铁路供电系统故障分析.docx
《铁路供电系统故障分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《铁路供电系统故障分析.docx（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
铁路供电系统故障分析
毕业设计说明书（论文）
作者:
学号：
系：
专业:
电气工程及其自动化
题目:
铁路供电系统故障分析
指导者：
（姓名）（专业技术职务）
评阅者：
（姓名）（专业技术职务）
年月
毕业设计（论文）评语
学生姓名：
班级、学号：
题目：
铁路供电系统故障分析
综合成绩：
指导者评语：
该生的毕业论文结合专业知识，完成了对铁路供电系统故障的研究任务。
论文介绍了铁路供电系统的国内外发展现状，对铁路供电系统的供电方式、主变压器的接线方式、牵引网的结构、牵引供电系统保护等方面进行了阐述，分析了铁路内部故障和外部故障的类型和产生的原因,基于MATLAB软件搭建了铁路供电系统仿真模型，并对铁路供电系统短路故障进行了仿真分析，达到了规定的毕业要求。
论文书写规范，表述清楚，论文的理论分析和仿真均达到毕业设计规定的各项指标和要求。
同意答辩，建议成绩：
指导者（签字）：
年月日
毕业设计（论文）评语
评阅者评语：
评阅者（签字）：
年月日
答辩委员会（小组）评语：
答辩委员会（小组）负责人（签字）：
年月日
毕业设计说明书（论文）中文摘要
随着我国经济社会的不断进步，高速铁路也在飞速地发展中。
本文首先对铁路供电系统进行了概述，然后分析了铁路供电系统的组成和供电方式，并且对牵引供电系统出现的内部故障和外部故障以及其发生的原因进行了简要分析，并有针对性的提出解决这些问题的办法，为高速铁路牵引供电系统运行和维护提供参考。
本文主要对铁路供电系统的供电方式、主变压器的接线方式、牵引网的结构、牵引供电系统保护等方面的技术进行了阐述。
并且通过建立一个复线AT供电系统来模拟故障的发生和分析研究。
通过对铁路供电系统故障的研究，可有效提高高速铁路牵引供电系统运行的可靠性，减少事故概率，降低维修成本，为高速列车的安全运行提供良好的保障，同时也保障了人民群众的公共财产安全。
关键词：
铁路供电;牵引供电;AT供电系统;故障分析;牵引网;高速铁路
毕业设计说明书（论文）外文摘要
TitleAnalysisOfRailwayPower
SupplySystemFailures
Abstract
Withthedevelopmentoftheeconomyandthesocietyofourcountry,Highspeedrailwayisintherapiddevelopment。
Thisessayfirstsummarizesthepowersupplysystemofhighspeedrailway,thenanalysesthecompositionandprincipleofthepowersupplysystem,andthefaultoftractionpowersupplysystemandtheircauseswereanalyzed,andprovidethebasisforthepowersupplysystemofhigh-speedrailwaytraction’soperationandmaintenance.Thisessayfocusesonthehigh-speedrailwaypowersupplymodeinthemaintransformerwiring,tractionnetworkstructure,tractionpowersystemprotectionandotheraspectsofthetechnologyisintroduced.Atthesametime,thisessaysetupanATtractionpowersupplysystemtosimulatethefaultandanalysisit.Bythestudyofthefailureofthepowersupplysystemofrailway,wecaneffectivelyimprovethereliabilityoftractionpowersupplyoperationofhighspeedrailway,reducetheprobabilityoftheaccidents,reducethecostofrepair,providesthepowertoguaranteeabenefitforthesafetyandpunctualrunningofhighspeedtrain,butalsoensuresthesafetyofpeople'spublicproperty.
