電氣工程及其自動化AT牽引供電系統(tǒng)計算模板

1、目 錄摘要31 緒論41.1 AT牽引供電系統(tǒng)簡介41.2 AT牽引供電計算的意義51.3 國內外研究現(xiàn)狀52 AT牽引供電系統(tǒng)計算62.1 AT牽引供電系統(tǒng)計算參數(shù)62.2 MATLAB仿真軟件簡介82.3 計算步驟圖92.4 計算中幾個重要的函數(shù)程序102.5 小結153 AT牽引供電系統(tǒng)的牽引網(wǎng)特性與分析163.1 計算無機車運行時電壓、電流分布163.2 計算機車正常運行時電壓、電流分布173.3 計算各種短路故障牽引網(wǎng)特性與分析203.3.1 TR短路故障計算與分析203.3.2 FR短路故障計算與分析223.3.3 TF短路故障計算與分析233.4 計算過程中出現(xiàn)的問題與解決方法2

2、43.5 小結244 總結254.1 主要研究成果254.2 后續(xù)研究內容25謝辭26參考文獻27摘要AT牽引供電方式由于其優(yōu)異的供電能力及對鄰近通信線的防護效果，成為高速、重載電氣化鐵路的首選供電方式。開展數(shù)學模型研究對掌握其電氣特性具有重要意義。本文介紹了多導體模式下的 AC (交流電)供電模型。建立了一個由 16 根平行導線構成的廣義四端網(wǎng)絡表征 AT 供電系統(tǒng)模型，將牽引供電系統(tǒng)中的元件歸納為串聯(lián)元件和并聯(lián)元件，對串聯(lián)元件的節(jié)點阻抗矩陣及并聯(lián)元件的節(jié)點導納矩陣進行詳細的分析。根據(jù)給定的AT牽引供電系統(tǒng)的參數(shù)，采用功能強大的MATLAB工具構建AT供電系統(tǒng)的數(shù)學模型，計算分析供電網(wǎng)絡正常

3、運行時電壓、電流分布，和各種短路故障時供電網(wǎng)絡電壓、電流分布，以及阻抗曲線。仿真計算的曲線表明，供電網(wǎng)絡正常運行狀態(tài)和各種短路故障時比較有很明顯的差易。根據(jù)這些特點為供電系統(tǒng)本身及繼電保護的設計提供很好的依據(jù)。關鍵詞：高速鐵路；AT牽引供電方式；多導體模式；廣義四端口網(wǎng)絡；短路AT牽引供電系統(tǒng)設計計算1 緒論本章節(jié)主要研究的是理論工作：對AT牽引供電系統(tǒng)進行介紹，闡述AT牽引供電系統(tǒng)計算的意義，以及AT牽引供電系統(tǒng)計算現(xiàn)狀。最后對本文所做的工作及意義進行了概括。1.1 AT牽引供電系統(tǒng)簡介 牽引供電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的一個分支，它是指從牽引變電所經(jīng)饋電線到牽引網(wǎng)再到電力機車的工作系統(tǒng)，主要包括牽引

4、變電所、牽引網(wǎng)和電力機車用戶，如圖1-1所示。圖1-1 牽引供電系統(tǒng)示意圖鐵路牽引網(wǎng)供電方式包括直接供電、BT(Booster Transformer)供電、AT供電和T-R+NF供電方式(直接供電加回流線方式)4種，下面研究的是AT供電。供電圖見下圖：1-接觸網(wǎng)(T);2-正饋線（F）;3-鋼軌(R);圖1-2 牽引網(wǎng)AT供電方式AT牽引供電系統(tǒng)中，牽引變電所牽引側電壓為單相55kv或兩相2×27.5kv。牽引網(wǎng)接觸線C和負饋線F接在自耦變壓器的原邊，構成55kv供電回路，而鋼軌與自耦變壓器的中點連接，使接觸網(wǎng)與鋼軌間的電壓仍然保持為27.5kv。因此，列車與變電所之間形成長回路，

