息,因此不能有效分析串联谐振。 文献[6-7]提出了模态分析法和S域分析法:模态分析是通过分析节点导纳矩阵的特征根及特征向量的依频性质,得到相关的谐振信息; S域分析是将频域转化为复频域,通过建立节点电压输出与节点电流注入的传递函数进行分析,传递函数的极点即确定为并联谐振频率,其零点即可确定串联谐振频率。 这些方法在分析节点过电压即并联谐振问题上已有统一的结论,但对串联谐振的分析仍然没有定论［8］。 文献[9-10]提出使用支路法分析串联谐振,实际上非线性激励源仍是谐波电流源, 依然属于并联谐振范畴,而非串联谐振。 文献[11]通过增加虚拟支路模拟谐波电压源,通过增加回路阻抗矩阵维数得到了与频谱分析法较一致的结论。 若以频谱法作为串联谐振分析的检验标准,文献[11]提出的虚拟支路法将成为分析串联谐振又一有效的手段,但该方法对于复杂系统或多导体传输线路的阻抗矩阵建模难度较大,且维数较高。 本文将谐波电压源及非线性负荷等效谐波阻抗转换为谐波电流源与导纳并联形式,利用由节点导纳矩阵得到的关联矩阵代替回路阻抗矩阵进行串联谐振分析,将虚拟支路法进行改进,使之成为分析串联谐振的有效手段。
1串联谐振分析方法比较
图1为简单的电路系统,其谐振分析电路可等效为图2。 图2中,ZP为该电路系统等效阻抗;XT1为变压器阻抗;XT2为谐波源阻抗;XC为系统电容阻抗; Xsource为系统电源阻抗。
由图2可见,从谐波源看进去的系统阻抗为:
则串联谐振频率为:
并联谐振频率为:
可见,串联谐振主要与串联支路有关,而并联谐振是由相互并联的支路引起的。
利用频谱法对图1所示的电路进行分析,可得系统的节点阻抗分布如图3所示。 图中,3.84 p.u.、 16.51 p.u. 等为并联谐振频率相对工频的标幺值。 按照节点驱动点阻抗最大为并联谐振、最小为串联谐振的判据,由图3可见,该电路系统有3个并联谐振频率和6个串联谐振频率。 分别利用模态阻抗回路法［8］、支路法［9-10］、虚拟支路法［11］对同一电路进行谐振分析,得到该电路的阻抗分布如图4所示。 为便于和支路法比较,图4中虚拟支路法和模态回路法得到的阻抗值均乘以了10。
由图4可见,支路法和模态回路法得到了相同的串联谐振频率,且与频谱法得到的并联谐振频率相等,则可知其并非为串联谐振,只有虚拟支路法得到了与图3完全一致的分析结果。
虚拟支路法即假设在电路系统每一节点和参考节点之间增加一条连接支路,当分析到该支路短接情况下的回路阻抗矩阵时,则将该支路的阻抗置为0, 使其短路, 而分析其他支路短接时, 又将其置为无穷大,从而依次生成每一节点对参考节点短接时的节点阻抗,用模态分析其特征值,最后所得结果即可反映所有的串联谐振点位置和谐振频率［11］。 然而,由于高速铁路牵引供电系统的多导体分布特性和电路拓扑结构的动态变化性,利用虚拟支路法对其进行谐波谐振分析仍然存在以下问题:对多导体分布参数的建模复杂且难以选取合理的独立回路;回路的选取多种多样,无法确定哪些回路对串联谐振的影响程度;实际中的谐波电压源并不是理想的,需要增加导纳支路。
2改进虚拟支路法
串联谐振可认为是由谐波电压源激励产生的, 即在极小的线路阻抗中产生较大的谐波电流。 按非线性负荷的性质,可将谐波电压源等效为如图5所示的戴维南等效电路,且根据谐波电压源所在支路的形式不同［8，11-12］,可分别得到并联支路和串联支路的等效电路,如图5(a)和5(b)所示。 图中,k=1,2,…,n。
考虑到非理想情况下非线性负荷的阻抗特性和谐波电压激励特性,若Ze趋近于0,则可认为该非线性负荷为理想谐波电压源;若Ze趋于∞,则可认为其为理想谐波电流源。 实际中的谐波源并非理想的,故可将谐波电压源等效为Ze和Norton电路的组合,其中yr为极大数值(导纳极小),用于模拟电压源内阻抗, 可选取为纯电阻,如106S等。 经笔者分析发现,当yr大于105S后,该电阻不会对谐振分析产生影响,该值越大,则分析精度越高,从而可按照导纳极小的原则, 将谐波电压源等效为Ze和Norton电路的组合,即对电路系统增加导纳支路。 需要注意的是,Ze和Norton电路并不是简单的并联关系,Ze支路是对原谐波源阻抗的一种等效,而Norton电路是进行串联谐振分析所施加的激励源,Norton电路需分别与系统中的所有节点连接,如对系统中的节点i,Norton电路需分别与系统中的n个节点进行遍历,故图5中k=1,2,…, n。 其物理意义与频谱法一样,不同的是该Norton电路是对节点进行短路处理,而频谱法是开路,这也是分析串联谐振与并联谐振的区别所在。
由上述等效电路,对于并联型等效电路,可修改系统的节点导纳矩阵为:
对于串联型等效电路的系统节点导纳矩阵可修改为:
其中,上标(k)表示将Norton电路依次连接在节点k(k = 1,2,…,n),每次均进行独立的计算,且当进行y（rk）的时候其他yr（·）均为0。
此时,需要关注的是支路的电流响应,而不是节点谐波电压响应。 虚拟支路法为回路电流响应,实质上串联支路电流也等于唯一经过其的回路电流。 在提取支路电流方法中,S域分析法和支路法均可达到这个目的,为计算方便,本文用支路法建立串联支路电流与注入电流之间的对应关系。
假设系统中的一待考察支路m(位于节点i与节点j之间,且yij≠0)的电压差为:
其中,cm为支路m的关联行向量,元素值cm，i= 1、cm，j= -1、cm，else= 0。
由矩阵Y的元素可获知节点之间的连接关系和耦合程度,假设有r条独立的串联支路,按照初始节点从小到大的顺序,对支路进行编号,则有:
或U′=Cr，nU
由式(6)、(7)可得串联支路m的电流Jm=-u′myij、导纳dm=-yij;同样,对于并联支路,导纳。
支路的导纳矩阵为:
此时支路电流向量为:
其中,支路电流向量J= [J1,J2,…,Jr]T;C为系统的电容矩阵。
结合式(7)和式(9),则有:
此时,可通过控制谐波电压接入向量Uf=[uf1,uf 2, …,uf N]T,实现对不同节点、谐波电压大小、相位的选择, 并改变频率值进行扫描,以确定J中各元素随频率的变化规律,在极大值点时即可认为发生了串联谐振。
由上可见,该方法对于系统节点导纳矩阵的建立相当于其他方法而言并没有增加难度,故考虑在n个节点中逐一添加谐波电压源,便可对系统进行对串联谐振分析,分析计算流程如图6所示。
利用该方法,对图1所示的电路系统进行分析, 可得到如图7所示的4.93 p.u.、7.56 p.u.等6个串联谐振频率,“IN# 节点1,OUT# 支路2”表示Norton支路连接到节点1,从而得到支路2的电流响应,其他类似。 该结果与利用频谱法分析得到的图3所示的结论一致。
由图7可见,相邻2条支路均含有相同的谐振频率,但与其他节点的激励无交叉,如针对节点1激励可以激发支路1和支路2频率为4.93 p.u. 和22.84 p.u. 的串联谐振。 这就很好地解释了为何分析串联谐振需要串入电压源,而不是电流源。 频谱法只是从节点注入较大电流而节点电压相应最小(与并联谐振相反)对串联谐振进行界定,并不能从物理上解释串联谐振带来的问题,而改进虚拟支路法更加满足物理意义,符合实际。 与虚拟支路法修改回路阻抗矩阵一样,改进虚拟支路法需要对节点导纳矩阵进行修改,文献[11]的回路阻抗矩阵维数为2 n维,而改进虚拟支路法为n维,且节点导纳矩阵易于建模,更适用于复杂系统分析。
