40000字硕士毕业论文带续流电阻的电力电子开关自动过相模式分析
论文类型：硕士毕业论文
论文字数：40000字
论点：过分,过电压,开关
论文概述：
新型方案能有效的抑制机车过分相时暂态过电压的产生，其抑制效果与续流电阻值的大小有关：电阻值越小，抑制效果越好；电阻值越大，抑制效果越差。
论文正文：
第一章导言
1.1牵引供电系统概述
中国电气化铁路牵引供电系统采用工频单相交流系统，主要由牵引变电所、牵引网和电力机车组成，如图所示。
(1)牵引变电所:电力系统提供的llOkV或220kV三相电力转换为27.5kV单相工频交流电，为牵引网供电。包括:小区信息亭、交换中心、自动电话中心等。电气化铁路沿线基本上每20-30公里设置一个牵引变电所。
(2)牵引网:牵引供电线路由牵引变电所、馈线、接触网、电力机车、轨道、地线和回线组成。馈线、接触网、轨道、地线和回线统称为牵引网。
1.1.2电气分相
由于电气化铁路采用单相工频交流供电系统，为了平衡电力系统的甲、乙、丙三相电流，在正常情况下，牵引变电所对接触网实施相变和交流供电。为了防止相间短路，悬链线的相甲、相乙、相丙应通过绝缘隔离，这称为“电分相”。因此，必须在变电站的出口处以及两个牵引变电站之间(在供电臂的末端)安装电气分相设备。在现有的国内交流电气化铁路上，通常每隔20-30公里设置一个分相绝缘装置，即电气分相装置。电气分相装置是电气化铁路牵引供电网实现相间电气隔离的必要装置。
1.2研究背景、意义和问题
随着我国电气化铁路的发展，高速重载铁路已成为铁路运输的一支重要力量。在高速线路上，电力机车每小时要经过10多个分相区。为了防止机车因带电通过而烧毁悬链线悬挂部件，造成相间短路、牵引变电所跳车等不良后果，列车需要在无电区空转。频繁的分相和短暂的分相使司机的劳动强度极高。列车司机不能手动切换通过相位，必须采用自动通过相位装置。
目前，国内外主要有三种自动过相装置:
(1)柱上开关自动断电过相装置。其特征在于:在立柱上设有自动切换分相的设备，分相结束后机车断电。其缺点是true 空开关在负载下断开，这使得维护变得困难，因为它安装在立柱上。由于相分离区有许多悬链线，柱上的结构很复杂。同时，电力机车经过分相时会有很大的过渡过程，过电压和浪涌电流现象严重，导致机车主断路器跳开。
(2)车载自动控制断电过相装置。其特点是电力机车上安装有自动转换电分相的设备，无需人工控制即可自动完成分相。最大的缺点是停电地区，机车速度损失较大。目前，这种装置在我国得到广泛应用，如京津城际高速铁路等。
(3)接地开关自动过相装置。该装置在地面上装有传感器，向地面控制机构发送信号，地面闭合操作完成相变。最大的特点是悬链线没有供电死区，列车通过中性段时不会停止供电，牵引速度损失小。然而，由于采用以true 空断路器表示的机械开关来切换电气相位，机械开关的死区通常约为几百毫秒，并且电源的死区很长。此外，电力机车属于大感性负载，机械开关的突然断开可能导致切断过电压，造成严重过电压。当机械开关打开和关闭时，打开和关闭的阶段不能精确控制。在开关过程中，中性段的剩余电压将与牵引网的电压叠加，导致更高的过压和过流现象。因此，在接地型过电流相分离期间，主断路器和牵引变电站由于较高的过电压和过电流值而易于跳跃。同时，由于机械开关使用寿命短，不能满足高速重载铁路电力机车频繁过相的要求。以真空负载开关为代表的机械开关已成为制约地基自动过流分相发展的关键因素。
使用电力电子开关-GTO，可以关闭水晶报警管，而不是以true 空断路器为代表的机械开关，可以有效解决机械开关带来的问题。
第二章真空负荷开关接地自动过相方案
2.1地面开关式自动过相方案
基于真空负载开关的地面自动过相装置是在地面设置传感器，向地面控制机构发送信号，通过地面开关操作完成过相。如图2-1所示，当列车从a相到达CG1时，真空负荷开关KA闭合，中性段由a相供电；当列车进入空档并到达CG3时，真空负载开关KA关闭，同时真空负载开关KB快速闭合。此时，中性段由相b供电。机车不做任何操作，并通电通过相分离段。当备用车辆离开CG4时，真空负载开关KB关闭，设备返回其初始状态，所有设备返回其初始状态，完成过相。
2.1.2真空负载开关接地自动相位交叉方案的缺点
真空负载和接地自动相位交叉方案主要有以下缺点:
(1)开关的通断相位无法控制。对于传统的带充电摄像头的电力机车，当机车自动过相时，断路器断开，切断机车电源。此时，在机车的辅助绕组和异步辅助车队之间仍然有电流流动，使得一些电动机充当电动机，一些电动机充当发电机，在辅助系统上产生等效功率。变压器对初级侧的等效电源进行称重，以获得剩余电压。中性段剩余压力的大小和相位是不可预测和随机产生的。实际运行经验表明，当机车自动过远时，主变压器的涌流、辅助电机系统的过流和主变压器一次侧的过电压都与中性段的剩余电压有关。当开关闭合时，牵引电源和中性部分的剩余电压叠加形成中性部分的电压响应。如果能有效控制合闸相位，过电压和过电流等现象就能从根本上减少。
(2) true 空开关使用寿命短。在高密度高速铁路中，地面自动过相开关操作频繁，而现有的真空开关使用寿命非常低。开关的总寿命只有100，000倍，而真实空开关的寿命不到50，000倍。true 空开关经常更换，后期维护成本高。
第三章新型开关接地自动过相运行暂态过程分析..........................................29-30
根据新计划..........................................29-54
3.1 3.2新方案下电力机车分相暂态过程..........................................30-41 [/BR/] 3.3牵引供电系统电气参数的计算..........................................41-47
3.4飞轮电阻值的计算..........................................47-50[/溴/] 3.5关断晶闸管开关的设计..........................................50-53
3.5.1电力电子开关的选择..........................................50-51[/溴/] 3.5.2串联晶闸管关闭的数量..........................................51-53
3.6本章概述..........................................53-54
第四章电力机车通过分相瞬态过程的数值计算..........................................54-64
4.2串联电流电阻中性段过电压计算..........................................56-63 [/BR/] 4.3本章概述..........................................63-64
第五章电力机车通过分相瞬态过程仿真..........................................64-85 [/BR/] 5.1电力机车通过分相过程的建模..........................................64-69
5.2机车过相系统仿真分析..........................................69-78 [/BR/] 5.3新方案过相模拟..........................................78-84
5.4..........................................本章第84-85节
结论
随着中国铁路第六次大规模提速，中国高速铁路进入快速发展阶段。确保机车的安全运行是每个铁路工作者和研究人员的首要任务。机车自动越相问题是制约高速铁路发展的重要因素之一。研究安全稳定的自动越相方案对保证铁路安全运营具有重要意义。
首先，介绍了高速铁路相贯方案的研究背景。介绍了国内外采用的几种自动过相方案，重点对地面自动过相方案进行了详细研究。分析了基于真空负荷的传统接地过电压方案的过渡过程，得到了相应的中性点电压数学表达式。在此基础上，研究了一种新型的接地自动越相方案，包括带续流电阻的电力电子开关接地自动越相方案。文章介绍了新型接地型过相方案的工作原理。分析了新方案中电子开关和续流电阻对过电压的抑制作用。电力电子开关(晶闸管可以关断)设计简单。计算并讨论了串联续流电阻的电阻值。对新方案的过渡过程进行了数学计算，得到了中性截面电压的数学表达式。然后，根据牵引供电系统的电气参数进行中性段电压的具体数值求解，最终确定续流电阻的电阻范围。最后，利用Matlab/Simulink仿真软件建立仿真模型，对传统地基方案和新方案进行验证。对仿真波形进行了分析比较，结果表明新方案能有效解决机车过相暂态过电压问题。该方案安全、可靠、可行。