5、由列車所在的AT段形成短回路。由于長回路電壓提高1倍，因此在同樣的牽引功率下網(wǎng)上電流減小，電壓損失、功率損失都大大下降，從而使AT牽引供電系統(tǒng)具有良好的運行指標1。1.2 AT牽引供電計算的意義 AT牽引供電方式由于其優(yōu)異的供電能力及對鄰近通信線的防護效果，成為高速、重載電氣化鐵路的首選供電方式。我國目前重點建設的“四橫四縱”客運專線都采用AT供電方式。但在AT牽引供電系統(tǒng)方面，我國基礎研究和技術儲備比較薄弱，為了保證AT牽引供電的安全、可靠、高質和經(jīng)濟，必須要更新設計理念、改進設計手段、提高設計水平。近些年我國鐵路工程建設市場化推進逐步深入，以前計劃經(jīng)濟模式下的條塊分割、地域劃分已經(jīng)被摒棄，

6、設計單位之間的競爭也越來越激烈，可以說，國內鐵路設計單位對先進設計技術的追求從來沒有如此強烈。國內幾家設計單位最近幾年先后從德國購買了牽引供電仿真軟件ELBAS-WEBANET就是一個證明。在當前的形勢下，我國電氣化鐵道的科研工作面臨著巨大的發(fā)展機遇，同時也面臨著來自世界范圍的競爭和挑戰(zhàn)。如何跟上我國的鐵路建設步伐、為客運專線建設服務、提供必要的技術支持成為我國電氣化鐵道科研人員面對的重大課題。 對AT牽引供電系統(tǒng)計算與分析的詳細掌握，離不開強有力的分析計算工具，離不開對系統(tǒng)數(shù)學模型的精確描述和電氣參數(shù)的準確把握。盡管在長期的工程實踐中，人們已經(jīng)發(fā)展了許多簡化方法來解決電氣化鐵道工程設計中的諸

7、如變壓器容量選擇、電壓損失計算、短路計算、防干擾計算等問題，在利用電子計算機完成牽引供電有關計算方面，人們也進行了持續(xù)的努力，但到目前為止，對牽引供電系統(tǒng)數(shù)學模型和電氣參數(shù)的研究還不能說已經(jīng)進行得很完善，特別是在利用計算機進行仿真計算方面，即使僅從滿足工程設計需求角度，也還存在差距。同普通三相電力系統(tǒng)相關研究的水平相比，還沒有達到它應該達到的深度和廣度。1.3 國內外研究現(xiàn)狀AT牽引供電系統(tǒng)作為一個特殊的高壓輸配電網(wǎng)絡，牽引供電系統(tǒng)中涉及到的各式各樣的問題一般總可以歸為電路的穩(wěn)態(tài)或電磁暫態(tài)問題。因此，從網(wǎng)絡角度，研究牽引供電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型和電磁暫態(tài)模型十分有必要。對三相電力系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過

8、人們長時間的大量研究，已經(jīng)有廣泛而深入的結果，這給建立牽引供電系統(tǒng)的數(shù)學模型奠定了很好的基礎。實際上，電氣化鐵道研究者一直把三相電力系統(tǒng)中的有關原理、方法設法移植到牽引供電電力系統(tǒng)中來，便解決了大量工程實際問題。人們也針對牽引供電系統(tǒng)的特點，研究出了一些獨特的簡化計算方法，如，采用廣義對稱分量法進行復線AT牽引網(wǎng)的短路計算。在利用計算機完成牽引供電的分析計算方面，主要集中在防干擾計算、面向運行圖的供電計算和諧波及負序分布計算等方向。因AT牽引網(wǎng)結構復雜，對其供電特性、防干擾特性的計算只有借助計算機才能得到比較準確的結果，日本學者在開發(fā)AT供電技術過程中，首次把多導體傳輸線模型引入到牽引網(wǎng)的計算

9、中，1979年日本國鐵提交給國際電報電話咨詢委員會（CCITT）的集中反映了這一成果。Talukdar和Koo最早在The analysis of electrified ground transportation networks中把潮流計算引入到地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的分析中，Cai等人則把潮流計算同直流牽引網(wǎng)的多導體傳輸線模型結合起來，隨后又把這一思路運用到AT牽引供電系統(tǒng)2。到目前為止，還沒有見到把這種建模方法應用到非AT牽引供電方式交流牽引網(wǎng)的文獻。對當前應用較多的帶負饋線的直接供電方式牽引網(wǎng)，盡管簡化手算模型能滿足一般的計算要求，但要詳細掌握其供電特性和防干擾特性，仍需采用類似AT牽

