地磁暴侵害高铁电气系统的过程与影响研究

摘要

地磁暴会对高铁电气系统的安全运行产生不利影响。本论文在国家自然科学基金项目（41374389磁暴侵害高铁电气系统的电路模型与算法）的支持下，从实际测量和建模计算两个方面系统研究了地磁暴侵害高铁电气系统的响应过程和影响因素，探明了地磁暴侵害高速铁路电气系统的物理过程，设计了地磁暴侵害高速铁路牵引网GIC观测实验，首次获得了磁暴期间牵引网的GIC监测数据。另外，建立了基于分布源传输线理论的轨道电路GIC计算模型，探明了轨道电路GIC和轨地电位的分布特性及影响因素，完成了牵引网GIC水平评估及地磁暴对系统设备的影响分析。主要研究内容及成果如下:
　　通过对历史上磁暴影响铁路系统的案例分析，结合我国高速铁路电气系统的特点，以AT供电方式为例，研究了GIC侵入牵引网、轨道电路、机车系统的流通路径和影响范围，设计了地磁暴侵害高铁电气系统的监测方案，并对京广高速铁路鹤壁东站、长珲城际高速铁路延吉西站的牵引网完成了GIC观测实验，基于GPRS通讯技术组成了高铁GIC监测系统，将监测数据发送到中心主站进行分析和管理，为研究GIC的发生规律及对高铁电气系统影响程度提供基础数据。
　　通过实际测量，首次获得了磁暴期间京广高铁鹤壁东站牵引网中的直流监测数据，与同时段相关的地磁台磁暴数据进行对比分析后发现，二者不仅发生时间一致，且电流值与地磁变量之间存在强相关性，从而证明了监测数据与地磁扰动间的关系。基于地磁场数据和大地结构参数计算感应地电场，并与监测的电流数据进行多元线性回归分析，证实了监测到的电流是由地磁暴引起的，地磁数据及大地结构参数是高铁电气系统GIC的主要影响因素。
　　基于分布源传输线理论建立了轨道电路GIC计算模型，给出了分布参数的计算方法，通过将地面感应电场的作用等效为施加于单位长度上的电流源，实现了轨道电路模型与地面电场的耦合，提出了轨道电路GIC和轨地电位的计算方法。在此基础上，讨论了轨道长度、泄漏电阻、接地系统对轨道电路GIC和轨地电位分布特性的影响。以鹤壁东站至安阳东站铁路区段的轨道电路为例，计算了不同方向的均匀地电场作用下的轨道电路GIC和轨地电位，并选取2015年6月23日磁暴事件，计算了鹤壁东牵引变电所的轨道电路GIC曲线，所得计算结果与GIC监测数据具有较好的一致性，验证了模型与算法的正确性。
　　实现牵引网GIC水平的计算需要建立牵引网等效模型。基于多导体传输线理论建立了牵引网的多导体链式网络模型，由于GIC的频率很低，计算时可只考虑电网元件的直流参数。本论文分别建立了横向元件和纵向元件的GIC等效模型，并通过将地面感应电场的作用等效为施加于不同接地点间的电压源，实现了牵引网模型与计算感应地面电场间的耦合，推导了计算各节点的GIC的矩阵方程。以长珲城际高速铁路延吉西供电区段的牵引网为例，计算了不同方向均匀地电场作用下的牵引网输电线路和各个变压器的流入大地的GIC、轨道电路GIC和轨道电位。
　　本论文实现了牵引网轨道回路的GIC水平评估及对设备的影响分析，为下一步研究地磁暴侵害高速铁路设备及风险评估提供重要参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的提出及其意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本论文的主要工作

第2章 地磁暴侵害高铁电气系统的观测实验

2．1 高铁电气系统概述

2．1．1 牵引网供电方式

2．1．2 综合接地系统

2．1．3 轨道电路系统

2．2 地磁暴侵害高铁电气系统的过程

2．2．1 牵引网GIC路径

2．2．2 轨道电路GIC路径

2．2．3 机车系统的GIC路径

2．3．高铁牵引网GIC监测方案

2．3．1 牵引网GIC监测方案设计

2．3．2 鹤壁东牵引变电站

2．3．3 延吉西牵引变电站

2．4 高铁GIC数据管理分析系统

2．4．1 GIC监测系统的组网

2．4．2 GIC监测数据管理系统

2．5 本章小结

第3章 高铁GIC实验数据分析与验证

3．1 地磁暴数据来源

3．1．1 地磁场要素与测量

3．1．2 地磁扰动及强度指标

3．2 GIC实验数据验证的理论基础

3．2．1 感应地电场计算概述

3．2．2 基于地磁数据的地电场计算模型

3．2．3 轨道电路GIC的经验模型

3．3 GIC实验数据的理论分析

3．3．1 牵引网GIC监测数据

3．3．2 地磁数据与GIC数据相关性分析

3．3．3 地电场数据与GIC数据回归分析

3．4 轨道电路GIC影响因素分析

3．4．1 地磁参数的影响

3．4．2 大地结构参数的影响

3．5 本章小结

第4章 轨道电路GIC计算模型研究

4．1 轨道电路GIC模型与算法

4．1．1 分布电源传输线理论

4．1．2 轨道GIC计算模型

4．1．3 轨道GIC计算方法

4．2 轨道电路GIC的分布特性研究

4．2．1 轨道长度对GIC的影响

4．2．2 泄漏电阻对轨道GIC的影响

4．3 接地系统对轨道电路GIC的影响

4．3．1 终端接地系统

4．3．2 多点接地系统

4．4 轨道电路GIC水平计算

4．4．1 参数计算

4．4．2 均匀地电场作用下轨道GIC计算

4．4．3 磁暴作用下轨道电路GIC计算

4．5 本章小结

第5章 地磁暴侵害高铁电气系统的水平评估

5．1 牵引网模型分析

5．1．1 链式网络结构

5．1．2 串联元件

5．1．3 并联元件

5．1．4 关于牵引网端部的处理

5．2 均匀电场作用下的GIC水平计算

5．2．1 高铁电气系统及其等效模型

5．2．2 牵引系统GIC水平计算

5．3 磁暴作用下的GIC水平计算

5．3．1 沿高铁走向的地面电场计算

5．3．2 牵引网GIC水平计算

5．4 分析与讨论

5．4．1 牵引系统GIC风险分析

5．4．2 GIC风险的防范措施

5．5 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介