无线智能开关站技术研究

摘要

大型工矿企业和国防工程的专用线铁路是国民经济和国防建设的基础之一,其接触网的供电安全可靠,直接影响行车。在专用线与干线铁路的接触网连接处设置“智能开关”,对快速诊断和切除专用线接触网故障,保障干线铁路正常运营,意义重大。由于现有的供电线路故障诊断不完善,例如:不能够辨识瞬时与永久性故障等原因,采用现有技术不能够实现“智能开关”的功效,不仅缺乏相关的理论研究,也没有相关的工程探索。为此,本文在理论和工程上研究了这样的“智能开关”,研究成果可以为新建铁路和既有铁路改造工程的设计、建设和安全运营,提供参考和借鉴。
　　首先,本文基于智能电器定义和专用线铁路供电的实际需求,提出了智能开关站的技术要求,详细地阐述开关站的设计内容,包括开关站的一次主接线、箱体结构、断路器、自动化测控系统、工作电源,电磁兼容与接地等。针对开关站检修期间要保证专用线铁路不间断供电的特殊要求,研制了新型三位隔离开关。
　　为实现对接触网故障的智能诊断,分析变电所和开关站故障跳闸过程,依据故障电压电流的物理机理,建立等值电路,研究故障性质辨识的新算法。发现瞬时性故障辨识是关键,其暂态残压按指数规律衰减,而且衰减曲线有2个时间常数,即:衰减曲线存在拐点。基于研究结果,总结归纳出故障性质的智能辨识判据。为检验理论研究成果,在专用线铁路的接触网上进行了试验。试验创造了用接地导线串联保险丝模拟瞬时性故障的新方法。试验测量值与计算值的比对表明:在暂态残压的拐点时刻,两者相对误差仅为1.5％。试验结果证明了研究理论的正确性,新算法具有工程应用价值。
　　针对专用线铁路用电负荷超载问题,提出自动控制的新策略是:对负荷临时超载进行提示性跳闸警告,依靠自动重合闸技术立即恢复供电;对负荷持续超载实行惩罚性断电。建立负荷电流模型,推导负荷电流计算公式,采用神经网络BP算法,控制检测信号与样本的误差为5％,在实际工程中验证了新策略的可行性。
　　为保障开关站的真空断路器安全运行,基于现有传感器技术,设计和实施了反映真空断路器的机械特性和电气特性的在线监测。分析合闸与分闸的物理过程,确定了合闸与分闸的开始时刻和换位点时刻,并提出了合闸与分闸速度的牛顿插值差分算法。在实验室让实际的ZN-27.5型手车式真空断路器一次回路带上27.5kV高压电进行了试验,结果表明本研究方法能够对真空断路器的机械与电气参数进行在线监测。参照技术规程要求、出厂试验数据和历史运行数据,提出了真空断路器的智能预警策略。
　　分析开关站的无线通信技术需求,提出了开关站无线通信的6条技术要求。为保障GSM网络通信可靠,提出采用小波分解和重构的加密算法,推导了小波分解重构公式和程序流程。
　　针对电力机车或动车的弓网电磁噪声影响无线通信的问题,考虑到电力机车实际运行中弓网非离线状态才是弓网运行的绝大部分情况。本文运用工程电磁场理论,基于弓网接触点邻域空间放电会产生等离子体,建立了电磁辐射天线阵模型,推导了弓网非离线电磁辐射的场强计算公式,按照实际参数进行了仿真。为验证算法的正确性,采用场强测量仪对电力机车和动车的受电弓在非离线状态下取流产生的电磁噪声辐射进行了实测。在距离铁路中心线5m～6m之外的区域中,实测结果与仿真计算值相当吻合。
　　将上述研究的理论与实测总结的规律,应用到研制的智能开关站中,进行了工程实践,几年的运行效果表明:解决了现场需要,达到了研究目标。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题的提出及研究意义

