电气化铁路车网耦合系统异常电气过程与治理方案研究

摘要

牵引供电系统与电力列车之间构成车网耦合系统，车网耦合系统良好的电气匹配关系是确保牵引供电系统供电质量以及电力列车安全、稳定、持续运行的关键。在电力列车运行中，车网耦合系统因电气不匹配出现了多种复杂异常电气过程，严重影响了牵引供电系统和列车运行的可靠性和安全性。本文针对车网耦合系统中出现的高次谐波谐振现象、列车过分相过电压现象以及列车励磁涌流与和应涌流现象三个方面进行了研究，并提出了相应的改善方案。论文的主要研究内容和成果如下:
　　(1)分析了牵引供电系统谐波谐振发生机理，通过构建车网耦合系统仿真模型，研究了牵引供电系统阻抗频率特性、高次谐波电流在牵引供电系统中的传输特性;利用实数型模态分析法对牵引供电系统简化模型的谐振特性进行研究，将系统复数导纳矩阵化简为实数型导纳矩阵，得到系统的关键特征值、特征向量和谐振频率，通过关键特征向量推导出各母线节点的参数因子，与既有模态分析进行了对比，验证了该方法的正确性。通过建立单相变压器和阻抗匹配平衡变压器的谐波模型、逆Scott变压器谐波模型，分别分析了牵引网高次谐波对公共电网高压三相系统、所内低压三相系统的渗透特性。针对谐波含量较高的牵引变电所进行测试与分析，结果表明高次谐波电流、电压是造成牵引侧谐波含量较高的主要原因，电力系统短路容量越高，高次谐波电压对公共电压的渗透影响越小，高次谐波电压将通过所内逆Scott变压器大量渗透到低压三相系统中，造成用电设备烧损。
　　(2)通过构建新型双边供电系统的数学模型和仿真模型，研究了新型双边供电系统谐振发生机理、阻抗频率特性、谐波电流传输特性;通过构建长距离无分相的新型电缆供电系统的仿真模型，分析了在其牵引网不同位置处的阻抗频率特性，通过数学分析和仿真建模评估了两种新型牵引供电方式谐波谐振特性。
　　(3)分别建立了在车载自动过分相和地面自动过分相中出现的暂态过程的等效模型和仿真模型，对比分析了两种自动过分相方式下暂态过电压出现的机理、特点，针对中性段与接触网连通时电压相位、中性段两端接触网电压相位差对过电压的影响以及列车分别在牵引变电所处、分区所处过分相时最大过电压的特点进行了研究，结果表明中性段与接触网在电压峰值时连通过电压最大，接触网电压相位差越大，最大过电压也越大，牵引变电所出口处过分相最大过电压高于分区所处，持续时间也更久、振荡更强烈。
　　(4)建立了列车变压器合闸时系统等效电路模型和仿真模型，研究了影响列车励磁涌流的关键因素，主要包括列车断路器合闸相位、空间位置、变压器剩磁、变压器内部参数、多列车合闸等，分析了励磁涌流对系统的影响;通过建立合闸电力列车、运行电力列车以及牵引供电系统等效电路模型和仿真模型揭示电力列车变压器和应涌流产生机理，分析了影响和应涌流变化的关键因素;分析结果表明励磁涌流不仅会造成牵引网电压、变压器二次侧电压发生跌落和严重畸变，还将造成运行列车出现和应涌流，影响程度与励磁涌流大小、列车位置、变压器参数等有关。
　　(5)针对新型阻波高通滤波器的阻波特性、暂态特性、滤波特性以及谐振抑制特性进行了研究，验证了其在工频下呈现高阻抗，与系统不交换无功，可有效滤除高次谐波电流，将牵引供电系统首次谐振频率向更高频段偏移，避开电力列车谐波电流频率范围，从而抑制谐振;设计并制造了一套Y型阻波高通滤波器，安装于高次谐波含量较高的牵引变电所低压三相系统中，运行结果表明其可有效滤除高次谐波电压，电能质量得到显著改善，解决了所内用电设备烧损现象。
　　(6)针对新型贯通式同相供电方案进行研究，该方案在牵引变电所采用单相变压器，在负序超标时采用组合式同相供电技术，可取消牵引变电所出口处分相，在分区所实施双边供电技术，取消分区所处电分相，实现了几百千米无分相、连续不间断供电，避免了因分相造成供电间断、暂态过程，从根本上解决分相带来的各种问题。
　　当电力系统不允许采用双边供电时，研究了一种适用于分区所的不间断供电自动过分相方案，介绍了其结构与工作原理，对其实现列车不断电过分相过程进行建模仿真分析，仿真结果表明该方案利用晶闸管开关的精确导通和关断可实现列车不断电过分相，系统中串联的电阻可抑制均衡电流和异常情况下出现的暂态过程。
　　本文针对车网耦合系统中出现的高次谐波谐振、过分相过电压以及列车变压器励磁涌流与和应涌流等异常电气现象的发生机理和影响因素进行了分析，针对其特点提出了有效的治理方案，研究可取消全线分相的贯通式同相供电方案，实现了牵引供电系统和电力列车之间良好的电气耦合关系，为电气化铁路的安全运行与维护提供理论支撑。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 高次谐波谐振研究现状