3高速铁路牵引网串联谐振分析
对于采用SPWM技术的高速动车组而言,其交流侧网压是由调制波和直流侧电压决定的。 由于变流器支撑电容可以较快地达到稳定,故变流器交流侧即为恒定的谐波电压SABUd［13］,其中Ud为动车组直流侧电压,SAB为三电平调制波。 高速动车组的等效电路如图8所示,图中Zx为车载牵引变压器泄漏阻抗。 可见,在牵引供电系统中有谐波电压源存在,满足串联谐振的激发条件。
为验证改进虚拟支路法的实用性,本文将该方法应用于某实际高速铁路牵引网的串联谐振分析。 该高速线路主要采用CRH2B型动车组,牵引网为长度为30 km的AT网线路,外部供电系统等效为戴维南等效电路,输入电压Us= 55 k V ( 接触线与钢轨之间为27.5 k V,正馈线与钢轨之间为-27.5 k V),牵引变压器漏抗Zx= 0.1 + j 0.37 Ω,系统等效阻抗ZS= 10 + j18.5 Ω,AT漏抗zg= 1 + j 4.5 Ω,滤波器参数选择Lf= 400 m H、Cf= 2 μF。 牵引供电系统等效电路见图9。
利用文献[14]的牵引网链式等效模型,建立分段牵引网等效模型。 选择文献[9]中AT牵引网的电容Ctra与阻抗Ztra矩阵参数,可求取链式模型参数如式(11)和式(12)所示。
选取如图9所示的支路1 — 5,按照第2节的分析方法,可得到如图10所示的串联谐振分析结果, 图中纵轴为标幺值。
由图10可见,机车位置的变化对串联谐振影响较小,这是由于高速动车组的功率因数接近为1,可等效为纯电阻,因此对谐振影响较小。 图10中出现了17.6次串联谐振,接触线和系统侧等支路的响应较大。 图11为该高速铁路牵引网AT吸上线电流及其频谱,可见AT吸上线支路的18次谐波电流得到了严重的谐振放大,该次谐振频率与本文利用改进虚拟支路法计算所得的17.6次谐振频率较为接近,从而说明了该改进方法的准确性。
4结论
a. 本文在对比几种电路串联谐振分析方法的基础上,提出改进虚拟支路法,将非理想谐波电压源等效为等效阻抗和Norton支路,利用由节点导纳矩阵得到的关联矩阵代替回路阻抗矩阵进行串联谐振分析。
b. 利用改进虚拟支路法对一个简单电路系统的分析可见,该方法较文献[11]提出的虚拟支路法降低了电路阻抗矩阵的建模难度和矩阵维数,且把对复杂多导体电路的回路建模转变为节点导纳矩阵建模。
高速铁路牵引网 篇4
高速铁路牵引网馈线故障定位技术不仅能够缩短接触网维护故障维护、抢修时间,也是提高高速铁路牵引网供电系统的安全性重要举措之一。行波法是故障测距中常用的高精度、高可靠性方法。只要能够准确地捕捉到初始行波波头和从故障点反射回来第二个波头到达检测母线的时间差,通过一定的距离函数就可以实现精确的故障测距。同时行波保护是利用故障初期出现的电流和电压行波信息,需要实时、准确地捕获早期故障时刻。因此,准确提取行波的时间特征成为行波测距、行波保护首要解决的问题。行波是一种具有突变性、奇异性的高频暂态信号,信号中奇异点的出现往往代表着故障的发生。传统傅里叶变换法、Z变换法和相平面法不能完整地描述既有频率特征又有时间特征的行波暂态信号,而小波变换与模极大值的结合可以完整地表示原函数。模极大值点对应着采样数据的奇异点,还可以通过模极大值重构原信号而不丢失任何重要信息,该性质决定了用小波变换模极大值描述行波信号是极具完备性[1]。此外,由于实际中检测噪声的存在,从故障后数据中提取行波特征相当困难,通过模极大值和适当的阈值处理可以有效消除噪声干扰,实现精确的故障定位。
本文基于对高速铁路故障行波波头自动识别算法,利用牵引网馈线故障点反射回来的电压脉冲行波信号,对其进行多尺度一维离散小波变换和模极大值法搜索奇异点,并通过模极大值极性,区分来自故障点和对端母线的反射行波,实现高速铁路牵引网故障行波波头自动识别。
1算法理论分析
1.1小波变换的奇异性检测
对于任意的函数f(t)∈L2(R)的连续小波变换如下:
从连续小波变化的定义公式可以看出,连续小波变换具有尺度a和平移b两个参数;Ψ(t)是满足允许条件的基本小波或母小波。其中尺度1/a在一定意义上对应于频率
小波变换通过母小波的伸缩与平移,将一个时域信号分解为多个不同尺度a下的信号。由于它具有多分辨率的特点,且同时具有在时域、频域表示信号局部特征的能力等,所以在信号的奇异性检测中得到广泛应用。电气化铁路输电系统发生故障后出现的暂态行波在到达检测点时,都表现有明显的奇异性,其中包含着故障发生的地点、电压量的突变等信息,而这些信息检测的精度与否将直接决定故障定位的准确性[2,3,4,5]。因而在行波故障定位系统中,信号的奇异性检测就显得极为重要。
小波变换的模极大值被用来检测信号的奇异性。小波变换的模极大值定义为:
若点(a0,b0)满足
则称点(a0,b0)为局部极值点;
若∀t∈(t0,δ)有
成立,则称点(a0,b0)为模极大值点,Wf(a0,b0)为小波变换的模极大值[6]。
小波变换的模极大值点与信号的突变点时一一对应的。若信号f(t)在某处间断或某阶导数不连续,则称该信号有奇异性,一个突变的信号在突变点上必然是奇异的。信号的奇艺性可以用Lipischitz 指数β(0≤β≤1)表示,β越小,信号的奇异性越大。同时可以证明:
以上关系式表明信号突变点(a≥0时)的小波变换模极大值随着尺度a的增加而增大或保持不变;而由白噪声(a<0时);产生的小波变换模极大值随着尺度a的增加而明显减小。这表明小波变换有很强的去噪能力。由此,完全可以利用信号和噪声的模极大值在不同尺度上的传播特性的不同。在一定尺度上将两者区分开来,然后根据信号的模极大值判断其行波波头的到达时刻。
1.2母小波的选取
母小波Ψ(t)的选取在检测和定位不同的电力系统故障信号时起着重要作用,尤其是小波的多尺度分解较少时更为明显。行波信号本身是连续的高频暂态信号,但其某阶导数具有间断或突变,检测此类信号需要选用具有支撑和足够阶数消失距的小波函数。本文选用多尺度一维离散小波变换,通过检测故障暂态行波信号的奇异点实现故障定位。基本小波函数选用Daubechies小波族的db6,因为db6小波最适合短时、快速的高频暂态信号的检测[7]。
1.3波头位置的识别
取得电压行波信号的小波变换的模极大值点之后,得到一个电压信号突变点数据W。为了进一步准确识别出起始波与故障点反射回来的行波波头位置,同时使其具有更好的抗干扰能力,对突变点突变点数据W进行循环判断运算,构建约束函数,实现自动查找波头位置对应的数据采样点数。约束函数表达式如下:
W(j+1)+W(j-1)-2W(j)>2[W(j)-W(j-1)];
W(j-1)<2K2 (5)
K2=2max[W(L-N),…,W(L)] (6)
其中W(j+1),W(j-1),W(j),表示相邻的模极大值点斜率,K2为限定阈值,L为W向量的长度,N为初始行波信号之前的噪声长度。
