电气化铁道供电系统的兼容性.doc

电气化铁道供电系统的兼容性
来源： 作者： 发布时间：2007-11-9 11:51:55  点击：1308

电气化铁道供电系统的兼容性
（武汉大学电气工程学院，湖北 武汉  430072）
      【摘   要】随着交通网络对电气化系统兼容性的要求增加，更好地去理解整个电气化网络是绝对有必要的。这些要求包括干扰电流的限制、整个系统的稳定性等。为了很好地去实现这些要求，在运行交通提出和设计的阶段，需要对系统模型做很多的研究。在大型铁道网络中，大量独立的变量迫使工程师在一定程度上去简化问题。文章描述了包括有在可以接受的模型错误的情况下，怎样用一种简单方式去处理某些问题，展现实际系统。
　　【关键词】电气化铁道；供电系统；兼容性；网络拓扑
    【中图分类号】 U231+.8                         【文献标识码】 A                    【文章编号】 1008-1151(2006)05-0112-02
      一、引言
　　电气化铁道有独特的特点，至少从电气化的观点来看，所有运行在相同供电区域的交通工具通过其上的接触网紧密地联系起来。只要通过机械开关投切的电源控制的唯一交通工具处于运行状态，它就不会造成很大的失误。但是，随着交通工具上整流器和逆变器的引入，这个特点已经发生了很大的变化，这些类型的交通工具能产生干扰电流和干扰电压。不但是供电系统如此，传输路径也受到了干扰。更重要的是，所有运行的交通工具的控制器都通过其上的接触线耦合到一起了，很容易想到通过一个简单的技术控制将导致一个较大的系统动作。系统越大，所要求的描述性与模型化将会要求更高。在近几年，生产商和操作人员的经历已清楚地表明这不再仅仅是个理论性的问题。在整个工业领域，动作干扰是个永无止境的话题，而且重要的稳定性问题已经发生，结合一个适当的模型技术的计算和仿真来预测系统的行为是非常有必要的。但是，因为电气化系统由来自许多不同供应商提供的器件组成和不同的操作者，只有国际化的合作才能达到成功。最后，在整个电气化铁道系统中，将会使运行于其中的交通工具彼此电气化兼容。
　　二、电气化铁道的供电系统
　　电力机车供电系统电源来自国家电网。国家电网的高压交流电送到铁路的牵引变电所，进行第一次降压，送到轨道上空的接触网。机车从接触网上获取电流后，在机车内进行第二次降压并整流成直流电（也可在牵引变电所内整流），用以驱动直流电动机。
　　在牵引供电系统中，根据电流的种类和电压的高低，大致可分为直流制和交流制。
　　在交流制中，目前世界上大多数国家部系用工频（50Hz）交流制。牵引变电所将三相交流电改变成25kV的频率单向交流电后送到接触网上，在电力机车内再将交流电变成直流电供给电动机使用，这种机车叫交流电力机车。交流制的优点：可直接从有大容量的电力系统取得电能并以较高电压向电力机车供电；提高供电距离，减少接触导线截面，节省有色金属和电能消耗；降低了投资费用；可采用大功率电力机车，促进高速、重载运输发展。
　　三、动作干扰和稳定性
　　前面已提到两个主要的关注问题：动作干扰（如：干扰电流或电压）及系统稳定性。下面将简要地描述。
　　（一）动作干扰
　　在铁道运输工具的牵引或辅助的变换器中，干扰电流是通过开关性的半导体器件引发的，它们通过传输线和被动性过滤器件的谐振效应能更加明显。动作干扰能损坏信号装置（图1），最糟糕的情况是将会发生致命性的事故（从红灯到绿灯的未预料的信号转换）。最典型的动作干扰的频率段是从0Hz到大约10kHz或20kHz。

