电气化铁道牵引回流分布的理论分析

弄清电气化铁道牵引电流沿钢轨分布规律与特征，是进一步研究电化牵引对沿线通信信号等设备干扰的基础，同时也为现场铁路沿线扼流变压器容量配置提供参考数据。本文分析了我国现有的直供，ＡＴ，ＢＴ供电方式下沿线轨流分布的数学模型，通过不同的边界条件，确定其沿线钢轨回流的分布情况。     

扼流变压器容量的合理配置

在电气化铁道中，扼流变压器是强电与弱电的结合部分，合理而又科学地选择沿线扼流变压器的容量，对信号系统在强电干扰电磁环境下可靠工作，具有重大的实际意义。本论文在电气化铁道牵引回流分布，扼流变压器仿真及信号系统本身防干扰研究的基础上提出了一套实现电气伦铁道沿线扼流变压器合理配置的方法。     

扼流变压器的计算机仿真

扼流变压器是电气化牵引回流和轨道信号电流之间的接口器件。采用基于数值分析的非线性动态网络伴随模型分析法，对扼流变压器在非正弦激励条件下的响应特性进行了计算机仿真，并对改善扼流变压器的电气特性进行了探讨。     

直流制式牵引供电对信号设备的干扰问题分析和解决

以西宁至格尔木复线中锡铁山车站为例,分析了直流制式牵引供电模式下97型25 Hz相敏轨道电路故障产生红光带原因.实验结果表明通过安装调整内部气隙后的扼流变压器,轨道电路故障解除,红光带消失,测试轨道电路参数满足其电气要求和极限传输长度.研究表明：不平衡电流中的直流成分过大会引起扼流变压器铁心直流磁化,使其激磁阻抗减少,导致轨道继电器端电压降低后错误落下,通过调整扼流变压器的内部气隙就可以解决这一类问题.     

平衡接线牵引变压器同相供电下的容量设计方法

为了给同相供电系统牵引变压器容量选择提供理论依据,在既有异相牵引供电系统设计方法的基础上,分析了同相供电系统馈线电流与既有牵引供电系统馈线电流的差异,并针对既有线改造和新线建设两种情况提出同相供电系统牵引变压器容量设计方法.通过既有线和新建线路实现同相供电系统两个算例,说明新建线路和既有线牵引变压器容量可降低1~2个容量等级,并有效提高牵引供电系统运行经济性.      

直供方式下综合地线对牵引回流的影响

为探讨高速、重载运营条件下牵引回流的分布规律,通过分析钢轨和综合地线电路,获得了钢轨和综合地线的等效阻抗,进而得到牵引电流在钢轨和综合地线之间的分配比例.根据遂渝线无砟轨道试验段典型参数计算出综合地线上最大电流为牵引回流的19.7%,与实际测量结果吻合.     

新建牵引变电所的负荷预测及变压器容量优化配置

为了获得新建牵引变电所的负荷情况并校验优化所内牵引变压器的配置容量，将高斯混合模型用于牵引变电所实测数据聚类，然后引入神经网络对新建牵引负荷进行匹配分类. 依据聚类和分类结果，结合概率密度及蒙特卡洛抽样方法，实现新建电气化铁路牵引负荷的预测. 根据热传递原理和相对老化计算，建立新建牵引变电所牵引变压器温升与寿命损失的差分方程模型，对新建牵引变电所的牵引变压器容量进行优化配置. 通过对大量牵引变电所实测数据的分析，聚类后伪-F统计量达12.81，匹配分类后伪-F统计量进一步上升至12.90，表明本文聚类分类方法效果良好. 通过牵引变压器建模，将算例中变压器容量利用率从60%提高到96%，即使考虑安全裕度适当提高安装容量也能使容量利用率达到75%，实现了变压器容量的优化，充分利用了变压器的温度指标和寿命损失.      