10、引網(wǎng)的電算模型。在我國還沒有見到把潮流計算引入到牽引供電系統(tǒng)運行仿真中的公開文獻。2004年西南交通大學同鐵道第四勘察設計院編制一個采用潮流算法的供電計算程序，但對牽引網(wǎng)采用了簡化模型。在研究牽引負荷對電力系統(tǒng)的負序、諧波影響中，已有不少文獻采用了潮流算法，這些研究中一般不對牽引供電系統(tǒng)詳細建模，牽引變電所只作為電網(wǎng)的節(jié)點出現(xiàn)，本質上仍是三相電力系統(tǒng)的潮流計算。2 AT牽引供電系統(tǒng)計算本章節(jié)主要介紹AT牽引供電系統(tǒng)進行仿真計算的參數(shù)和進行初步的仿真實驗。根據(jù)給定的參數(shù)，進行AT牽引供電系統(tǒng)的阻抗矩陣、電容矩陣、AT矩陣和三繞組電源變壓器矩陣仿真，且對結果進行分析。對仿真過程的總結，繪制出了相應

11、的計算步驟圖，有助于能夠更清晰的了解仿真的全部過程。2.1 AT牽引供電系統(tǒng)計算參數(shù)圖2.1 AT牽引供電系統(tǒng)網(wǎng)絡圖2.2 牽引網(wǎng)導線空間分布 計算模型依據(jù)圖2.1和圖2.2，基于 AT 網(wǎng)的主要參數(shù)如下：（1）計算導線的確定 考慮復線AT供電方式，上行和下行各有8根導線，共有2x8=16根導線，分別為: 上行導線（1.承力索 MW1；2.接觸線 CW1；3.鋼軌 RA1；4.鋼軌 RB1；5.正饋線 PF1；6.保護線 PW1；7.通信線 T1；8.綜合接地線 E1），下行導線（9.承力索 MW2；10.接觸線 CW2；11.鋼軌 RA2；12.鋼軌 RB2；13.正饋線 PF2；14.保護

12、線 PW2；15.通信線 T2；16.綜合接地線 E2），牽引網(wǎng)的空間分布位置如圖3.2所示。（2） 供電臂參數(shù)表3-1 供電臂參數(shù)牽引變電所武清DK80+300分區(qū)所天津DK115+420供電臂長度（km）35.1AT所間距20.414.7電源空載電壓58kV（50HZ）牽引變壓器阻抗j9.60(單相VV結線，容量為31.5MVA)電力系統(tǒng)阻抗j1.08（系統(tǒng)短路容量為2800MVA）AT漏抗0.1+j0.45大地導電率10-4 1/·CM鋼軌泄漏電阻10·CM保護線接地方式接鋼軌接地電阻2-5牽引網(wǎng)導線型號接觸線J、承力索CMgCu-120、THJ-120正饋線F、保護

13、線PWLGJ-240、LGJ-120鋼軌R60kg/m綜合接地線ETJ-70表3-2 接觸懸掛類型導線型號計算半徑（mm）等效半徑(mm)電阻(/km)接觸線 CWMgCu-1205.94.20.146承力索 MWTHJ-1207.005.310.158正饋線 PFLGJ-1859.59.030.163鋼軌 RP60109.112.790.135+j0.135保護線 PWLGJ-1207.607.220.255綜合地線ETJ-705.354.0550.28通信線TTJ-705.354.0550.28（3）牽引變電所采用V/X接線單相變壓器 容量：40000kVA 額定電壓：220kv/2

14、15;27.5kv短路阻抗（基準容量25000kVA）：高壓-T繞組 10.22% 高壓-F繞組 10.20% 2.2 MATLAB仿真軟件簡介 在20世紀70年代的中期，Cleve Moler博士和他的同事在美國國家基金會的幫助下，開發(fā)了Linpack和Eispack的Fortran語言子程序庫，其中Linpack適用于線性方程求解的子程序庫，Eispack適用于特征值求解的子程序庫。在70年代后期，Cleve Moler博士設計了Linpack和Eispack的接口程序，并將程序取名為MATLAB。這就是現(xiàn)在廣泛使用的MATLAB的起源。MATLAB是由美國MathWorks公司開發(fā)的大型

15、軟件。在MATLAB軟件中，包括了兩大部分：數(shù)學計算和工程仿真。其數(shù)學計算部分提供了強大的矩陣處理和繪圖功能。在工程仿真方面，MATLAB提供的軟件支持幾乎遍布各個領域，并且不斷加以完善。MATLAB軟件在電力系統(tǒng)建模和仿真中的應用，主要涉及到MATLAB軟件中的電力系統(tǒng)仿真模塊（SimpowerSystems）和控制系統(tǒng)工具箱（Control System Toolbox）。此外隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，模糊邏輯工具箱（Fuzzy Logic Toolbox）、信號處理工具箱（Signal Processing Toolbox）、小波工具箱（Wavelet Toolbox）和神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱(Neu