Keywords:
powersupplyofRailwaytraction;powersupplysystem;ATtractionpowersupply;faultanalysis;tractionnetwork;high-speedrailway
目次
1引言
1．1论文研究的意义和背景
世界上的第一条电气化铁路是由如今我们所熟知的西门子（SIEMENS）公司创造出来的，并且西门子公司在1879年5月31日的德国柏林世贸会上面,向人们展示了这条电气化铁路。
这条铁路看上去很小很短,或许在如今我们看上去只能认为他是一条袖珍铁路，但是他确实是那个年代电气化铁路的一个里程碑，直到如今还被世界上所有人津津乐道。
1950到1960年期间,世界上发达国家（当时主要指工业发达，比如德国、英国、法国等国家）为了满足自己运输业的需求，开始电气化铁路的大规模兴建,牵引动力的发展是当时的首要目的。
1960年开始，电气化铁路以每年兴建五千多公里的速度飞速发展起来。
1970年左右,前苏联、西欧、东欧及日本已经逐渐完成电气化铁路供电网络。
80年代末期电气化铁路的热潮在世界上蔓延着，一些发展中国家，比如（中国、巴西等国家）都不约而同地开始了电气化铁路的修建。
到二十一世纪的时候,世界上的电气化铁路总里程已经达到了一个惊人的数字——262179.2公里,是世界铁路总里程的百分之十七,但是它却挑起了世界铁路运输业一半的重担【1】。
这些年来中国正在不断加快电气化铁路发展的速度，举个例子来说，在1996到二十一世纪初这几年时间里面，我们国家建成并且已经正式投入使用的电气化铁路里程有5030公里之多,这样算下来每年多需要建造的铁路里程为一千公里之多。
现在,中国的电气化铁路营业里程已经逐渐赶超欧美，达到了一个新的高度。
根据官方数据显示，到2005年年末,43条电气化铁路干线已经在我国大地上建成,大约有两万公里,电气化铁路已经成了我国铁路运输业不可或缺的一部分【2,3】。
中国高铁正在以惊人的速度健康快速的发展着，截止到二十一世纪前期,我国的目标是高速铁路的里程必须达到1.8万公里。
安全是建设高速铁路不可或缺或者可以说是最重要的目标。
高速铁路也离不开牵引供电系统，牵引供电系统在高速铁路的发展中扮演者一个举足轻重的角色，对铁路的安全性能起到了很好的保障。
通过和普通铁路相比较,高速铁路的负载特性，数字动态模拟，点图案的设计理念都有着较多的差距。
当今社会，人们所坐的研究和探索，其唯一和根本的目的就是为了确保铁路琴音供电的安全可靠以及高效，为人们能够创造出更多的利益。
1．2国内外研究现状
从1960左右开始,电力牵引系统就已经被世界上的有些工业化的国家大力发展，与此同时，这些国家还修建了很多高速铁路。
举个例子来说，就如法国有六条高铁线路。
巴黎到里昂的这条铁路是法国的第一条电气化铁路，被人们称作为法国TGA东南线。
大西洋线（AtlanticLine）：
巴黎（Paris）至图尔（Tours）。
巴黎至加来和比利时边境的那条电气化铁路称作为北线，这些线路的划分主要是根据其走向和地理位置来的。
罗纳-阿尔卑斯线（Rhone-Alpesline）这是一条将东南线与瓦朗斯连接起来的线路。
地中海线：
靠近地中海，是瓦朗斯到我们所熟知的马赛的一条重要干线。
第六条就是所谓的东线了，斯特拉斯堡到巴黎的这条线路大大方便的了人们的日常出行。
两千多公里的电气化铁路被日本这个岛国所有，可以说铁路是日本人出行的最重要的交通工具。
说到日本，日本的东海道新干线相比大家也不陌生，（也称为东海道、山阳新干线），全长515.4公里，它是日本第一条真正意义上的高速电气化铁路，它的前身也有很多，这里就不一一赘述了。