交直流双制式牵引供电系统钢轨电位特性分析

交直流双制式牵引供电系统中机车过分相前、后工作于不同供电制式，造成了牵引回流特性的差异，影响不同区段钢轨复合电位分布. 采用CDEGS软件建立了交直流双制式牵引供电系统仿真模型，并验证模型正确性和有效性. 计及交流区段和直流区段之间牵引回流的相互干扰，提出了适用于交直流双制式牵引供电系统的钢轨复合电位限值，研究了影响钢轨复合电位分布的主要因素及其敏感度. 结果表明:当无电区不设置钢轨绝缘节时，无电区段长度增大则交直流区段牵引回流的相互干扰程度降低，导致无电区钢轨复合电位减小；土壤电阻率增大则交直流区段牵引回流的相互干扰程度增强，导致无电区段钢轨复合电位增大；直流区段过渡电阻越大，则直流区段钢轨复合电位越高. 交直流区段之间的无电区设置绝缘节能够改变回流结构，避免钢轨复合电位超标，以国内首条双制式线路为例，设置绝缘节后可以使钢轨复合电位直流分量从103.92 V降至60.20 V，保障了人身安全.      

高速公路混合收费站通行能力的仿真

为了合理地分析到达流大小、流量组成及通道配置情况等因素对高速公路混合收费站实际通行能力的影响,得到某一到达流量特性下混合收费站MTC和ETC通道的最佳配置组合,借助VISSIM仿真系统,对不同到达流量、不同ETC交通流比率条件下高速公路混合收费站通行能力随通道总数和ETC通道所占比例的变化进行了仿真研究。仿真结果表明:饱和流状态下,混合收费站的通行能力随收费通道总数的增大而增大,随ETC通道比例的增大而增大;到达流量一定时,ETC通道的设置比例应与到达流中ETC交通流比率相协调,才能使得混合收费站满足通行需求。得到了不同到达流量时能满足通行需求的ETC交通流的最低比率和混合收费站通道的最佳配置组合,为混合收费站的车道设置提供了参考。     

Vx接线组合式同相供电系统建模与分析

作为新一代牵引供电系统的关键技术,同相供电系统设计需要匹配牵引变压器接线方式,优化电能质量综合补偿策略,降低潮流控制器（PFC）容量及其造价。针对高速和重载铁路推广采用的自耦变压器（AT）供电方式和Vx接线牵引变压器,设计了一种组合式同相供电系统。首先,基于该系统各端口接线角关系,建立了三相电网与单相牵引负荷之间的电气量变换模型;其次,利用三相电压不平衡与无功功率综合补偿理论,将相关电能质量限值为约束条件,给出了组合式同相供电系统各端口补偿电流计算方法,提出了潮流控制器动态跟踪补偿控制方案,与已有补偿方案相比,在达到相同补偿目标时所需补偿容量可以减少10%~58%;最后,通过对多种牵引负荷工况下系统运行特性的仿真模拟,验证了上述补偿模型的正确性和控制策略的有效性。      

单三相组合式同相供电系统的负序影响研究

负序是我国电气化铁路牵引供电系统中存在的主要电能质量问题之一,为研究单三相组合式同相供电系统负序的影响情况,介绍了单三相组合式同相供电系统结构及特点,采用通用方法分别计算了异相供电系统和单三相组合式同相供电系统下牵引负荷产生的负序电流,并对比分析了单三相组合式同相供电系统和异相供电系统中列车处于牵引或再生制动状态下负序影响情况,计算结果表明,单三相组合式同相供电系统平衡变压器绕组容量利用率比YNvd平衡变压器高,其容量利用率最小为85.7%.      

地铁回流电缆与钢轨连接方式研究

分析了国内地铁行业各种类型的回流电缆与钢轨的连接方式的优缺点。针对地铁回流电缆的维护经验和常见故障,研究了各种连接方式在地铁回流系统中的应用前景。并对地铁牵引回流系统的既有线维护、改造和新线设计使用提出了建议,对地铁回流系统的设计、施工、维护有一定指导意义。     

钢轨电位分布模型及仿真

随着电力机车牵引电流不断增大,钢轨电位过高成为突出问题.本文通过建立直供方式下钢轨电位的分布参数模型,并用MATLAB进行仿真,得出了钢轨上电位和电流的分布情况.分析了主要参数对钢轨电位分布的影响;考虑机车本身的影响,引入了机车系数来修正钢轨电位峰值.最后给出了在通常情况下钢轨电位计算值和实际值的比较,验证了模型的正确性.     