1．2．2 过分相电气暂态过程研究现状

1．2．3 励磁涌流研究现状

1．2．4 和应涌流研究现状

1．2．5 异常电气过程治理方案研究现状

1．3 主要研究内容

1．4 主要创新

第2章 牵引供电系统谐波谐振分析

2．1 引言

2．2 牵引供电系统谐波谐振

2．2．1 谐波谐振机理分析

2．2．2 牵引供电系统谐波谐振仿真模型

2．2．3 牵引供电系统谐波谐振仿真分析

2．3 实数型模态分析法

2．3．1 实数型模态分析法原理

2．3．2 基于实数型模态分析法的牵引供电系统谐振分析

2．4 高次谐波对高低压三相系统的渗透特性

2．4．1 对高压三相系统渗透特性

2．4．2 对低压三相系统渗透特性

2．4．3 实测数据分析

2．5 新型双边供电系统谐波谐振分析

2．5．1 新型双边供电系统结构和工作原理

2．5．2 新型双边供电系统谐波传输特性分析

2．5．3 谐波传输特性仿真模型

2．5．4 谐波传输特性仿真分析

2．6 新型电缆供电系统谐波谐振分析

2．6．1 新型电缆供电系统结构和工作原理

2．6．2 阻抗频率特性分析

2．7 小结

第3章 列车过分相电气暂态过程

3．1 引言

3．2 电分相与自动过分相方案

3．2．1 电分相装置

3．2．2 自动过分相方案

3．3 车载自动过分相系统暂态过程分析

3．3．1 过分相暂态过程描述

3．3．2 过分相暂态过程建模分析

3．4 地面自动过分相系统暂态过程分析

3．4．1 过分相暂态过程描述

3．4．2 过分相过程仿真建模

3．4．3 暂态过程仿真分析

3．5 两种自动过分相方案暂态过程对比分析

3．6 小结

第4章 电力列车励磁涌流与和应涌流

4．1 引言

4．2 电力列车变压器励磁涌流

4．2．1 车载变压器励磁涌流发生机理

4．2．2 建模仿真分析

4．2．3 影响因素小结

4．3 电力机车和应涌流

4．3．1 和应涌流发生机理

4．3．2 和应涌流仿真分析

4．4 小结

第5章 车网耦合系统异常电气过程治理方案

5．1 引言

5．2 基于阻波高通滤波器的高次谐波治理方案

5．2．1 结构与工作原理

5．2．2 特性分析

5．2．3 在低压三相系统中的应用

5．2．4 对过分相过电压抑制作用

5．3 贯通式同相供电方案

5．4 新型分区所不间断供电自动过分相系统

5．4．1 结构和工作原理

5．4．2 过分相过程、性能、故障导向分析

5．5 小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的论文、专利及科研