日本的山阳新干线也是一条电气化铁路，全长大约为五百多公里。
之后建造的东京站至新青森站的东北新干线，全长七百公里不到。
随着时间的发展，日本人感觉到铁路对日常和运输的重要性，开发出了几条短线，比如说高崎到长野的北路新干线和福岛到新庄的山形新干线，他们都只有百余公里，时速确实相当快，能够达到250km/h以上。
高铁技术同样也被西班牙人所掌握的炉火纯青，其中西班牙AVE马德里至塞维利亚，经雷阿尔城（音译）到科尔多瓦。
西班牙大部分的铁路都是从马德里或者巴塞罗那这两个著名城市到全国各地的，比如说科尔瓦多啦、韦斯卡啊这些地方，总体来说，西班牙的高铁技术也相当先进并且在高速发展中。
一个崭新的高铁时代即将到来，一个国家是否拥有自主研发的高铁技术已经成为这个国家经济是否发达，科技是否先进的重要评判标准之一。
中国、日本、西班牙就是典型代表，他们的高速铁路牵引供电系统已经非常完善了，在时间的积累下，牵引供电系统正在一步一步地向前发展，或者将来的某一天，我们乘坐的高速铁路能够到达一个全新的高度，速度，当然安全性能也会更加好。
被人们所熟知的日本的东海道新干线,采用的是BT供电方式，BT供电方式用通俗的话来说就是比较古老和传统，但是他有一个优点就是能够避免在列车运行中的通信干扰。
动力分散是新干线主要特征，它不是靠动力机车头的牵引而工作，而是将每节车厢底下都装上一个发动机，列车运行时，每节车厢都提供动力推动列车的前进。
坐过动车的人都知道，这样做的目的是为了是动能最大化，从而提高列车的运行速度，其安全性也在不断的探索和研究中被人们所认可。
新干线每节车厢都在提供能量，淘汰了沉重的机车头，由此车厢重量就可以减轻不少，对列车的上坡和平稳行驶有很大的好处，同时旅行的舒适度也被提高了不少。
由于轨道所受的压力小了，所以轨道的维护费要也减少了，为国家的经济减轻了负担。
半导体技术的发展也在带动新干线列车制动系统的提升，可以将制动产生的电能回收利用，节省了大量的能源，降低了成本。
同时，列车的电气控制系统由逆变控制转向了交流电变频控制，这样做的好处是减少成本，提高了运行效率和可靠性。
接下来说说法国的高速铁路。
法国的高铁上的动车组是采用动力集中式的方法。
东南新干线是法第一条电气化铁路，从二十世纪七十年代新建，到八十年代初建成使用，最高速度达到270km/h，这在当时是十分惊人的。
为了给列车供电，法国电力公司建造了两条225KV的高压线路。
当列车发生故障的时候，工人可以通过远程控制来排除故障，确保旅客和货物的安全。
单相变压器是东南新干线的主变压器主要采用的。
怎么减少外部输电线的长度是一个问题,为了解决这个问题，法国人把牵引变电所架设在电力系统的电源点附近。
从1956年开始，我国迈出了铁路电气化事业的第一步。
1961年8月宝成铁路开始通车（仅仅是宝鸡到凤州）；75年的6月份，宝成铁路正式全线电气化通车，我国第一条电气化铁路建成通车。
宝成铁路的电气化完成，为我国电气化铁路的发展打了一剂强心针，自此以后，电气话题类飞速发展。
到目前为止，电气化铁路已经成为我国铁路交通的中坚力量。
随着时代的发展，我国的的高铁也在不断发展，逐渐迈入了世界的前列。
AT供电在我国运用广泛，同样运用广泛的还有直接供电方式（指的是带回流线的）
每隔两公里左右就将接触网公里划成一个吸流分段，在这个吸流分段里面设置吸流变压器和回流线，让火车的电流通过回流线向变电所流回去，减少了大地的回流电流，从而减少了对通信的干扰。
1．3论文的主要工作