采集到的数据在检测到行波的启始波之前会有一段噪声,因此在设定阈值K2时要减去N长度个无效的数据采样点。同时N值的选择会影响波头自动识别的精度,从而会影响测距精度。如果N值取得过大,则会漏掉一些模极大值对应信号突变点,反之取值过小的话,会误将噪声信号中的极大值点判定为起始行波信号波头点的位置。根据检测装置采集到的故障数据噪声的特性,本文选取N的值为200个采样点。
2现场数据采集与分析
2.1牵引变电所数据采集方案
由于高速铁路牵引网馈线发生故障时的复杂性,线路的架设情况及周边环境因素的影响,仿真研究很难为其建一个逼近真实的模,所以在天津南仓牵引变电站将采集设备现场挂网采集故障发生时的数据,使用实录数据对本文方法进行研究,验证该算法的有效性及其在实际故障下的波头识别精度。限于篇幅,这里仅简单介绍下采集设备及系统的动作过程。
如图1所示,使用直流高压发生器对脉冲电容器进行充电,脉冲电容器充电到实验电压后,闭合高压开关对模拟实验线路进行放电,在实验线路起始端安装行波信号传感器对行波信号进行采集。
如图2所示,数据采集的动作过程:当牵引网发生故障馈线断路器经继电保护动作跳闸后,本装置负荷开关合闸,27.5 kV母线经高压电阻和二极管整流,瞬间直接给高压脉冲发生器充电到一定幅值后负荷开关又立即断开,在断路器跳闸后故障线路上高压脉冲开关迅速合闸导通,高压脉冲发生器瞬间把高压脉冲电流释放到故障线路上,触发和重现接触网故障。接触网馈线出口处设置的高压脉冲传感器会检测到发射出来的行波信号和由故障点反射回来的故障行波信号,录入存储设备。
2.2故障数据实例分析
由牵引变电所实录所得故障点行波数据,将本文提出的算法通过Matlab软件平台来实现对故障数据的处理,应用于选取的217#馈线倒闸时两组故障数据,进行行波波头的自动识别,并在Matlab处理数据的同时,以图形的方式标记出行波波头的位置点,以便于直观判断算法的准确性,将得出的波头位置的数据采样点数用于测距计算,然后与馈线实际距离进行比较,验证其准确性。
调取实录的故障数据,选取217#馈线上倒闸时两组数据用于研究分析。使用Matlab软件平台读取采集的电压行波信号,绘制出故障波形图。图3(a)、(b)所示为变电站倒闸时的实测两组信号波形图;图3(c)、(d)所示为经算法处理后的行波数据波形与原始波形对比,其中圆圈标记的位置点为行波波头位置。
从图3中可以看出在标记的起始波的波头(第一个圆圈处)后面,会有多次故障行波的反射现象发生。表1中给出了自动算法处理故障行波信号后所得数据结果(表中的数据a、b表示变电站倒闸时的实测两组信号)。
注:表中0表示起始波波头序号,1～5表示第几次反射波波头序号。
数据b
注:表中0表示起始波波头序号,1～5表示第几次反射波波头序号。
由表1中的数据可知第一个反射波波头和起始波的波头之间的时间间隔Δt,取加拿大的B.C.Hydro 行波定位系统中,线模分量的行波波速v=2.95×108为本线路上的行波传播速度[8]。由
计算出线路距离。已知天津南昌站上海方向距离为9.26 km。
有相对误差公式:
相对误差
由表2自动识别算法所得测距结果可知,相对误差小于1,误差值在100 m以内,因此对于行波波头的自动识别有效,并能够实现较准确的测距。
3结论
本文利用牵引网变电所采集的单端故障电压行波信号,充分进行小波变换去噪后,再进行信号的重构,求取模极大值点,并通过约束函数的循环判定,在行波信号的突变点间进行判断识别波头的位置。对比实际距离,自动识别方法所得测距结果误差在100 m以内,验证了自动识别波头算法有效,测距精度较高,算法切实可行。
进一步深入研究,提高精确度,并结合其他行波测距方法,可将此开发出测距系统软件。结合现场实验设计的硬件设备,做成完整的一套故障测距装置,实现超高数继电保护和精确故障测距,较好地解决电气化铁道馈线保护和快速、精确定位问题。为行波保护的是提供了很好的理论和实践依据。
参考文献
[1] Poission Q,Rioual P,Meunier M.New signal processing tools ap-plied to power quality analysis.IEEE Trans on Power Delivery,1999;14(2):561—566
[2]于泽,费明.基于小波变换和行波法的电缆故障测距方法研究.科学技术与工程,2011;11(34):8343—8347
[3]李友军,王俊生,郑玉平,等.连续小波变换应用于电力系统行波奇异性检测的探讨.电力系统自动化,2002;26(12):55—58
[4]黄子俊,陈允平.基于小波变换模极大值的输电线路单端故障定位.电力自动化设备,2005;25(2):11—14
[5]吴昊,肖先勇.基于小波变换和行波理论的输电线雷击定位.高电压技术,2007;33(1):88—90
[6] Nagata T,Sasaki H,Yokoyama R.Power systems restoration byjoint usage of expert system and mathematical programming approach.IEEE Trans on PWRS,1995;10(3):1473—1479
[7]尚婕,姜文刚,邓志良.基于小波变换模极大值的行波奇异性检测.华东船舶工业学院学报(自然科学版),2005;19(4):57—59
高速铁路牵引供电常见故障分析 篇5
沪杭高铁地处高度发达地区, 客流量极大, 自2010年10月1日开通一年多以来, 在各方面努力及配合下, 平稳的度过了过渡期, 目前供电设备运用状况良好, 运输秩序井然, 特别是正常运营的情况下没有发生严重的牵引供电和弓网事故。本文从供电部门角度对沪杭高铁路开通初期及运营中供电方面常见故障作些分析及总结。
1 沪杭高铁供电常见故障原因分析及处理办法
1.1 牵引变电相关故障
牵引变电所最常见的故障是牵引变电所跳闸, 牵引变电所跳闸绝大多数情况不是牵引变电所内的故障而是牵引所以外的设备出现问题后引起的。
1.1.1 故障原因分析
在牵引所故障中断路器跳闸是最常见故障, 沪杭高铁在近一年多共计各类跳闸几十次, 跳闸的主要原因主要有以下几个方面:1) 雷击引起牵引所跳闸;2) 机车自身原因引起牵引所跳闸;3) 过负荷引起牵引所跳闸;4) 外界环境引起牵引所跳闸。
1.1.2 故障处理及应对办法
应对以上牵引所跳闸主要从以下几个方面:1) 沪杭高铁处于雷暴区不可能消除雷雨天气, 在每年的雷雨季节来临前对管内的避雷设施及接地系统进行全面检查。检查内容主要包括牵引所、AT所、分区所处的避雷针及上网点处的避雷器及其引线等, 保证这些避雷设备设施符合要求, 以限制雷电波的幅值, 从而减少跳闸次数。一旦雷击引起跳闸后要按要求去故障点巡视, 要找出雷击点并检查设备损坏程度, 进行相应处理;2) 对于机车自身原因引起的跳闸作为设备管理单位加强与机务部门的联系来获得更多的信息, 在确认为机车原因跳闸时对牵引所跳闸时机车所在位置进行检查, 避免因机车故障对接触网设备造成损坏;3) 对于过负荷引起的跳闸在沪杭高铁出现过多次, 特别是许村牵引所213、214断路器在2012年3月至5月频繁的出现跳闸现象。要解决这种问题从两个方面入手。首先, 从牵引所的整定值入手, 只要稍微调高牵引所的整定值即可解决。因为这种现象不是每天都发生, 而是间隔的发生, 说明最大负荷时刚好与牵引所的整定值相差不多。其次, 延长该供电臂区间的列车追踪间隔或者降低该区段的列车速度 (限制列车取流) ;4) 对于外部环境引起的牵引所跳闸如异物、鸟巢、树木、绝缘子污闪、临近线路施工等, 最有效手段就是利用监控系统尽早发现并处理, 防止事态扩大。
