基于三维磁场测量的全并联AT牵引网故障定位方法研究

摘要

目前我国的客运专线及城际铁路大多数均按全并联AT供电方式进行设计，符合高速铁路高速重载化运行的发展趋势。全并联AT牵引网是高速铁路牵引供电系统的重要组成部分，为电力机车受流运行提供了根木保障，但牵引网线路露天架设并运行在不同的环境中，常发生线路短路故障，而传统的牵引网故障测距方法大多存在测距精度不高的问题。随着近年来磁场测量技术的研究，通过牵引网空间磁场环境的变化已能很好的反映出线路的运行状况，基于此，本文重点研究了基于三维磁场测量的全并联AT牵引网故障定位方法，该方法能快速准确的实现故障定位、故障类型识别和故障测距，对于缩短停电时间和提高可靠性具有重要意义。
　　 针对研究的问题，基于电磁学基本定理，推导了直角坐标系下有限长直导线在空间任一点处三维磁场的理论公式，充分考虑了牵引网专有导线材质和非简谐圆横截面特征，以有限元分析软件Ansoft/Maxwell中建立的牵引网线路模型为基础，仿真分析了牵引网线路在周围空间的磁场分布;详细阐述了导线空间特征尺度的概念，并在此基础上，分别对接触线、钢轨、绞线空间特征尺度进行了研究。分析结果表明:当场点距离牵引网专有导线达到空间特征尺度时，在给定精度的要求下，可将牵引网专有导线等效为实心圆导线计算磁场。
　　 牵引网线路中电流分布的变化密切联系着牵引网空间磁场分布的变化。参考现有文献工作，基于现场实际线路参数，在Matlab/Simulink仿真环境中搭建了全并联AT牵引网短路故障仿真模型，仿真分析了牵引网在发生接触线-钢轨、接触线-馈线、馈线-钢轨短路故障时线路中的电流分布，并仿真研究了不同故障AT段、故障距离、过渡电阻对于电流分布的影响。
　　 提出了基于磁场测量的牵引网短路故障定位方法。首先针对全并联AT牵引网线路运行的特点，选取了磁场测量点的最佳放置位置，在其基础上深入研究了基于故障点两侧磁场信号测量的牵引网短路故障区域定位方法，并给出了判断故障区域的步骤;对短路故障点两侧磁感应强度幅值和相角的分布进行了研究，提出了利用故障点两侧磁感应强度相角的突变实现牵引网短路故障类型准确识别方法，并充分考虑了故障点所在AT区段、机车运行工况和外界噪声水平变化所带来的影响;在短路故障区域和故障类型已知的基础上，对在故障区域内实现精确测距进行了理论公式推导，算例分析的结果佐证了理论推导公式的有效性，并对所提出的故障测距方法与已有文献中的测距方案进行了分析比较。
　　 为了将所提出的方法运用于实际工程中，本文构筑了一种新型的牵引网故障定位系统。通过安装在牵引网沿线杆塔上的磁场测量单元来实时感应牵引网中电流的变化，智能故障指示箱能够对测量到的磁场信号进行初步的判断并发送故障预警信号，最终依靠安装在牵引变电所处的终端计算机分析实现故障区域定位、故障类型识别和故障点定位。对组成磁场测量单元的装置及功能进行了初步的设计，并详尽描述了单元内各装置之间的关系和工作流程。对所提出的系统进行的成木分析显示:工程造价便宜，具备了运用实施的可行性。
　　 论文从基础理论、方法分析到运用实现三方面对提出的基于三维磁场测量的牵引网短路故障定位方法进行了详细研究，建立了一个较为完备的体系，为全并联AT牵引网故障定位领域的研究提供了新思路。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的提出

1．2 课题的研究意义

1．3 课题研究现状及国内外发展动态

1．3．1 全并联AT牵引网故障测距的国内外现状和研究动态

1．3．2 牵引网磁场分布国内外现状和研究动态

1．3．3 故障信息测量装置国内外现状和研究动态

1．3．4 同步信号获取的国内外现状和研究动态

1．4 论文的主要内容

第2章 牵引网专有导线空间磁场分析

2．1 基本理论概述

2．1．1 基于直角坐标系下的导线三维磁场推导

2．1．2 有限元分析法在工程磁场计算中的运用

2．1．3 导线空间的特征尺度

2．2 接触线空间磁场分析

2．2．1 实际横截面

2．2．2 等效横截面

2．2．3 特征尺度分析

2．3 绞线空间磁场分析

2．3．1 实际横截面

2．3．2 等效横截面

2．3．3 特征尺度分析

2．4 钢轨空间磁场分析

2．4．1 实际横截面

2．4．2 等效横截面

2．4．3 特征尺度分析

2．5 本章小结

第3章 全并联AT牵引网电流分布仿真

3．1 仿真模型的建立

3．1．1 变压器仿真模型

3．1．2 牵引网仿真模型

3．1．3 短路故障仿真模型

3．2 不同故障区段对于电流分布的影响

3．2．1 故障发生在Cell A区段

3．2．2 故障发生在Cell B区段

3．2．3 故障发生在Cell C区段

3．2．4 小节

3．3 过渡电阻对电流分布的影响

3．3．1 过渡电阻为0Ω

3．3．2 过渡电阻为5Ω

3．3．3 过渡电阻为50Ω

3．3．4 小节

3．4 故障距离对电流分布的影响

3．4．1 故障距离为3km

3．4．2 故障距离为5km

3．4．3 故障距离为9km

3．4．4 小节

3．5 本章小结

第4章 基于三维磁场测量的牵引网短路故障定位方法

4．1 磁场测量位置的选取与信号采集

4．1．1 测量点位置的选取

4．1．2 磁场信号的采集

4．2 故障区域定位的实现

4．3 故障类型识别的实现

4．3．1 故障区段对于磁感应强度的影响

4．3．2 机车对于磁感应强度的影响

4．3．3 外界噪声对于磁感应强度的影响

4．3．4 故障点两侧磁感应强度相角分布统计

4．4 故障精确测距的探讨及与现有方法比较

4．4．1 理论推导

4．4．2 算例分析

4．4．3 与现有测距方案比较

4．5 本章小结

第5章 基于三维磁场测量的牵引网故障定位系统的设计

5．1 引言

5．2 牵引网故障定位系统的架构

5．2．1 系统结构与功能

5．2．2 系统工作流程

5．3 磁场测量单元的设计

5．3．1 单元装置组成及功能

5．3．2 单元工作流程

5．4 新型故障定位系统特点及成本分析

5．4．1 系统特点

5．4．2 成本分析

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果