16、ral Network Toolbox)等在電力系統(tǒng)中也有著廣泛的應用7。本文仿真所使用的是MATLAB 仿真軟件，由其數(shù)學計算部分提供了強大的矩陣處理和繪圖功能，進行本文的AT牽引供電系統(tǒng)的計算與分析的研究。2.3 計算步驟圖 圖2.3 計算步驟圖2.4 計算中幾個重要的函數(shù)程序函數(shù)文件是另一種形式的M文件，每一個函數(shù)文件都定義一個函數(shù)。事實上，MATLAB提供的標準函數(shù)大部分都是由函數(shù)文件定義的。在MATLAB編程中，一個完整的程序往往是由幾個部分組成的，因此，把握和調試好重要的程序是非常必要的。（1） 程序的基本參數(shù) %1.承力索1；2.接觸線1；3.鋼軌1；4.鋼軌2；5.正饋線1；6

17、.保護線1；7.通信線1；8.綜合接地線1；9.承力索2；10.接觸線2；3.鋼軌3；4.鋼軌4；5.正饋線2；6.保護線2；7.通信線2；8.綜合接地線2%原始參數(shù)clear;clc;format long;Pxy=0.001*0,7500;0,6300;-755,1000;755,1000;-4400,8500;-3600,8000;-9400,6500;-4400,500;5000,7500;5000,6300;4245,1000;5755,1000;9400,8500;8600,8000;14400,6500;9400,500; %牽引網(wǎng)導線空間分布坐標 單位mR=0.001*7.00

18、;5.9;109.1;109.1;9.5;7.6;5.35;5.35;7.00;5.9;109.1;109.1;9.5;7.6;5.35;5.35; %16根導線計算半徑 單位mRd=0.001*5.31;4.2;12.79;12.79;9.03;7.22;4.055;4.055;5.31;4.2;12.79;12.79;9.03;7.22;4.055;4.055; % 16根導線等效半徑 單位mr=0.158;0.146;0.135+0.135i;0.135+0.135i;0.163;0.255;0.28;0.28;0.158;0.146;0.135+0.135i;0.135+0.135i;

19、0.163;0.255;0.28;0.28; %16根導線單位電阻 單位/kmf=50; %AT牽引供電系統(tǒng)供電頻率 單位HZsigma=1e-4; %大地導電率 單位1/.cmepsilon=8.854188e-12; %空間介電系數(shù)Kat=1; %AT的變比n1/n2Zg=0.1+0.45i; %AT漏抗 單位Rg=10; %鋼軌泄漏電阻 單位.M%三繞組變壓器的參數(shù)Kpower=220/27.5; %三繞組變壓器的變比Z1_T=0.1978592; %三繞組變壓器T繞組短路后從一次側看到的阻抗 Z1_F=0.197472; %三繞組變壓器F繞組短路后從一次側看到的阻抗Zs=1.08i;

20、%電力系統(tǒng)阻抗TN=16; %導線數(shù)cs=105; %橫向連接元件的參數(shù)FD=1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1.4,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1.7; %AT牽引供電系統(tǒng)各分段長度構成的數(shù)組n=length(FD); %求數(shù)組元素的個數(shù)AT_Location=zeros(1,n+1); %AT分布位置 AT_Location(20)=1;AT_Location(n+1)=1;POWER_Location=zeros(1,n+1); %三繞組變壓器的位置 POWER_Location(1)=1;lj=zeros(1,n);

21、%機車位置lj(25)=0;Dlcw_pf=zeros(1,n+1); %接觸線與正饋線短路位置Dlcw_pf(25)=0;Dlcw_r1=zeros(1,n+1); %接觸線與鋼軌短路位置Dlcw_r1(25)=0;Dlpf_r1=zeros(1,n+1); Dlpf_r1(25)=1; %正饋線與鋼軌短路位置（2） 串聯(lián)阻抗矩陣函數(shù)的建立 串聯(lián)阻抗矩陣的函數(shù)建立是根據(jù)第2章節(jié)串聯(lián)元件的節(jié)點阻抗矩陣中的（2-115）和（2-116）兩式進行編寫。 串聯(lián)阻抗矩陣函數(shù)：%建立函數(shù)ZK來產生16x16階串聯(lián)阻抗矩陣functionZ0=ZK(f,sigma,Pxy,r,Rd)Dg=(0.2085/