1.2 接触悬挂及接触网相关的故障
接触悬挂及接触网设备故障最常见的就是线间距及零部件松脱。接触悬挂线索与线索间以及线索与腕臂零部件间都会产生摩擦, 特别是受温度变化的影响可能导致某些线索与设备间距不足, 从而导致不同设备间摩擦或电气烧伤等一系列问题。
1.2.1 故障原因分析
接触悬挂及接触网常见的问题主要是关节及线岔处线间距不足, 主要发生在承力索、接触线、弹性吊索、吊弦及接触悬挂设备之间。对照沪杭高铁接触网主要技术标准, 在正常情况下不会出现故障, 但在随着外部环境的变化特别是温度的变化会导致线索发生物理变化。物理变化常见就是线索的热胀冷缩, 线索一旦发生这种变化原先接触网静态参数也会发生相应的变化, 这样就会导致故障的发生。另外, 施工过程中的疏忽也会导致接触网故障的发生, 如电连接压接不规范。
1.2.2 故障处理及应对办法
本着“精检慎修”的原则, 发现线间距不足的处所能够满足静态标准不能满足动态标准时, 主要采用在线索上加装绝缘护线条和加装等位线的方法处理, 并定期对所加的绝缘护线条进行监测。静态标准难以满足且已经相磨的处所, 制定方案对接触悬挂进行调整。对线索间距的变化规律还处在摸索阶段, 在掌握了变化规律后再进行调整, 这样不会因反复调整对设备造成损害。另外, 对于线岔及关节式分相定期测量, 一旦发现静态数据发生明显变化就要重点对该部位进行全面检查。
1.3 隔离开关相关的故障
隔离开关牵引供电系统中重要设备之一, 设置隔离开关的目的主要有:1) 通过隔离开关的开合将需要停电的设备或线路与电源可靠的隔离, 以保证检修等工作的安排。2) 当线路出现故障时改变供电方式, 如越区供电、迂回供电等。一旦隔离开关出现故障以上功能将不能实现。
1.3.1 故障原因分析
隔开开关常见的故障有以下几个方面:1) 机械方面故障要是隔离开关的刀闸的开合角不到位以、电机及整理部件损坏、螺栓力矩不够造成虚接导致电气烧伤;2) 远动方面故障主要表现在本地与电调综自系统显示不一致或非远动分合闸及远动无法操作, 其主要原因是综自系统故障;3) 电气方面故障主要表现为因铜铝过渡处没有按要求使用铜铝过渡板造成化学腐蚀;4) 隔离开关附属设备故障主要是固定在隔离开关支柱上的附加设备, 如PVC管等脱落造成故障。
1.3.2 故障处理及应对办法
针对隔离开关常见故障处理方法为:1) 机械方面的故障是对烧损的静触头进行了更换。并定期检查隔离开关操作设备及分合角, 通过红外、紫外等先进设备进行监测以及测温片等手段加强监测;2) 远动方面的故障要求厂家定期对相应的数据采集模块进行检测, 发现问题进行更换;3) 对于因施工造成未安装铜铝过渡的处理办法要求施工单位对没有安装处所全部重新安装。4、隔离开关上附属设备脱落主要是固定附属设备时使用了塑料的绑扎带, 经长期日晒雨淋老化断裂, 造成附属设备脱落, 处理方法是用不锈钢丝固定并利用各种巡视方式加强监测。
1.4 分段绝缘器故障
本线采用的是吴江天龙DXF— (1.6) Ⅱ分段绝缘器, 这种分段以可靠性高被高速铁路广泛使用。
1.4.1 分段绝缘器故障
分段绝缘器故障有:1、绝缘滑道被打坏。2、销弧角断裂。3、本体电弧灼伤。4、表面碳粉堆积。
1.4.2 故障处理及应对办法
分段绝缘器主要布置在站场及线路所附近, 因此监测、检查稍微方便一些。在安装分段绝缘器前仔细检查分段绝缘器外观确保安装上去是个合格的分段绝缘器, 安装时严格安装标准安装, 然后安装一年两次检查基本能保证分段绝缘器正常使用。很多出现问题的分段绝缘器都是安装时存在一定问题, 使用很短一段时间后就暴露出了。对于使用频繁的分段绝缘器减少检测、检修间隔, 并清扫表面堆积的碳粉, 保证分段绝缘器绝缘性能良好。
1.5 避雷器
金属氧化物避雷器优点是产品体积小、重量轻、不易破损、运输安装方便, 因此避雷器本身很少出现问题。
1.5.1 避雷器常见故障
避雷器相关问题有:1、避雷器爆裂。2、避雷器脱离器损坏。3、计数器避雷器失效。4、避雷器接地极损坏或电阻过大。
1.5.2 故障处理及应对办法
避雷器一般安装在牵引所、AT所、分区所上网点上, 因此在监测、检测、检查这些重要部位的同时对应对避雷器进行同步进行状态确认。首先, 实验合格的避雷器不易发生爆裂, 在安装前确认检验合格, 正确的运输及储存, 定期对避雷器脱离器、计数器、接地极检查, 并对接地电阻进行测量, 发现问题及时处理。每年雷雨季节来临前全部检查到位, 做好相应的台账记录。
1.6 弓网故障
容易发生弓网故障的地方是线岔、电分相、曲线段及各类线夹处, 设计存在缺陷或者检修存在缺陷都会导致弓网故障。弓网故障是个综合性的故障, 接触网或受电弓出现问题都会造成弓网故障。这里仅对因接触网方面产生的弓网故障分析。
1.6.1 常见弓网故障
随着速度的提高, 高速接触网的动态变化显著增大, 受电弓与接触网之间会出现离线现象, 受电弓会因为磨损等产生划痕甚至损坏。常见弓网故障都是受电弓和接触网关系不良引起, 主要有:1) 脱弓、打弓、钻弓、抬弓;2) 机车自动降弓;3、拉弧。
1.6.2 故障处理及应对办法
消除弓网故障主要是做好接触网全面检查工作, 杜绝因失修造成接触网参数变化, 具体做法:
1) 加强对接触网设备的监测、检测、检修。对重点设备做好数据记录及分析, 各部螺栓的紧固达到要求力矩;
2) 严格按温度曲线安装、调整接触网设备, 保证补偿装置、支持装置、定位器、开关引线、电连接线在温度变化时不致影响受电弓取流或参数发生较大变化;
3) 加强外部环境的监管。做好线路添乘及巡视, 对上跨桥、上跨线、附近广告牌、塑料布、节庆气球等及时发现及时处理, 防止落到接触网上造成弓网故障;
4) 对下发的动检数据应足够重视, 仔细检查认真复测。
2 结论
高铁是近几年发展迅速, 没有一套成熟的运行检修模式, 高铁的运行检修都还处于摸索阶段。探索出一条既安全又高效的设备养修体现十分重要。为保障人身和设备安全, 设备管理单位采取了加强措施, 确保高铁接触网供电系统的安全稳定运行是我们努力的方向。
参考文献
[1]刘启明.最新电气化铁道接触网规划、设计、施工实用全书.1版, 中国电力出版社, 2004, 11.
[2]于万聚, 高速电气化铁路接触网.成都西南交通大学出版社, 2003.
[3]李群湛, 贺建闽.牵引供电系统分析.1版, 西南交通大学出版社出版发行社, 2007, 9.
[4]高速铁路接触网运行检修暂行规程.中国铁道出版社出版发行, 2011, 3.
[5]上海铁路局沪杭高速铁路技术规章文件汇编.上海铁路局总工程师室, 2010, 10.