1．1．1 电气化铁路

1．1．2 专用线铁路

1．1．3 课题的研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 智能电器与开关站

1．2．2 接触网故障诊断

1．2．3 断路器在线监测

1．2．4 接触网供电设备的无线通信与控制

1．2．5 弓网电磁噪声对附近通信设备的干扰

1．3 论文的研究任务与研究方法

1．4 论文的主要工作

2 智能开关站设计

2．1 铁路牵引供电与专用线

2．1．1 铁路牵引供电

2．1．2 专用线铁路

2．2 智能开关站及其技术要求

2．2．1 智能电器

2．2．2 智能开关站

2．2．3 专用线接触网智能开关站基本要求

2．3 主接线与总体结构设计

2．3．1 一次主接线设计

2．3．2 总体结构设计

2．4 真空开关特性与参数选择

2．4．1 真空开关特性与结构

2．4．2 主要技术参数选择

2．4．3 真空断路器电气控制

2．5 新型三位隔离开关设计

2．5．1 新型三位隔离开关本体设计

2．5．2 新型三位隔离开关主要技术参数

2．5．3 电动操动机构及电气控制

2．5．4 电动操作机构的主要技术参数

2．5．5 新型三位隔离开关样机与安装方式

2．6 高压设备及其参数选择

2．6．1 变压器

2．6．2 高压熔断器

2．6．3 电流互感器

2．6．4 避雷器

2．6．5 高压穿墙套管

2．6．6 支撑绝缘子

2．7 自动化测控装置

2．7．1 计算机系统

2．7．2 数据采集单元

2．7．3 数字量输入／输出(I／O)接口

2．7．4 通信接口

2．7．5 电源部分

2．8 电磁兼容与接地

2．8．1 电磁兼容措施

2．8．2 开关站的接地

2．9 本章小结

3 智能辨识接触网故障

3．1 接触网故障与跳闸分析

3．1．1 接触网故障

3．1．2 接触网故障跳闸分析

3．1．3 接触网故障智能诊断

3．2 故障智能诊断算法

3．2．1 接触网故障检测

3．2．2 数字滤波

3．2．3 阻抗算法

3．3 故障性质辨识机理

3．3．1 故障性质辨识机理

3．3．2 故障性质辨识的外部条件

3．4 专用线故障等值电路与残压算法

3．4．1 开关站比变电所跳闸快

3．4．2 开关站和变电所同时跳闸

3．5 故障性质综合判据

3．6 故障性质辨识试验

3．6．1 瞬时性故障试验

3．6．2 永久性故障试验

3．6．3 试验与计算比对分析

3．7 本章小结

4 智能控制负荷超载

4．1 负荷超载与控制策略

4．1．1 负荷超载

4．1．2 超载控制策略

4．2 负荷电流模型与算法

4．2．1 负荷电流模型

4．2．2 负荷电流快速算法

4．2．3 负荷电流超载判据

4．3 人工神经网络控制及应用

4．3．1 控制策略的BP算法

4．3．2 专用线负荷电流BP算法控制的实现

4．3．3 工程应用

4．4 本章小结

５ 智能监控真空开关

5．1 监控参数与信号提取

5．1．1 在线监测参数

5．1．2 信号提取

5．1．3 数据处理

5．2 合分闸物理过程与换位时刻

5．2．1 监控参数的有关定义

5．2．2 合分闸物理过程与换位点时刻确定

5．3 机械特性参数算法

5．3．1 向前差分表

5．3．2 牛顿插值算法

5．4 试验及分析

5．4．1 机械特性参数测试与分析

5．4．2 电气参数测试与分析

5．5 安全预警策略

5．6 本章小结

6 智能开关站的通信

6．1 通信需求与方式

6．1．1 通信技术需求分析

6．1．2 无线通信方式的选择

6．1．3 开关站无线通讯模式

6．2 通信可靠性分析

6．3 小波加密算法

6．3．1 小波加密原理

6．3．2 小波分解与重构

6．3．3 小波加密的分解与重构流程

6．4 通信可靠性试验

6．5 本章小结

7 弓网电磁噪声辐射及防护

7．1 弓网离线电磁噪声

7．1．1 弓网离线与电弧

7．1．2 弓网电磁辐射模型

7．1．3 电磁噪声的横向传播

7．2 弓网非离线电磁辐射建模与仿真

7．2．1 弓网非离线电磁噪声产生与特征

7．2．2 非离线弓网电磁辐射建模

7．2．3 弓网电磁辐射仿真

7．3 弓网非离线电磁噪声实测

7．3．1 对普速电力机车的测试

7．3．2 对高速动车的测试

7．3．3 测试数据分析

7．4 电磁噪声干扰的防护

7．4．1 铁路通信系统

7．4．2 电磁噪声干扰方式与危害

7．4．3 防护措施

7．5 开关站应用

7．6 本章小结

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集