22、sqrt(f*sigma*1e-9)/100; %導線地回路等值深度 單位 mr2=pi*pi*f*1e-4; %大地交流電阻 單位/kmfor i=1:16 for j=1:16 if(i=j) Z0(i,j)=r(i)+r2+0.0029i*f*log(Dg/Rd(i); else Z0(i,j)=r2+0.0029i*f*log10(Dg/sqrt(Pxy(i,1)-Pxy(j,1).2+(Pxy(i,2)-Pxy(j,2).2); end endend調用和調試函數(shù)，在Workspace中可以得到16×16階單位阻抗數(shù)據(jù)圖形：圖3.4 阻抗三維圖 由圖2.4可知，自阻抗的值比

23、互阻抗的值大，符合理論計算值。（3）電容導納矩陣函數(shù)的建立 電容導納矩陣函數(shù)的建立是根據(jù)第2章節(jié)含有并聯(lián)導線的多導體系統(tǒng)的電容矩陣中（2-109）和（2-112）兩式建立。 電容導納矩陣函數(shù)：%建立函數(shù)DR來產生16x16階的電容矩陣functionC,YDR=DR(epsilon,Pxy,R,f)for i=1:16 for j=1:16 if(i=j) P(i,j)= 1/(2*pi*epsilon)*log(2*Pxy(i,2)/R(i); else P(i,j)=1/(2*pi*epsilon)*log(sqrt(Pxy(i,1)-Pxy(j,1).2+(Pxy(i,2)-Pxy(j,

24、2).2)/sqrt(Pxy(i,1)-Pxy(j,1).2+(Pxy(i,2)+Pxy(j,2).2); end endendC=inv(P);YDR=2i*pi*f*C;調用和調試函數(shù)，在Workspace中可以得到16×16階單位電容的數(shù)據(jù)圖形：圖3.5 電容三維圖 由圖2.5可知，電容的自阻抗的值比互阻抗的值大，符合理論計算值。（4）AT導納矩陣函數(shù)的建立本文在第2章節(jié)中推算出了AT導納矩陣，即(2-89)式。根據(jù)該式，把相應的元素代入到建立的16×16階的矩陣中。AT導納矩陣函數(shù)：%建立函數(shù)AT來產生16x16階矩陣functionYAT=AT(Kat,Zg)Ka

25、t1=1/(1+1/Kat); %AT中n1/（n1+n2）Kat2=1/(1+Kat); %AT中n2/(n1+n2)Yat=zeros(16);Yat(2,2)=Kat12;Yat(2,3)=-Kat1;Yat(2,5)=Kat1*Kat2;Yat(3,2)=-Kat1;Yat(3,3)=1;Yat(3,5)=-Kat2;Yat(5,2)=Kat1*Kat2;Yat(5,3)=-Kat2;Yat(5,5)=Kat22;YAT=Yat/Zg; （5）V/X接線電源變壓器矩陣函數(shù)建立本文在第2章節(jié)中推算出了V/X接線變壓器的導納矩陣，即（2-102）式。根據(jù)該式和V/X接線變壓器在AT牽引網(wǎng)絡

26、的接線形式，把（2-102）式中的相應元素代入到建立的16×16階的矩陣中。V/X接線電源變壓器矩陣函數(shù)： %建立函數(shù)POWER來產生16x16階的三繞組變壓器導納矩陣和外界注入電流矩陣functionYPOWER,GPOWER=POWER(Kpower,Z1_T,Z1_F,Zs,TN)ZT_1=Z1_T/(Kpower2);ZF_1=Z1_F/(Kpower2);ZTF_1=3*ZT_1+ZF_1-4*0.24;Z1_TF=ZTF_1/(Kpower2);Z1=0.5*(Z1_T+Z1_F-Z1_TF);Z2=0.5*(ZT_1+ZTF_1-ZF_1);Z3=0.5*(ZTF_1+

27、ZF_1-ZT_1);m0=(Z1+Zs)*Z2+(Z1+Zs)*Z3+Kpower2*Z2*Z3;mpower1=(Z1+Zs+Kpower2*Z2)/m0;mpower2=-(2*(Z1+Zs)+Kpower2*Z2)/m0;mpower3=(Z1+Zs)/m0;mpower4=(4*(Z1+Zs)+Kpower2*2*Z2)/m0;Ypower=zeros(TN);Ypower(2,2)=mpower1;Ypower(2,3)=mpower2;Ypower(2,5)=mpower3;Ypower(3,2)=mpower2;Ypower(3,3)=mpower4;Ypower(3,5)=m