高速铁路牵引变压器后备距离保护 篇6
关键词：铁路,牵引变压器,电力系统保护,后备保护,距离保护,保护配置
0 引言
牵引变压器是牵引供电系统的枢纽,是保证牵引供电系统安全稳定运行的关键设备,其继电保护的设置十分重要。目前,我国高速铁路牵引变压器主保护普遍采用瓦斯保护和电流差动保护[1,2,3],高、低压侧后备保护普遍采用低电压启动的过电流保护[1]。但是,根据近年来我国高速客运专线的发展变化及现场的反馈情况,低电压启动过电流保护作为后备保护存在着一些不足。现有的针对变压器后备保护的研究主要针对电力系统展开[4,5,6,7,8],没有考虑牵引变压器后备保护尤其是高速铁路牵引变压器后备保护的特殊性。本文在分析既有的低电压启动过电流保护局限性的基础上,研究了牵引变压器后备距离保护的适用性,并讨论了其动作特性、配置方案等相关问题。
1 牵引变压器低电压启动过电流保护原理
牵引变压器过电流保护的工作原理与线路定时限过电流保护相同。但由于牵引负荷是冲击性变化的负荷,牵引变压器在3倍的额定负荷下还要正常工作2 min。若要躲过最大负荷电流,牵引变压器过电流保护往往不能满足灵敏度要求。因此,引入牵引变压器低压侧的α相和β相母线电压作为过电流保护的启动判据。
牵引变压器低电压启动过电流保护的理论基础是牵引负荷的工作特性和牵引供电系统的电压工作范围。牵引网正常工作时的持续运行电压为19~29 k V,电力机车或电动车组的运行功率一般随网压变化,当网压低于一定数值时,整流机组将封锁触发脉冲,不再从牵引供电系统取流。CRH2型动车组的运行功率与网压(单位k V)的关系如图1所示[9]。
从图1可看出,当网压从19 k V降低到17.5 k V时,动车组的牵引电流迅速减小到0。因此,当变压器低压侧母线电压低于整定值时,流经变压器的电流往往被认为是故障电流。基于这一理论,牵引变压器低压侧α相的低电压启动过电流保护原理框图如图2所示[1],β相的原理框图与之类似。
牵引变压器高压侧的低电压启动过电流保护同样利用了低压侧母线电压,其原理框图如图3所示[1]。
图2、3中,Uα、Iα、Uβ分别为牵引变压器低压侧α相电压、电流和β相电压;IA、IB、IC分别为牵引变压器高压侧的三相电流;UDY为低电压启动判据定值;IGL.α和IGL.A、IGL.B、IGL.C分别为低压侧α相过电流定值和高压侧三相过电流定值;tGL.α、tGL分别为低压侧α相和高压侧过电流保护的动作时限。
UDY按躲过变电所最低母线电压整定:
其中,Umin为最低母线电压,一般为22~24 k V;Kk为可靠系数,一般取1.2左右;Kfh为低电压启动元件的返回系数,一般取1.1左右。所以,UDY的取值一般为17~18 k V。
由于采用了低电压启动元件,过电流整定值一般按躲过变压器额定电流整定,而不用按照躲过3倍变压器额定电流值进行整定,从而提高了保护的灵敏度。
2 牵引变压器低电压启动过电流保护局限性分析
2.1 客运专线末端短路时可能拒动
为适应高速铁路供电负荷大、列车运行供电可靠性要求高等特点,我国新建高速客运专线采用220 k V及以上电压等级的外部电源和大容量牵引变压器,降低了牵引供电系统等效电源的内阻抗,增加了牵引网故障时的母线电压水平,使得低电压启动元件可能拒动。
客运专线一般采用V/x接线变压器。将外部电源和V/x变压器归算到27.5 k V侧的等值电路模型如图4所示。
图4中,ZS为归算到27.5 k V侧的电源阻抗,ZT为归算到27.5 k V侧的变压器漏阻抗。根据变压器高、低压侧的变换关系可得:
其中,Sd、ST分别为电源短路容量和变压器容量;Ud%为变压器短路电压百分比,一般为10.5%左右。
从式(2)、(3)可以看出,由于220 k V电压等级的电源系统短路容量大,且客运专线牵引变压器的安装容量一般也比较大,牵引供电系统等效电源的内阻抗大幅降低。
以武广线某牵引变电所为例,外部电源短路容量为9 218 MV·A,变压器容量为40 MV·A,短路电压百分比为10.5%,供电臂T线对地故障最大短路阻抗为2.97+j 8.10Ω,F线对地故障最大短路阻抗为4.86+j13.23Ω。根据串联阻抗的电压分配关系可得,T线、F线对地故障时的最大母线残压分别为22.23 k V和24.03 k V。由于低电压启动元件的动作电压一般为17~18 k V,所以变压器低电压启动过电流保护在牵引网末端故障或过渡阻抗较大时无法启动。此时,若馈线保护装置或馈线断路器故障,作为馈线远后备的变压器低电压启动过电流保护又无法正常启动,将导致严重的后果。
2.2 异相短路时会拒动
随着自动过分相技术的应用,机车带电闯分相事故虽明显减少,但仍会发生。一旦机车带电闯分相,将会造成α相和β相之间短路,产生的电弧可能造成烧毁接触网设备等严重后果。异相短路故障虽然是在牵引网上发生的,但馈线保护可能无法正确动作[10]。此时,牵引变压器低压侧的低电压启动过电流保护的正确快速动作就显得尤为重要。
按图4计算可得武广线某牵引变电所α相和β相之间发生异相短路故障时,由式(2)和式(3)可得ZS=j 0.080 2Ω,ZT=j 1.985Ω;变电所供电电压Eα=27.5 k V,Eβ=27.5 ejπ/3k V。当α相和β相之间发生异相短路故障,短路电流Id为:
则α相和β相对地电压Uα、Uβ为:
将相应数据代入式(5)可求得α相和β相对地电压为23.82 k V,大于低电压启动过电流保护的动作电压,变压器高压侧和低压侧的低电压启动过电流保护都将拒动。
3 高速铁路牵引变压器后备距离保护原理
由于距离保护同时利用了短路时的电压、电流的变化特征,通过测量故障阻抗来确定故障所处范围,具有保护区稳定、灵敏度高、动作情况受电网运行方式变化影响小的优点,本文将距离保护用作牵引变压器的后备保护。
3.1 动作特性
距离保护常用的动作特性主要有圆特性和四边形特性等。从普速电气化铁路到客运专线,我国牵引网馈线保护普遍采用四边形特性,以获得良好的躲负荷阻抗和过渡电阻能力。借鉴牵引网馈线距离保护多年来的成熟经验,本文采用四边形距离继电器[1]作为牵引变压器的后备保护。
此外,由于牵引负荷的三相不对称性,牵引变压器距离保护无法采用电力系统常用的基于序分量的电压互感器断线判据,而采用牵引馈线保护的电压互感器断线检测判据;另外,为防止励磁涌流引起保护误动,牵引变压器距离保护采取二次谐波闭锁判据,并采用记忆电压消除出口故障时的距离保护死区。
3.2 保护配置
高速铁路牵引变压器后备距离保护的配置如图5所示。图中,ZTh,1、ZTh,2分别为牵引变压器高压侧I段和Ⅱ段距离保护动作阻抗值;ZTl,1为牵引变压器低压侧Ⅰ段距离保护动作阻抗值;ZL i,1为第i条线路I段距离保护动作阻抗值。
由于高速铁路全并联AT供电系统正常运行时,馈线仅配置Ⅰ段距离保护,因此变压器低压侧仅需要配置Ⅰ段距离保护作为馈线故障的后备保护及母线故障的主保护,保护范围按该变压器所有供电线路的最长线路整定。计算公式为:
其中,tTl,1为低压侧Ⅰ段距离保护的动作时限;tLi,1为第i条线路Ⅰ段距离保护的动作时限,高速铁路每台牵引变压器一般给2条线路供电,因此i取值为1和2;Δt为时限间隔,一般取0.2~0.3 s。