本文对铁路供电系统进行了分析和研究，介绍了牵引供电系统的构成以及其各类供电方式，阐述了各种供电方式的原理以及特性。
本文：
（1）学习和整理铁路牵引供电系统的特点和基本结构。
（2）高速铁路牵引供电系统的特点分析。
（3）对高速铁路内部故障和外部故障及其解决方案的类型分析。
（4）收集高铁供电常见的各种故障问题和这些问题的解决方法。
（5）收集实际系统数据，并且结合这些数据进行计算和分析。
（6）采用MATLAB仿真软件对铁路供电进行故障的模拟和分析。
2铁路牵引供电系统
2.1牵引供电系统概述
牵引供电是一种供电方式，其目的是提供电能给需要拖动的车辆，这种车辆可以没有发动机。
牵引供电系统是220kV或者110kV的电源通过输电线路提供给铁路，这些220kV或者110kV的电压降压到27.5kV（通过牵引变电所）送至列车。
我们所常见的牵引供电系统包括地铁、城市轻轨、和动车高铁，这些都是靠电气化铁路牵引供电系统而工作，我们也可以简称为牵引供电系统。
2.2牵引供电电流制
电力牵引的供电电流制可以分为直流制、低频单相交流制、三相交流制，接下来要为大家所介绍的就是这些电流制的特点。
2.2.1直流制
直流制世界上电气化铁路最早所使用的一种电流制。
到现在这种电流制还是在被人们所使用，而且占市场份额的比例较大。
这种电气化铁路采用的是直流电给电气机车供电，这样做的目的是为了简化列车的装备。
直流制也存在一些缺点：
（1）最高供电电压为一千五百伏特，相对于其他方式来讲偏低；
（2）由于电压低，势必造成能量的损耗较大，而且不能长距离供电。
2.2.2低频单相交流制
起初被西方一些国家所使用，电力机车的供电来源为单相交流电，这些交流电有11kV的也有15kV的，频率通常为25赫兹。
低频交流系统的优点：
（1）电抗小、整流比较简单；
（2）采用的导线横截面积比较小，成本低，同时满足长距离送电的需要。
这种电流制的供电频率不同，所以需要变频或者通过低频发电厂向其供电，这样做增加了成本，这是其最主要的缺点。
2.2.3三相交流制
采用三相交流异步电动机，供电电压为3.6KV。
其主要优点是：
（1）保证电力系统稳定性；
（2）简化了列车结构；
（3）三相异步电动机可靠性比较高，维修成本小且方便；
（4）效率比较高，利用率较高；
（5）较少通信干扰。
供电线路复杂是它的缺点，同时调整异步电动机的速度也很困难。
2.3牵引供电部分
电气化铁路用电量较大,牵引供电的电源来自地方电力系统,高速铁路负荷电流大,对电力系统的不平衡影响也大。
为了削减对电力体系的干扰,高速铁路正常都采用较高的电源电压。
如今我国的电气化铁路使用的电压主要有220千伏和110千伏两种电压等级,普通的电气化铁路主要采用的是110千伏变电站供电,而高速铁路主要采用的都是220千伏的电压供电，因为它们的速度高，可靠性要求也相对较高，所以要用220千伏的电压供电来保证其稳定性。
我国的京广线、沪宁线、等等高速铁路都是用的是220千伏的供电电压。
牵引供电系统图如图2-1所示。
牵引变电所
馈线电分相接触网
回流线
钢轨
图2-1牵引供电系统简图
（a）牵引变电所
牵引变电所根据电流和电压变化的不同要求，适用于电力牵引电源，然后被送到空铁路沿线的接触网电力机车或发送到区域能源动力系统，电力牵引地下铁道和其他城市交通供电系统所需的能源均来源于此。
电气化铁路牵引变电站之间的距离约40至50公里之间，一路上设置多个牵引变电站。
为了减少高压电力线路故障区段的范围，一般每200至250公里，设置牵引变电所，它除了完成一般的变电站功能外，还能把高压电网电能通过它被分配给总线和其它中间站。
