电力牵引接地系统分析.docx

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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—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—接地牵引供电系统。

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

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115kV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

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

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）

（2）

此处

Cs1986版IEEE标准80中的因数

沿面电阻用欧姆-米表示

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

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MP150.15103.10）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/227.5KV。

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

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7Montauk桥电位平面线图

图8新伦敦站台的电位属性

图9Millstone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。

这种特殊的电位为：

最大的接地电位升高值（GPR）=74V

允许接触电压（Vt）=610V

计算所得接触电压=14V

注意，计算所得的接触电压远远低于允许的接触电压，这是因为在平行车站或者配电所位置接地网和A点存在的缘故。

七、摘要和结论

一种用于综合电力系统建模和电力牵引接地系统的分析在本论文中呈现了出来。

全系统接地研究的例子是由拥有实用系统的美铁、诺斯恩德电气化项目提供的。

系统的接触电压是用接地程序计算的。

计算所得的接触电压与IEEE标准80中的允许接触电压相比较。

变电所、平行车站、配电所、桥梁、站台和接触网支柱的接触电压均与其相比较。