为兼顾保护的速动性并为下一级线路提供后备保护,高速铁路牵引变压器的高压侧配置2段距离保护:Ⅰ段距离保护范围为变压器高压侧引出线、套管及变压器内部,按不超过变压器漏阻抗整定;Ⅱ段距离保护范围按与低压侧Ⅰ段距离保护配合整定。高压侧Ⅰ段距离保护的整定计算公式为:
其中,ZT为归算到高压侧的变压器漏阻抗;Kk为可靠系数,一般取0.85;tT h,1为高压侧Ⅰ段距离保护的动作时限。
高压侧II段距离保护的整定计算公式为:
其中,KT为变压器变比;tTh,2为高压侧Ⅱ段距离保护的动作时限。
3.3 测量阻抗
高速铁路采用的V/x接线变压器实际上是2台单相三绕组变压器的组合,其接线如图6所示。
由于供电系统正常运行时,接触线电流一般不等于正馈线电流,所以AT供电系统馈线测量阻抗的计算公式一般为[1]:
其中,UT为接触线母线对地电压,IT、IF分别为接触线电流和正馈线电流。
为了给馈线提供后备保护,变压器低压侧α相和β相后备距离保护的测量阻抗均应按照式(9)计算。此外,为了给变电所出口处的异相短路故障提供保护,还应装设αβ相间后备距离保护,其测量阻抗计算公式为:
当馈线发生故障时,对于牵引变压器相当于低压侧相间短路故障,此时高压侧后备距离保护的AB相间或BC相间测量阻抗应能正确反映。以AB相间测量阻抗为例,此时由于IA=-IB,所以相间测量阻抗的计算公式为:
4 仿真验证
为验证上述理论分析的正确性,在MATLAB/Simulink中建立模型进行仿真。仿真变压器容量为40 MV·A,变比为220 k V/27.5 k V/27.5 k V,短路电压百分比为10.5%,供电臂长度为27 km,T线单位长度阻抗为0.11+j 0.3Ω/km,F线单位长度阻抗为0.18+j 0.49Ω/km。
负荷工况下和馈线不同位置短路故障时的变压器低压侧和高压侧测量阻抗分别如图7和图8所示。
从图7和图8可以看出,负荷阻抗与故障阻抗有明显的区分,装设于变压器高、低压侧的距离保护能够正确区分负荷与故障,并能正确识别变电所出口处的异相短路故障。
5 结论
高速铁路牵引网 篇7
铁路是一种运量大、速度快、距离长的交通运输工具,具有可靠性高及价格低等优点。 截至2015年1月,中国铁路运营总里程已达到1.12×105km,其中高速铁路运营总里程超过1.5×104km,中西部铁路达到7×104km,总电气化里程超过3×104km。 中国铁路总运营里程居全世界首位,因此研究适用于中国铁路的牵引供电技术意义重大。
我国铁路采用单相工频制式,随着交直交电力机车和动车组［1-2］的广泛应用以及交直型电力机车的退出,由于谐波得到显著改善,而单车功率加大,以负序、谐波［3-5］为主的电能质量问题转变为以负序为主［6］的电能质量问题。 负序电流和电压会引起电力系统电压不对称、占用系统容量等问题,甚至危及发电机及电网的安全运行［7］。 电力机车中的高次谐波会占用系统容量、增大损耗甚至引起系统谐波放大和牵引网的谐振等问题［8］。
为减小对电力系统的负序影响,电气化铁路供电采用换相连接［9］,在两供电臂之间加装电分相装置电分相是接触网中的薄弱环节,会造成一个“硬点” 影响电力机车的安全运行,并且会限制高速铁路动车组速度的进一步提高。
基于此,文献[10-11]提出一种新型电缆牵引供电系统,当该方案用于电气化铁路时,能够彻底解决影响电气化铁路的电能质量问题并取消电分相。 该方案采用110 k V电缆传输电能,供电能力更强,是一种技术上的进步,为未来电气化铁路牵引供电系统性能提升提供了一种有效的解决方案。 但目前并未见其他文献对其进行深入的分析和研究,本文将对电缆牵引网的电流分布特性、阻抗特性和电容效应进行研究。
1新型电缆牵引供电系统结构
新型电缆牵引供电系统由主变电所(MSS)和电缆牵引网(CTN)构成,主变电所由主变压器(MTT)和负序补偿装置(NCD)构成,实现电压等级的变换和电能质量问题的治理;电缆牵引网由电缆系统［12-15(CS)、接触网(OCS)和牵引变压器(TT)构成,实现电能的传输和电压等级的变换,牵引变压器按照一定的间隔将电缆系统和接触网连接,构成一个电缆分段,如图1所示。
为方便起见,将机车(动车组)所在两牵引变压器间隔的电缆和接触网称为短回路,而该短回路到主变电所的电缆和接触网称为长回路。 归算到同一电压等级下,长回路电缆阻抗远小于接触网阻抗,故在长回路中接触网的分流系数非常小,可忽略不计, 由电缆承担主要的电能输送功能。 短回路中,机车由相邻2个牵引变压器供电。
由于电缆牵引网阻抗小、电压等级高,且电缆电容效应可实现一部分无功补偿功能,因而供电能力远大于传统供电方式。 此外,电缆牵引网具有较好的耦合效应,对机车及沿线通信线路的电磁干扰(EMI) 较小。
2电缆牵引网等效模型
由于电缆牵引网是一种复杂的链式多导体传输网络模型,且其内部存在2种电压等级,同时电缆的分布式参数也导致计算分析过程更加复杂,为分析电缆牵引网的特性,本节对电缆牵引网模型进行简化。
2.1等效模型
为简化计算又满足精度,以短回路为单位将分布式参数模型等效为集中参数模型,同时,将27.5 k V侧参数折算到110 k V侧;进一步将2根电缆等效为1根电缆,得到电缆牵引网等效参数,如图2所示。
2.2等效参数计算
多导体传输线参数之间具有耦合效应,因此需要对其进行解耦合。 图3中电缆和接触网的原始参数为:
其中,Ra、Rb、Rc、Rd分别为电缆a、电缆b、接触网c、 钢轨d的电阻;La、Lb、Lc、Ld分别为电缆a、电缆b、接触网c、钢轨d的电感;Ca、Cb、Cc、Cd分别为电缆a、电缆b、接触网c、钢轨d的电容;Rab和Rcd、Lab和Lcd、 Cab和Ccd分别为电缆a、b之间和接触网c、钢轨d之间的电阻、电感、电容。
则模型中等效参数为:
其中,ZCS、ZOCS分别为电缆系统和接触网系统的等效阻抗。
通常接触网的容性效应可以忽略。 由于110 k V电缆屏蔽层接地,2根电缆之间不存在互容,故电缆对地等效电容为:
3电气特性分析
在电缆牵引网等效模型中,由于电缆阻抗远小于接触网阻抗,故认为长回路中接触网的分流可忽略, 只有在机车所处区间短回路内,电流通过相邻两牵引变压器为机车供电,因此有必要研究在短回路中电流的分配规律及电缆牵引网的阻抗特性。
3.1电流分配规律
在图4所示电流分配关系中,I为机车负荷在110 k V侧的等效电流; I1、I2分别为短回路内通过两牵引变压器的电流;ICS、IOCS分别为长回路中流经电缆系统和接触网系统的电流;I′CS为短回路内流经电缆系统的电流;x为短回路内机车距牵引变电所侧最近的牵引变压器的距离;L为机车距主牵引变电所的距离。 由于接触网系统的阻抗远大于电缆系统的阻抗,其分流效应可忽略,且在分析短回路的电流分配规律和阻抗特性曲线时,不考虑电缆对地电容产生的容性电流,故通常可认为ICS= I,I′CS= I2,根据基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律,有:
解方程组得:
3.2等效阻抗
根据图4,可得电缆牵引网等效阻抗计算公式:
根据式(8),电缆牵引网等效阻抗由长回路阻抗和短回路阻抗两部分构成。 由于电缆阻抗远小于牵引变电所和接触网的等效阻抗,故长回路阻抗呈现斜率较低的直线;短回路阻抗呈现马鞍形,且由于电缆阻抗很小,牵引变压器漏抗不可忽略,因而电缆牵引网阻抗特性曲线在牵引变压器处(位置0、H、2H、 3H)发生跳变。 故电缆牵引网阻抗特性曲线示意图如图5所示。
4京沪高铁线路仿真
京沪高铁线路全长1318 km,全线共有28个牵引变电所,采用AT供电模式,牵引变压器的容量均为(50 +50) MV·A,动车组车型为CRH380A(9.9 MV·A) 和CRH380AL(20.44 MV·A)2种。 动车组时速为300 km / h,追踪间隔为3.5 min, 车辆按照2种车型1∶1间隔排列。 本节将分别对空载线路的电容效应和紧密运行时的牵引网电压进行仿真和校验。
4.1空载线路的电容效应仿真
电缆线路的电容效应主要是由于容性电流流经感抗产生的与电源电压同相位的电压抬升造成的, GB / T11017规定额定电压110 k V交联聚乙烯绝缘电力电缆最大运行电压为126 k V［16］,因此需要对空载线路的电容效应进行抑制。
假设分别在京沪高铁沧州、徐州和丹阳设置3个主变电所,牵引变压器设置在原变电所及分区所处, 容量等同采用原牵引变压器对应绕组容量。
本节将对京沪高铁青杨—徐州—方徐段进行仿真,并分别从补偿系数和主变压器漏抗对电缆牵引网电容效应的影响进行仿真分析。 线路全长(254.8+ 245.7)km,主变电所设置在徐州牵引变电所。 本仿真中采用截面积1000 mm2的电缆,电缆长度和原牵引变电所供电臂长度相同;根据电缆载流量和对应电缆区间内机车负荷大小,并采用“N + 1”备用方式确定电缆回数,电缆参数见表1。 易知,采用新型电缆牵引供电模式后,铁路与电力系统的接口从28个减少到3个,电分相数目从53个减少到2个。
由于电缆线路电容效应明显,空载运行时会产生严重的电缆牵引网电压抬升,但在线路带负荷运行尤其是紧密运行时,电容效应有利于电缆牵引网供电能力的提升,因此应采用可控无功补偿装置对电缆的容性效应进行补偿。
通常可采用在二次侧加装可控无功补偿来减小容性充电电流,从而抑制空载条件下的电缆电容效应,补偿系数为:
其中,U1为牵引变压器一次侧电压;U2为牵引变压器二次侧电压;B为电抗器补偿电缆区间总电纳;XL为并联电抗。
图6为不同补偿系数时电缆牵引网的电压分布情况,从图中可以看出,补偿系数越大,电缆牵引网电压抬升越小,在全补偿情况(α=1)时,线路电压最接近110 k V;当补偿系数为0.4时,线路电压抬升较大。 一般情况下补偿系数为0.7~0.8。
图7为主变压器漏抗对电缆牵引网空载电压的影响,从图中可以看出,主变压器漏抗越大,电缆牵引网电压抬升越大。 故采用减小系统漏抗的方式也可以抑制电缆牵引网的空载电容效应。
在图6和图7的空载线路仿真结果中,系统电压抬升由主变压器和电缆上的电压抬升两部分组成, 故空载线路电压最低点出现在中心变电所徐州处。
4.2紧密运行工况仿真
为研究电缆牵引网的供电性能,需对其牵引网电压进行校验,即在紧密工况运行,线路没有无功补偿装置时进行接触网的最低电压校验,接触网最低电压需满足动车组正常运行最低电压22.5 k V的要求。 本节分别对3个中心变电所、4个中心变电所和5个中心变电所的电缆供电接触网最低电压进行校验。 其中,3个中心变电所以青杨—徐州—方徐段为例进行仿真,4个中心变电所以王凤楼—王庄—沙庄段为例进行仿真,5个中心变电所以畜牧场—王庄—江庄段为例进行仿真。 电缆回数的选取与4.1节相同,此处不再赘述。
4.2.1 3个中心变电所
图8以青杨—徐州供电臂为例,对仿真模型进行了详细说明。 电缆牵引网和接触网通过牵引变压器连接起来,形成一个电缆分段。 在长回路中,电流流经电缆;短回路内,电流流经两相邻牵引变压器对接触网分段内车辆进行供电。
图9所示为车辆紧密运行时电缆牵引网的电压情况,电压最大值117.7 k V出现在主变电所徐州处,电压最小值112.1 k V出现在徐州—方徐供电臂末端。
图10为上、下行接触网电压分布情况,由于每个接触网分段内车辆负荷不同,导致牵引变压器上的电压损失不同,故牵引变压器二次侧电压与牵引变压器一次侧变化规律不同。 上行接触网最低电压为24.33 k V,下行接触网最低电压为24.8 k V,完全满足动车组正常运行最低电压要求。 电缆供电方式下,左、右2个供电臂长度均为250 km左右。
4.2.2 4个中心变电所
图11为王凤楼—王庄—沙庄段车辆紧密运行时电缆牵引网的电压分布情况,电压最大值107.6 k V出现在主变电所王庄处,电压最小值105.7 k V出现在王庄—沙庄供电臂末端。
图12为上、下行接触网电压。 上行接触网最低电压为22.92 k V,下行接触网最低电压为23.07 k V, 满足动车组正常运行最低电压要求。 电缆供电方式下,左、右2个供电臂长度均为190 km左右。
4.2.3 5个中心变电所
图13为畜牧场—王庄—江庄段车辆紧密运行时电缆牵引网的电压分布情况,电压最大值108.8 k V出现在主变电所王庄处,电压最小值107.6 k V出现在王庄—畜牧场供电臂末端。
图14为畜牧场—王庄—江庄段上、下行接触网电压。 上行接触网最低电压为23.31 k V,下行接触网最低电压为23.35 k V,完全满足动车组正常运行最低电压要求。 电缆供电方式下,左、右2个供电臂长度均为140 km左右。
5结论
本文对电缆牵引网的电气特性进行了研究。 在电缆牵引网等效模型的基础上得到了其短回路内的电流分布特性,并得到电缆牵引网的等效阻抗曲线以京沪高铁实际线路参数为例进行了电缆供电的仿真,分别从补偿系数和系统漏抗对空载线路电容效应的影响及线路紧密运行时的接触网电压分布两方面对电缆牵引网的特性进行了研究。 得到结论如下。
a. 电缆牵引网的阻抗特性曲线在短回路内呈现鞍型曲线;由于电缆阻抗小,且短回路内牵引变压器漏抗不可忽略,故电缆牵引网阻抗特性曲线在牵引变压器处发生跳变。
b. 电缆牵引网的电容效应是由容性电流流经系统漏抗引起的与电源同相的电压抬升造成的,无功补偿系数和系统漏抗均会影响电缆牵引网的电容效应。 无功补偿系数越小,电容效应越明显,当补偿系数为1时,电缆上电压接近额定电压;系统漏抗越大,电容效应越明显。
高速铁路牵引网 篇8
关键词：重载铁路,牵引变电所,接地网,故障
0 引言
近年来,大秦铁路年运量不断增加,单元重载列车从万吨发展到2.1万吨。特别是2014年4月单列运载重量3万吨的重载列车在大秦铁路试验成功,标志着我国迈入了国际重载铁路的先进行列。运量的飙升,使得牵引供电电流不断增大,对牵引供电设备的考验也更加严竣。接地网在牵引供电系统中具有重要的作用,由于牵引变电所接地网是埋设在地下的设备,日常无法监控其运行状态,因此故障时对工作人员和牵引供电设备将造成极大危害。引起接地网故障的原因主要有设计、施工、土壤腐蚀、电流过大等。当系统发生接地短路故障时,接地网的局部电位差或接地网本身电位异常抬升,不但会威胁人身安全,还会造成二次设备的绝缘破坏,引起测控、保护设备误动或拒动,扩大事故范围。因此,保证牵引变电所接地网设备状态良好对牵引供电系统运行安全极为重要。
