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基于牵引网相模变换的电力行波故障测距分析与研究

时间:2018-05-07 21:12来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇电力工程论文,电能的使用已渗透到国民经济和人民生活的一切领域,成为工业、农业、交通运输以及国防的主要动力形式和人们家庭生活中不可缺少的能源。
本文是一篇电力工程论文,电能的使用已渗透到国民经济和人民生活的一切领域,成为工业、农业、交通运输以及国防的主要动力形式和人们家庭生活中不可缺少的能源,在拖动、照明、电热、电化学和通信等方面得到了广泛的应用。(以上内容来自百度百科)今天大家推荐一篇电力工程论文,供大家参考。
 
第一章 绪 论
 
1.1 研究背景及意义
为了满足全面建设小康社会总目标的要求,国家发改委于 2008 年 10 月份审批通过了《中长期铁路网规划(2008 年调整)》方案,新规划方案要求:为适应我国经济快速增长的发展态势,必须加大铁路运营规模,完善网络布局,稳定且迅速地提升整体运输能力,满足人们的生产生活需求,主要的设备技术水平应接近国际先进国家。近几年,我国对电气化铁道的建设尤为重视,特别是高速铁路,建设规模不断扩大,运行速度不断提高,与此同时牵引负荷在不断地加重,牵引供电系统的线路越来越繁多。作为铁路的重要供电设备,牵引供电系统的首要作用是可靠地持续为列车提供电能,以保证机车的正常运行。与三相电力系统不同,牵引网是一种特殊的供电网络,因铁路本身的运营特点,其覆盖范围极广,跨越地形复杂,常暴露在恶劣的环境中,天气、季节等外界条件的改变均将导致其线路运行状况的改变;另外,牵引供电线路无备用回路,需要经常承受因电力机车高速度行驶引起的强烈的电与机械冲击。由于这些特殊的运行特点,牵引网极易发生故障,且一旦发生故障,将难以进行精准的故障位置定位。在 2011 年内,因牵引网线路故障,北京至上海的高速铁路面临了数次即将被迫停止运行的情况。类似这种危险的事件说明了牵引网线路运行情况直接影响铁路的运营安全,因此牵引网故障测距对于电气化铁路的安全运行至关重要[1]。接触网通过受电弓的接触滑动为电力机车提供电能,由于牵引网无备用回路,因此若其发生故障不能得到及时的修复将会影响整条铁路线路上机车的正常运行,甚至于造成铁路瘫痪的严重后果。为了尽可能控制减小故障影响范围,要求故障发生后应在最短的时间内完成抢修。在电气化铁路牵引网发生各种短路故障时,铁路局维修部门负责人可以根据故障测距技术迅速确定故障发生位置,及时派遣维修技术人员出动。如果故障测距结果准确,则维修员可以直接奔赴故障区,以最快的速度找到故障点进行抢修,缩短故障发生时间,减小影响范围,尽快恢复供电;如果故障测距结果不准确,则会因故障位置的错判而延误维修员的抢修时间,扩大故障的影响范围[2-3]。
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1.2 牵引网故障测距研究的国内外现状
在供电方式和线路相关电气参数已知的前提下,假设接触网全线的单位长度阻抗均相同,由测量设备测量出故障电压值和电流值,以电路定律为理论基础,求出故障回路的阻抗,再根据均匀导线的长度与阻抗成比例的原理,可以计算得到测量点与故障处之间的距离值[4],这就是阻抗测距法的基本原理。下面详细介绍阻抗法的基本理论公式,见图 1-1 所示的供电电路。实际上,牵引供电线路沿线会存在区间和站场等特殊结构,因此牵引网线路上每个分段的单位长度阻抗是不相同的,因此阻抗测距法中线路阻抗沿线均匀分布的假设条件是不可能成立的,据此相关学者研究提出故障分析法。故障分析法的基本原理为:在已知系统的供电方式的前提下,分析故障时刻的电压值和电流值的理论关系,将待计算的故障距离设为未知量,构造满足理论关系的线路方程式或方程组,从而形成测距算法,然后根据测量装置测量到的故障时的电压和电流值求出故障距离。故不同的牵引供电方式所对应的故障分析测距算法有所差异。目前电气化铁路常用的供电方式为直接供电方式和自耦变压器(简称 AT)供电方式。本节将简单地介绍适用于直供和 AT 供电的故障分析法。
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第二章 铁路牵引网线路的相模变换
 