28、power2;Ypower(5,2)=mpower3;Ypower(5,3)=mpower2;Ypower(5,5)=mpower1;YPOWER=Ypower;mpower5=-Kpower2*Z2*Kpower/m0;mpower6=-mpower5;Gpower=zeros(TN,1);Gpower(2,1)=mpower5;Gpower(5,1)=mpower6;GPOWER=-220000*Gpower;（6）M矩陣的形成在廣義四端口網(wǎng)絡表征的AT供電系統(tǒng)中有一個系數(shù)矩陣，即（2-71）式，在該式中矩陣里的元素也是一個矩陣，是矩陣嵌套矩陣，根據(jù)這一特點本文采用了MATLAB中的for

29、循環(huán)和cell細胞來構造矩陣。M1=cell(n+1,n+1);for i=1:n+1 for j=1:n+1 if i=j M1i,j=M0(:,:,i); elseif j-i=1 M1i,j=D(:,:,i+1); elseif i-j=1 M1i,j=D(:,:,j+1); else M1i,j=zeros(16); end endendM=cell2mat(M1); cell是MATLAB中的一種數(shù)據(jù)類型，用大括號定義，括號里可以是任意類型的數(shù)據(jù)或矩陣。2.5 小結本章簡要的介紹了AT牽引供電系統(tǒng)給定計算參數(shù)、電力系統(tǒng)仿真軟件MATLAB的作用和對廣義四端口網(wǎng)絡表征的AT供電系統(tǒng)中的

30、重要部分進行初步的計算。 （1）繪制出了相應的計算步驟圖，總體把握整個計算的過程，并根據(jù)計算步驟圖，計算阻抗矩陣、電容矩陣和AT導納矩陣等。 （2）理論分析和計算結果表明，阻抗矩陣和電容導納矩陣的對角元素的數(shù)值比非對角元素大，即自阻抗比互阻抗大，自電容比互電容大9。因此，本文推導的阻抗和電容矩陣是正確的。3 AT牽引供電系統(tǒng)的牽引網(wǎng)特性與分析本章根據(jù)第2章所給的AT牽引供電系統(tǒng)的參數(shù)，將對牽引供電系統(tǒng)正常運行及各種故障條件下進行詳細的計算，運行仿真程序，得出相應的仿真圖形，進行分析。通過仿真實驗得出的結果，驗證了多導體傳輸線理論在AT牽引供電系統(tǒng)計算分析上的可行性。3.1 計算無機車運行時電壓

31、、電流分布圖3.1 簡單的單線AT網(wǎng)絡示意圖 根據(jù)自耦變壓器的電流關系，可知圖中回路中有如下關系： （3-1）由上式可知，在理想狀態(tài)下，無機車運行時，供電系統(tǒng)處于開路，電流為零。 圖3.2 無機車運行時鋼軌的電流曲線圖圖3.3 無機車運行時接觸線的電流曲線 圖3.4 無機車運行時饋線的電流曲線 由圖3.2，3.3，3.4可知，AT牽引供電系統(tǒng)空載運行時，鋼軌、接觸線和饋線上的電流都很小，幾乎為零，跟理論值接近。3.2 計算機車正常運行時電壓、電流分布 為了研究AT牽引供電系統(tǒng)中機車正常取流時的特性，本文考慮在20km和35km處分布有AT變壓器，25km處機車取流1000A的情況，計算鋼軌電位

32、分布（如圖3.5），鋼軌、接觸線和正饋線電流分布（如圖3.6，37，3.8）。圖3.5 機車正常運行時的鋼軌電位曲線 觀察圖3.5，可以知道，鋼軌最高電壓出現(xiàn)在機車取流25km處，中間20kmAT變壓器處也有個小峰值。正常運行時鋼軌電位小于60 V，滿足規(guī)定要求。圖3.6 機車正常運行時的鋼軌電流曲線圖3.7 機車正常運行時接觸線的電流曲線圖3.8 機車正常運行時饋線的電流曲線觀察圖3.6，3.7，3.8，可以發(fā)現(xiàn)取流點25km處到中間 20kmAT變壓器處區(qū)段鋼軌、接觸線和正饋線電流很大。在25km點處，機車從牽引網(wǎng)上取流，電流從接觸線上經(jīng)機車流到25km點，此時流經(jīng)鋼軌的電流最大，鋼軌電流