图1  动作干扰的来源和扩大路径
　　研究电气化系统的兼容性，有两个显著不同的方面是：强调整体干扰电流和描述更高级远程设备影响的测量电流、特定信号频率。在研究交通工具到铁道电路继电器或其他的信号装置的干扰时，这些因素是非常重要的。
      （二）稳定性
　　原则上，将近每一个频率，有逆变器的交通工具能给供电系统注入能量，它们能把能量转换成频率，这种相应的传输行为主要由控制系统来决定。交通工具的高一级发电机（包括被控工具的相位角）并不能显示这个特点。所以，交通工具的线转换控制器必须仔细地设计。设计不恰当的控制器将引起这些谐振频率的振动（图2）。

图2   激励振荡所产生的不稳定性
　　现在，这些控制器的典型频率段引起增（下转第111页）（上接第112页）到500Hz的影响，在以后，随着新的开关性半导体器件被引入，它将会扩散到更高的频率。
　　四、模型化
　　铁道网络的每个部分在动作干扰和稳定性上有不同的影响。交通工具和传输线起最主要的作用，信号发生装置仅仅充当一个接收器。为了找到恰当的模型，我们有必要研究频域还是时域的复杂性。例如，在要求的时域模型中，包含了高度的非线性性质，时域仿真非常耗时，且对于更大的铁路拓扑是几乎没有可行性的。用一个频域模型来研究稳定性将更可行。这里从频域模型来考虑。
　　在建立模型时，包括了传输线和运行交通工具的模型建立。另外，在铁道网络中的其他因素也对整个系统的行为有影响。主要的子站和电源产生的谐振，网络的灵敏度等必须包括在其中；这些变电站需除去过滤和控制的较低频率段，如果存在的话，将产生更大的影响。通过联系每个独立的元件和任何所期望的系统点的频率响应，整个系统被模型化，交通工具充当干扰源，传输线和传输线上的分配元件充当扩大器。
　　五、电气化铁道牵引供电系统动态无功补偿
　　电铁牵引负荷的日波动特征非常明显，具有短时冲击特性。由于电容器组耐受冲击次数及机械开关自身特性等限制，可调无功补偿不会选用机械开关(如真空断路器等)。目前，国外开始采用晶闸管交流开关来改变补偿装置的无功出力，同时滤出一定量的谐波。其中在电力系统中使用最多、最著名的便是静止无功补偿(SVC)，它有可调电抗器和晶闸管投切电容器(TCR+TSC)方式和晶闸管投切电容(TSC)。TCR+TSC方式投资较大，结构复杂，且TCR有损耗，产生一定量谐波，TSC是SVC的简化方式，按单调谐设计多组某次或某几次滤波器，基波下各支路呈容性，由晶闸管投切电容器组，分级改变补偿装置的无功出力；某次谐波下偏调谐，兼滤该次谐波。因其装置寿命与投切次数无关，且投切的暂态过程很小，结构简单，响应速度快，不产生谐波。所以它是适用于电气化铁道特点和要求，最具应用前景的经济实用装置。
     六、灵敏度分析
      随着时代发展，铁道网络的复杂性显著地增加，将所给模型复杂性得以最小化非常重要。实际网络拓扑需要做出完整的灵敏度研究。而且，系统的拓扑起了一个非常重要的作用，其中重要的说法之一是单个线区域的“解耦”。灵敏度分析应该显示是否一个变电站能有效地分离不同的网络区域，以及达到什么程度。
　　七、结论
　　尽管一个铁道供电网络的计算可能显示了一个简单、熟知而且通常被解决了的问题，但是在显示生活中，它变得要求更高，而且更有挑战性。从数学精确性的角度来看，几乎不可能去治理网络。灵敏度分析和模型简化技巧将不得不应用。在新的交通工具的设计阶段，从动作干扰和稳定性来看，为了确保电气系统的兼容性，建立一个合适的模型是必须的。
【参考文献】
　　[1]吴光皋．电能质量和电气化铁道[M].1995，（2）．
　　[2]张丽，李群湛．TSC在牵引变电所无功补偿中的应用［J］．铁道学报，2000，8(4)．