实际上,常用的经典相模变换矩阵均是在对电力系统三相均匀换位的输电线路的研究基础上提出的,而电气化铁路牵引供电系统的供电方式、电气参数以及导线结构等方面均不同于三相电力网,故电力系统相模变换方面的研究成果并不是完全适用于牵引供电线路。因此,对适用于铁路牵引网的相模变换矩阵进行深入推导研究是非常必要,这样可以减少相模变换相关计算的误差,作为牵引网行波故障测距方法研究改进的理论基础。
 
2.1 牵引网的构成与供电方式
牵引供电系统由牵引变电所、牵引网以及一些其他辅助设备构成,其中,作为电网与牵引网的联接枢纽,牵引变电所主要负责从电力网中取得电能并通过牵引变压器将三相电变换成单相电,而后提供给牵引网。牵引网主要由馈线、接触网和回流回路组成,馈线连接接触网和牵引变电所;接触网架设在铁路轨道的上方,通过与受电弓的滑动摩擦为电力机车供电;而回流回路主要包括回流线、铁轨以及大地。为满足尽量缩小故障影响范围,提高供电可靠性等基本供电要求,牵引供电系统中一般还设置了开闭所和分区所等辅助设施。开闭所实质上为内部安装各种开关设备的开关站,可以实现电分段以及改变馈线数目的作用。分区所通常设置在两个相邻牵引变电所之间接触网线路的中央,将接触网分成两条供电臂,不同供电臂采用不同相,以达到电力系统三相负荷平衡的目的。分区所可以使相邻供电臂连通或断开供电,也可使复线区段牵引变电所同一侧的上下行线路并联运行或独立运行。按照牵引供电设施类型区分,牵引供电方式主要分为[19]:直接供电方式、吸流变压器(简称 BT)供电方式、AT 供电方式以及同轴电缆(简称 CC)供电方式。其中,直接供电方式又可分为基本型和带回流线型。
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2.2 行波传输的基本概念
假设某供电系统出现短路故障,在其故障的瞬间,可根据叠加原理进行理论分析。故障前供电系统如图 2-9 中的(a)所示,在故障发生瞬间,系统在短路故障处相当于突然附加了一个与故障前电压数值相等但方向正好相反的虚拟电压源,如图(b)所示,即等于正常情况的分量(图(c)所示)和故障情况的分量(图(d)所示)的叠加。虚拟源 u(t)f  就会产生向输电线路两侧传播的电压和电流暂态行波,如图(d)所示,故障行波沿线路的传播速度略低于光速83× 10m/s,具体数值应根据供电线路相关参数进行分析计算得出[21-22]。电力系统三相交流输电线的各相导线间会存在电磁耦合现象,如果忽略线间的电磁联系,将其电磁暂态过程分别孤立地看作多根互相无耦合的单导线线路的电磁暂态过程,通常会带来较大误差。因此必须经过数学方法的处理,将相互之间存在电磁联系的多导线简化为多根相互独立的单导线,如此便可对每根处理后的导线按独立的单根导线的计算方法进行分析求解[26]。
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第三章 基于牵引网相模变换的行波故障测距的仿真研究......31
3.1 基于牵引网相模变换的行波故障测距理论基础.....31
3.1.1 牵引网故障行波传播特征分析 ........31
3.1.2 基于牵引网相模变换的行波故障测距的方法与步骤............33
3.2 相模变换的基础数据求解与理论分析............33
3.3 基于 ATP 的牵引网故障仿真模型建立...........38
3.4 仿真结果分析.......46
3.5 电压互感器对行波故障测距法的影响分析....51
3.6 本章小结......60
第四章 基于 EKF 滤波的电压行波信号去噪方法的研究........61
4.1 现场干扰信号类型........61
4.2 EKF 滤波相关理论介绍 ........62
4.3 实验仿真结果与分析....65
4.4 滤波方法比较.......70
4.5 本章小结......77
第五章 结论与展望.......78
5.1 结论.....78
5.2 展望.....79
 