33、從25km點分別流入20km，35km兩點返回到牽引變電所，在途中鋼軌電流相繼流入大地從而產生陽極，鋼軌電流開始變小。當鋼軌電流通過2025km的某一點和2535km的某一點時，地中電流又相繼流回軌道從而產生陰極，在20km，35km點地中電流與原鋼軌電流匯合，所以20km，35km點的鋼軌電流又會變高。所以在機車受流點和回流點附近會產生很大的鋼軌對地電位。3.3 計算各種短路故障牽引網(wǎng)特性與分析在我國客運專線建設的大浪潮中，AT供電方式由于其顯著的供電優(yōu)勢得到了廣泛的應用。為進一步提高供電優(yōu)勢，以適應高速客專對牽引供電系統(tǒng)的要求，對各種短路故障牽引網(wǎng)特性計算與分析是十分必要的。牽引網(wǎng)阻抗特性

34、曲線是保護動作的主要依據(jù)。本文考慮了3種短路類型，一種是接觸網(wǎng)-正饋線（T-F）短路，另一種是接觸網(wǎng)-鋼軌（T-R）短路，還有一種是正饋線-鋼軌（F-R）短路。 阻抗值的計算是取變電所饋出母線電壓除以饋出電流求得4。3.3.1 TR短路故障計算與分析圖3.9 T-R短路鋼軌的電位 由圖3.9可知，鋼軌最高電壓出現(xiàn)在25km短路點處，在20km處 AT 變壓器處也有個小峰值。在此故障的情況下，由于鋼軌電位高達約為1200V，對于軌道上及軌道附近人員，觸摸鋼軌及與軌道路基相關的物體，是危險的。圖3.10 T-R短路鋼軌的電流曲線 由圖3.10可知，可以發(fā)現(xiàn)取流點25km短路處到中間 20kmAT變

35、壓器處區(qū)段電流很大，高達450A，這也是鋼軌電位在25km比較大的原因。圖3.11 T-R短路阻抗曲線 由圖3.11可知T-R 型短路曲線顯示大波浪中有小波浪狀，究其原因在于，上下行鋼軌、架空回流線和綜合接地會做一次連接，連接點之間區(qū)段短路阻抗再顯非線性化。3.3.2 FR短路故障計算與分析圖3.12 F-R短路鋼軌的電位曲線由上圖3.12可知，鋼軌最高電壓出現(xiàn)在短路點25km處，在20km處AT變壓器也有個峰值，但比短路點處的峰值小，鋼軌的電位也比較高，所以對于軌道上及軌道附近人員，觸摸鋼軌及與軌道路基相關的物體，會有危險。圖3.13 F-R短路鋼軌的電流曲線 觀察圖3.13和3.10，可以

36、發(fā)現(xiàn)F-R短路和T-R短路的電流曲線類似。圖3.14 F-R短路阻抗曲線由圖3.14可知F-R 型短路曲線顯示大波浪中有小波浪狀，究其原因在于，上下行鋼軌、架空回流線和綜合接地會做一次連接，連接點之間區(qū)段短路阻抗再顯非線性化。3.3.3 TF短路故障計算與分析圖3.15 T-F短路鋼軌的電位曲線 由圖3.15發(fā)現(xiàn)，T-F短路鋼軌的最高電位也是出現(xiàn)在短路點25km處，在20km處AT變壓器也有個峰值，但比短路點處的峰值小，也會對軌道上及軌道附近人員，觸摸鋼軌及與軌道路基相關的物體，也會有危險。圖3.16 T-F短路鋼軌阻抗曲線 根據(jù)圖3.16可知，T-F型牽引網(wǎng)阻抗特性曲線呈現(xiàn)馬鞍形，但沒有大波

37、浪中有小波浪，這主要是短路電流基本不走鋼軌、通過綜合接地線以及架空回流線回流。 3.4 計算過程中出現(xiàn)的問題與解決方法 AT牽引供電系統(tǒng)計算是牽引網(wǎng)特性分析的基礎，本文是采用強大MATLAB工具對牽引供電系統(tǒng)進行編程仿真計算，步驟是清晰可見,但在實際上機操作時會遇到很多問題。 出現(xiàn)的問題： （1）在計算機車正常運行時，電流波形和鋼軌電位波形失真； （2）短路阻抗曲線不知怎么形成； （3）在進行T-F短路仿真計算時，阻抗曲線呈現(xiàn)出一條直線。 解決方法： （1）在系統(tǒng)中三繞組電源變壓器處應有一條接地線，在仿真計算時沒有對三繞組電源變壓器進行接地，并且漏抗值比較大，根據(jù)參考資料修改為10CM。 （2