强迫油循环风冷式牵引变压器的动态温度场模型

牵引变压器散热涉及冷却油与绕组的共轭传热和热油在油冷却器的二次散热. 为准确模拟其温度场随时间和空间的变化规律,在一维假设基础上,建立了牵引变压器（含绕组和冷却油）和油冷却器的分布参数模型,并与油泵和管道等集中参数模型耦合,建立了牵引变压器动态温度场数学模型,同时提出了一套数值求解算法;对一台牵引变压器及其散热系统进行动态温升实验,以此检验了模型预测精度. 研究结果表明:模型预测的牵引变压器冷却油温过渡时间（58 min）与实验值（61 min）吻合良好,稳定工作的冷却油和绕组温度与实验值的偏差分别为1.3 ℃和2.5 ℃,可以用于指导牵引变压器散热系统的工程设计及优化.      

电气化铁道牵引负荷谐波发射限值

在比较分析IEC61000-3-6与GB／T14549-93的基础上，讨论了谐波阻抗对谐波电压和电流限值之间关系的影响．电气化铁道牵引负荷与普通电力负荷在协议容量和供电容量的确定、谐波叠加指数和多谐波源同时系数3个方面存在差别，因此前者的谐波发射限值的分配方法也与后者的不同，建议采用IEC61000-3-6中的3级评估法．以某电气化铁道为例，介绍了应用3级评估法评估牵引负荷的谐波发射水平的过程．     

单三相变压器在起动电动机时的特性

本文根据现场需要,在调查和试验的基础上对铁磁谐振式单三相变压器运行中的若干问题进行了分析,并给出下列问题的定量关系表达式:(1)单三相变压器作电源时能直接起动的电动机功率;(2)起动功率与移相电容的关系;(3)降低绕组内电流与α相电容配置关系。本文还提出了单三相变压器经济合理的起动方式与“三级运行方式”。     

全并联AT供电网络的电气特性分析及其故障测距方法的研究

全并联AT供电方式是我国高速铁路发展的主要供电形式.本文分析了全并联AT牵引网的电流分布规律和牵引网阻抗特性,并在全并联AT短路故障电流分布规律的基础上提出了适合于全并联AT的故障测距原理.仿真了电流分布规律和阻抗特性.结果表明,其特性曲线和实际的相符合,从而证明了牵引网模型的精确性.仿真了AT漏抗、上下行互感和钢轨漏导对故障测量精度的影响.结果证明这些因素对故障测距精度不会产生影响.     

基于模型的阻抗匹配平衡牵引变压器的保护

为解决励磁涌流的识别问题，将基于变压器模型的保护原理应用于阻抗匹配平衡牵引变压器．根据对该类变压器的电磁特性分析，导出了电压平衡方程，通过分析电压平衡方程等号两边的差值可以确定保护动作．在此基础上，提出了基于变压器模型的阻抗匹配平衡变压器保护的动作特性和动作方程；考虑电流互感器、电压互感器和保护装置自身的误差，提出了相应的整定原则．最后，进行了数值仿真，以验证动作方程和整定原则的正确性．     

YNvd接线变压器的阻抗匹配与运行特性

为在电气化铁道牵引供电系统中推广应用YNvd(星形-开闭三角形)接线变压器,基于磁势平衡方程、绕组接线方程、输出端口方程和电压传递方程,建立了YNvd接线变压器的数学模型,讨论了达到变压器良好的平衡特性应满足的设计条件;对电力系统阻抗进行了折算,给出了牵引变压器二次侧端口的电压输出方程和两相等值电路.研究表明,绕组阻抗不匹配将导致变压器在不同接地运行方式下产生零序电流和零序电压;牵引母线短路电流由系统阻抗、变压器漏抗及阻抗匹配程度决定.     

抗干扰适配器的最优化设计

电气化铁路钢轨中不平衡牵引电流有时可高达１００Ａ。这对移频信号设备的安全工作带来了威胁，严重时可能烧毁设备，危及行车安全。为了抑制这种干扰，需要设计一种抗干扰适配器，现采用多目标有约束的混合非线性优化方法进行设计。理论分析和实际测试都较好地满足了设计的要求。