主要的电力牵引变电设备是10000千伏安以上变压器，这通常被人们称作主变压器。
采矿和城市交通，他们使用的直流电力牵引，不仅有降压变压器的直流牵引变电站，以及交流电流转换成直流电流的半导体整流器。
此外，也有各种类型的牵引变电所用于关闭主断路器并打开电源电路，用于维护和隔离开关的安全，以及用于自动，远程控制的保护系统和自动功率控制保护系统。
牵引变电所和牵引网是牵引供电系统的重要组成部分。
牵引供电系统的主要作用是当地的供电所获得电能来提供铁路运行的能量。
牵引变电系统组成部分：
（1）高压架空输电线路
（2）牵引变电所
（3）接触网
（4）馈电线
（5）轨道
（6）回流线
（7）分区所（亭）
（b）一次供电系统
指直接向牵引变电所供电的是高压输电线路或者变电所。
我们可以牵引变电所的进线门类型将其区分开来。
（c）牵引变电所
牵引变电所的功能是三相110KV（220KV）高电压的交流电转换成两个单相交流电27.5KV，然后在两个方向的铁路接触网下游（额定电压25KV）供电。
牵引变电所的作用：
（1）电压的变换。
（2）电能的收集和输送。
（d）牵引网
双电源供电系统由馈电线，接触网，铁路，回流线组成。
变电站馈线是铝和架空线导线之间的连接。
接触网直接从电力机车牵引变电所获得的电源，其品质和工作条件直接影响电气化铁路的运行。
由于接触网暴露在空气中并与电力机车沿接触线移动和运行线路上的负载的变化而变化，接触网需要满足下面的几个要求：
（1）由于高速运行的时候，接触网性能可能会受到影响，同时由于天气条件的限制，要保证铁路供电系统的正常运行，要求接触网的质量要可靠（做工精良，用料实诚）。
（2）接触网设备要绝缘，以满足技术要求，安全性和可靠性。
（3）要求接触网设备耐磨和耐腐蚀，以延长使用寿命和具有足够的抵抗力。
。
（4）减少成本。
（e）分区所
分区所的设立是为了对牵引供电网进行分区，来保证供电的灵活可靠。
分区所的作用：
（1）这样在相同的电源，并联下游接触网的工作或独立工作的分区。
并行工作时，断路器的分区（亭），以提高接触网电压的封闭端;当单独工作时，断路器处于打开状态。
（2）同区的单向电源，有短路发生下行接触网事故（并行操作）内，由牵引变电所馈线断路器和分区（亭）的母联断路器动作，切除出事故域段。
非事故路段仍照常运行。
（3）当一个完整的牵引变电所的功率可以闭合绝缘相隔离开关（或断路器）在平行分区中，相邻的牵引变电所，牵引变电所分区临时切换电源。
（f）开闭所
枢纽站（如编组站，道路等），以提高可靠性和灵活性，它通常为独立供电，开闭所也正因此而建立。
如果复线部分，通过打开和关闭断路器可以把接触网的上下行并联。
开闭所的作用：
（1）开闭所只起到配电所的作用来扩大馈线回路数；
（2）缩小事故范围，提高安全性；
（3）为了牵引变电所的简单化。
2.4牵引变压器原理
（a）单相V/V接线牵引变压器
方式与V的三相电力系统中的每个牵引变电站相连接的两个单相变压器可以在两相的线电压的三相电源系统中实现。
将两个变压器的次级绕组，拿出一个端部连接到两相牵引变电所总线。
以及它们的另一端连接到回线的公共端相关联的方式引导返回轨道。
在这个时候，它的手臂60°的相电压线，电流下降不对称的程度略有降低。
该布线即通常被称为60°连接。
（三相）原理：
将两台单相变压器的安装在相同的槽体组合物。
初级绕组连接到一个固定的线V的结合，V的顶点（A2和连接点X1）的相位C，A1，X2分别表示A相，B相。
在外部燃料箱的二次绕组引线的所有四个端子，根据牵引供电要求，可采取正的“V”型，也可以连接到该反“V”形。