38、）利用MATLAB中的for語句對每個計算區(qū)段進行短路，計算出相應的短路阻抗，再將計算得到的短路阻抗放在一維數(shù)組里，最后對一維數(shù)組畫圖。 （3）阻抗值的計算是取變電所接觸線電壓除以接觸線電流求得，T-F短路的阻抗曲線呈現(xiàn)出馬鞍形。3.5 小結 通過對上下行并聯(lián)運行的AT牽引供電系統(tǒng)進行建模和分析計算，可以得出以下結論： （1）牽引系統(tǒng)空載運行時，鋼軌、接觸線和正饋線中的電流幾乎為零。 （2）通過MATLAB編程語言建立帶有綜合接地線的復線AT系統(tǒng)模型，利用短路模塊，測得牽引網(wǎng)短路故障的阻抗曲線，得到一系列的馬鞍形曲線，這與文獻1中理論計算的結論相符，說明利用多導體理論建立的系統(tǒng)數(shù)學模型基本正確

39、。 （3）AT牽引供電系統(tǒng)在正常工作和發(fā)生短路故障兩種情況下，鋼軌中的電流曲線和電位曲線基本類似，但正常工作和短路故障相比較電流和電位在數(shù)值上相差很大。4 總結本文將現(xiàn)代多導體傳輸線理論應用到高速鐵路系統(tǒng)中，為鐵路的安全、快速運行提供保障。所取得的主要研究成果和結論如下：4.1 主要研究成果本文對AT牽引供電系統(tǒng)進行了詳細的分析、建模和計算，主要結論如下： （1）介紹了多導體模式下的 AC (交流電)供電模型, 推導出AT牽引供電系統(tǒng)多導體傳輸線方程，給出了各電氣元件的建模方法；根據(jù)牽引供電網(wǎng)絡各條導線的材質和結構參數(shù)，采用 Carson 近似公式計算出各導線阻抗；根據(jù)牽引供電網(wǎng)絡各串、并聯(lián)元

40、件的節(jié)點連接關系及相關參數(shù)建立多導體傳輸線節(jié)點阻抗及導納矩陣，最終建立了高速鐵路牽引供電系統(tǒng)多導體傳輸線模型。 （2）采用功能強大的MATLAB工具構建AT供電系統(tǒng)的數(shù)學模型，計算分析供電網(wǎng)絡正常運行時電壓、電流分布，和各種短路故障時供電網(wǎng)絡電壓、電流分布，以及阻抗曲線。仿真計算的曲線表明，供電網(wǎng)絡正常運行狀態(tài)和各種短路故障時比較有很明顯的差易，為供電系統(tǒng)本身及繼電保護的設計提供很好的工具和依據(jù)。4.2 后續(xù)研究內容 由于學識和時間的限制，本文所研究的行波故障測距方法還有許多工作要做。需要今后更加努力的研究： （1）可以進行現(xiàn)場短路試驗，將本文廣義四端口網(wǎng)絡計算方法應用于實際故障現(xiàn)場，通過波形

41、研究，分析得到短路故障特性，從而驗證多導體傳輸線理論在AT牽引供電系統(tǒng)中的可行性。 （2）本文只是進行在一輛機車運行的條件下的仿真計算分析，還可以進行多輛機車同時運行時的仿真計算，分析比較結果，總結出AT牽引供電系統(tǒng)的特性。 （3）進行鋼軌對地漏泄電阻的測試，本文的計算采取了已有文獻中的典型經(jīng)驗值，但是對這些參數(shù)進行更充分、詳細地測試無疑能為工程設計以及相關研究工作進一步深入細化提供更準確的基礎數(shù)據(jù)。 謝辭 本設計的完成是在*老師的細心指導下進行的。在每次設計遇到問題時老師不辭辛苦的講解才使得我的設計順利的進行。從設計的選題到資料的搜集直至最后設計的修改的整個過程中，花費了老師很多的寶貴時間和精力，在此向導師表示衷心地感謝！導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，開拓進取的精