1 牵引供电系统接地回流特点
1.1 接地网的材质
牵引变电所接地网的材料要求具有较强的耐腐蚀性能、能满足长期通过大电流的需要。目前,牵引变电所接地网使用材料主要有镀锌钢材、铜包钢和铜接地网。镀锌钢材成本低、机械强度高,有利于施工,但是防腐性能相对较差;铜包钢是双金属复合材料,既有钢的高强度,又具有铜的导电性与耐腐蚀性;铜材导电性能好,具有很强的耐腐蚀力,铜接地网的寿命较长,但是机械强度低,尤其是垂直接地体施工时要先进行钻孔,再把接地体插入孔中进行回填土。铜材料工程造价比较高。当接地体截面相同时,铜材热稳定性较好。同等热稳定性能时,钢接地体所需的截面积为铜材的3倍。实际应用中,采用铜包钢绞线作为接地极时,耐腐蚀性相对较弱。早先的牵引变电所负荷小,接地网多采用钢材。近年来新建或改建的牵引变电所由于重载和高速的需要,一般采用铜接地极,对于接地电流不太大的变电所,也有采用铜包钢接地极的。
1.2 牵引电流回流方式
牵引供电系统中,牵引电流从牵引变压器二次侧供到接触网上,电力机车从接触网上获取电流,然后通过钢轨和回流线(直供+回流方式)流回到牵引变电所。理想状态下,牵引回流应全部经过钢轨-扼流变-吸上线-回流线的通路回到牵引变电所主变。但是钢轨与大地之间不是全部绝缘的,钢轨中的电流一部分会流到大地,通过牵引变电所的接地网吸收,接地网中吸收的电流和钢轨回流汇集到变电所的集中回流箱中,再引回到牵引变压器,形成一个完整的牵引电流闭合通路。
2 故障经过
2014年5月29日,北同蒲线XX牵引变电所值班人员在巡视设备时,发现处于备用状态的#1主变底部外壳上有一个螺栓有放电痕迹,放电螺栓部位温度可达80℃。经测量,#1主变本体接地处接地导体流过电流达150A,#1主变端子箱的电缆保护管监测到最高温度超过100℃、电流超过300A。进一步检查发现,#1主变附近电缆沟内接地扁钢多处发热,通过电流在100A以上。随后开挖#1主变附近接地网,发现接地网多处严重腐蚀,接地网地回流引入集中回流箱的焊接点两侧地网导线已烧断,造成地回流不畅。
3 原因分析
由于#1主变附属设备的电缆保护管接地端接在地回流引线接点旁边的接地网上,该电缆保护管在主变底座上固定,地回流通过#1主变接地端返回到回流箱,导致电流流经的主变固定螺栓部位发热。开挖后发现接地网其它部位也存在不同程度的腐蚀、断股现象。
3.1 接地网结构问题
从图1可看出,该牵引变电所接地网中地回流引入集中回流箱的2根铜排并联接在同一条接地网导线上,地回流电流全部从一根地网导线中流回集中接地箱,施工不合理导致接地网局部电流过大。
3.2 接地网材质问题
该牵引变电所接地网水平接地极采用185mm2铜包钢绞线,垂直接地极采用了铜包钢接地棒。铜包钢的导流性能比纯铜差,且耐腐蚀性差,长时间敷设在地下,受土壤和电流腐蚀,容易出现散股、断股等现象。而这会导致导线氧化面积增加、电阻增大、导流性能下降,从而加速了导线的氧化腐蚀,大电流时导线薄弱部位会被烧断。
3.3 接地网腐蚀问题
接地体的腐蚀形式主要有化学腐蚀和电腐蚀。牵引变电所回流长时间流经接地网,会加剧接地网电腐蚀,使得接地网接地电阻变大甚至超标,缩短接地网的使用寿命。该牵引变电所建设位置原来是农田,地表下积累有大量化肥等物质,土壤腐蚀性较强,从而加剧了接地网导线的腐蚀速度和腐蚀程度。
3.4 牵引回流系统不合理
该牵引变电所馈线所供的专用线较多,部分专用线没有架设回流线,导致该区段的牵引电流大部分从接地网中流回变电所,致使变电所地回流电流较大。一般牵引变电所地回流与轨回流的数值比为1∶2或1∶3,而该牵引变电所监测显示地回流和轨回流数值基本相同,地回流最大值超过1 000A,即已超185mm2铜绞线的允许载流量(25℃下645A)。
4 采取的措施
4.1 补强接地网
由于牵引变电所接地网整体改造周期较长,一般需要一个月左右,因此需要对发生故障的接地网采取临时补强措施。该牵引变电所采取的临时措施是对接地网进行局部补强(如图2所示),新增接地极3处,利用铜接地导线对断点进行临时接通恢复,增加引至回流箱的回流导线数。采取临时措施后,监测到地回流通路中的接地网导线及焊接点的最高温度为26℃。原先的发热部位及通过的大电流消失,故障情况得到明显缓解。
4.2 改善牵引系统回流
鉴于该牵引变电所接地网导线出现大面积腐蚀、断股,局部导线断裂的现象,提出了以下改进措施:一是在牵引变电所接地网引入主变集中回流箱附近适当增加垂直接地极的数量;二是避免从接地网同一位置引入集中回流箱,将引至集中回流箱的导线分别从不同节点的接地网上引接(如图5所示);三是为牵引变电所馈线上没有设置回流线的专用线增加回流线,以增加变电所轨回流数值,减小地回流数值,减轻接地网的负担。
4.3 合理选用接地极材质
铜接地体的耐腐性显著优于钢接地体和铜包钢接地体,且抗化学腐蚀和电腐蚀性强。为了保证接地网的耐腐蚀性,在该牵引变电所接地网整体整治中,选用了纯铜接地极(水平接地极采用铜板,垂直接地极采用铜管)。铜在土壤中的腐蚀速度大约是钢材的1/10~1/50倍,在氧化作用下的表面会产生附着性极强的铜绿(氧化物),能对内部的铜进行很好的保护,阻断进一步的腐蚀。将牵引变电所接地极更换为纯铜材料后,延长了接地网使用寿命。
4.4 采用科学的施工工艺
铜接地体连接方式主要有铜银焊连接法、压接线夹连接法、螺栓连接法和放热焊接连接法。经过比选,在该牵引变电所接地网整体更换铜接地极时,采取了放热焊接连接法。其原理是通过铝与氧化铜的热化学反应产生液态高温铜和氧化铝的残渣,并利用放热反应所产生的高温实现高性能电气熔接,每个焊点的焊接过程仅需数秒,被焊接的铜接地极之间端部即融化形成永久性的分子合成。熔接完成后,焊接点和接地极导体成为不可分割的一个整体。经测试,焊接处的导体电阻值接近于零,完全满足接地极导电的要求。
4.5 加强日常管理
针对这起牵引变电所接地网故障,从管理角度制定了如下措施:一是加强对轨、地回流运行数据的监控,发现地回流常大于轨回流或某回流无数值等异常现象时,应及时查明原因并处理;二是在大负荷时对设备接地线的焊接点、紧固点进行测温,观察有无放电烧伤痕迹;三是在牵引变电所集中回流箱内电气接点处贴测温片,每日监控轨、地回流母线和连接点的温度;四是预防性试验时对牵引变电所接地网的接地电阻进行测量。
5 结束语
综上所述,通过设计牵引网系统回流方式、合理选用接地极材质、采用科学的施工工艺、强化日常管理等方式,能有效保证变电所接地网的安全运行。对于重载铁路牵引变电所,接地网采用纯铜接地极和放热焊接方式,更有利于牵引回流的畅通和接地极的耐腐蚀性,对延长接地网使用寿命,保证牵引供电系统运行安全具有重要的意义。
参考文献
[1]曾宪林.变电站接地网故障的诊断研究[D].北京:北京交通大学,2012
[2]崔凯.电气化铁路牵引变电所中回流装置存在的不足与应对办法[J].电子制作,2013(9):211
[3]张焕林.电气化铁路牵引变电所接地网敷设接地问题探讨[J].中国新技术新产品,2013(18):68
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