第三章 基于牵引网相模变换的行波故障测距的仿真研究
 
牵引供电系统的供电方式主要分为直接供电、BT 供电、CC 供电与 AT 供电方式。由于经济成本和技术水平等条件的限制,我国的铁路牵引网基本没有采用 BT 和 CC 供电方式,主要采用直供和 AT 供电方式。目前,一些现行的老普速铁道线路主要使用直接供电方式,直供线路故障测距技术已经相对成熟,山东大学已研制出相关设备并已投入市场。而 AT 供电技术由于其供电容量大、供电距离长等优点,近些年来在我国高速铁路中广泛使用。因此本章将针对 AT 牵引供电方式的牵引网进行行波故障测距的研究实验。第二章提出适用于铁路牵引网的相模变换矩阵的计算求解过程,本章将选取采用复线 AT 供电方式的高速铁路牵引网典型参数,根据其求解出的相模变换矩阵,选择适宜计算分析的变换模量分量进行牵引网行波测距的仿真研究。
 
3.1 基于牵引网相模变换的行波故障测距理论基础
目前铁路牵引网线路的运行方式包括单线与复线两种方式,其中根据牵引网线路末端运行状态分类,复线包括末端独立供电和并联供电两种方式。下面简单分析不同运行方式下牵引网故障时的行波传播特征。目前大部分文献在进行行波故障测距时通常采用电流行波进行分析计算,但实际上,牵引网的运行方式会根据运营状况进行不定时的调整。根据上节对牵引网故障行波特征的分析可知:在单线和复线末端独立供电的运行方式时,线路末端或母线处测量不到电流信号,故不宜采用电流行波作为行波测距的计算分析信号。考虑到本文研究的行波故障测距方法应适用于运行于任何方式下的牵引网线路,因此本文提出的基于牵引网相模变换的行波故障测距方法选取电压行波信号作为计算分析信号。从单纯的理论分析而言,单端行波法和双端行波法均适用于牵引网的行波测距。但是,由于接触网线路本身结构复杂,其结构和设备会严重影响行波的传播,同时电力机车以及复杂的环境也会对行波的传播产生影响。行波在牵引网线路的反射、折射过程非常复杂,因此识别入射波和反射波存在一定的困难,不宜采用单端行波法。相较而言,双端法中的 D 型行波法只需要判别故障行波波头信号,确定初始行波波头到达测量点的时间,无需考虑后续的反射与折射行波,实际实施较为简单,故采用 D 型双端故障测距法进行测量计算。
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结论
 
通过对比分析在冲击信号作用下电压互感器一、二次侧电压的仿真实验结果,可以得出:电压互感器对冲击信号传变特性的基本规律为:在暂态过程的起始时刻,其静电感应过程起主要作用,二次侧静电感应电压信号的极性与一次侧冲击电压信号的极性一致,并且静电感应电压的分布基本在瞬间完成,可以将时延略去不计;静电感应过程引起突变后,会存在持续时间为一百微秒左右的自由振荡过程,该过程会造成互感器二次侧线圈电压的极性和一次侧线圈电压极性不相同;在冲击信号的传变后期,电磁感应过程占主要作用。二次侧回路的电压变化大体趋势相同,由此说明二次侧回路负载阻抗值的大小对电压互感器冲击信号的传变特性的影响较小,其传变特性规律基本不变。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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