V/V接线牵引变压器如图2-3所示。
图2-2V/V接线牵引变压器
（b）斯科特（Scott）牵引变压器
实际上是由连接在按照规定两个单相变压器。
单相变压器引线初级绕组的两端，分别接到两相的三相电力系统中，称为块变压器;绕组的一端到另一原始的单相变压器引线，又收到三相电力系统中的一个阶段，另一端连接到中点OM座变压器的原边绕组，称为T座变压器。
这种类型的结的对称三相线电压转换为三相两相电压是对称的，具有两相的臂，在另一侧的另一侧的臂部相电源的一相电源侧。
M挡变压器的原边绕组的匝数电压为所述接触电源系统B的两端，C相;副边绕组的匝数、电压，分别为所述电源左臂功率。
T座变压器的初级绕组匝数，电压，分别在终止的中点M座，O变压器的原边绕组，并连接到连接到A相电源系统的另一端;副边绕组的匝数，电压，分别对电源的右臂。
T座和M座，同样的副边绕组但是具有不同的原边绕组。
在实践中，通常两个单相变压器绕组安装在铁心，安装在一个铁芯中。
斯科特牵引变压器如图2-3所示。
图2-3斯科特（Scott）牵引变压器
2.5牵引供电方式
牵引供电的方式多种多样，有最古老的直接供电（DF）方式、直接供电方式的升级版——带回流线的直接供电方式（DN供电）、较为现代化的自耦变压器供电方式（AT供电）、吸流变压器供电方式（BT供电）等等。
这些供电方式经过时间的沉淀和发展，各自在自己的时代撑起了一片蓝天，各有优点和缺点，本文接下来就主要探讨这些供电方式的特性以及罗列出各种供电方式的简化图来更加直观清楚的表示。
（1）直接供电方式
直接供电方式较为简单，是将牵引变电所输出的电能直接供给电力机车的一种供电方式。
简单便宜是它最大的优点。
它的缺点是钢轨中存在较大的回路电流和接地电流，发出电磁干，通信线路产生影响。
供电距离太短，回路电阻太大。
直接供电方式如图2-5所示。
T
UI
R
图2-5直接供电方式
（2）吸流变压器（BT）供电方式
BT供电方式，吸流变压器被按照一段段固定的距离安装在接触网里面。
吸上线被设立在两台吸流变压器之间，连接钢轨和回流线，减少回流产生的电磁干扰避免通信系统故障。
BT供电存在的缺点还有很多，所以在如今的铁路建设中，这种供电方式已经很少被采用。
BT供电方式图如图2-6所示。
图2-6BT供电方式
（3）AT（自耦变压器）供电方式
髙速铁路对于接触网的电流有着极高的要求，对此人们研究出了一种崭新的供电方式（AT供电）这种供电方式能保证电流的质量，满足高速铁路供电的分相要求和分序要求。
迄今为止，世界上很多高速铁路供电方式都采用的是AT供电方式（自耦变压器供电方式）。
AT供电方式如下图的2-7所示,T为供电系统的接触网，R为铁轨，F为供电系统的正馈线,同时AT也是自耦变压器的简称,这张图中的AT变压器的具有2比1的变比。
电源串联在接触网和铁轨之间为火车供电,电源电压达到2X27.5kV,它的中性点和钢轨相连,27.5kV的电压被列车所使用,专业名词AT段指的就是两个AT之间的距离,一般情况下是10km为一个AT段（除非有特殊说明）。
图2-7AT供电方式
正常来说,正馈线对钢轨的电压和接触网对铁轨的电压是相同的,所以AT供电方式馈电电压就是原接触网电压乘以2所得。
（4）直供+回流（DN）供电方式（TRNF）
直供+回流供电方式利用回流线与接触网之间的相互感应，从而使钢轨中的回流由回流线流向牵引变电所，从而减少了对通信的干扰，其抗干扰能力比不上BT供电，通常在对通信线防干扰要求不高的区段采用。
这种供电方式设备简单，提高了供电的可靠性；由于回流线被保留，
升级会员 