運用超導故障限流和自動電源轉(zhuǎn)換開關系統(tǒng)的電氣化鐵路

1、運用超導故障限流和自動電源轉(zhuǎn)換開關系統(tǒng)的電氣化鐵路摘要：這篇論文中提出了在韓國電氣鐵路使用25千伏交流斯科特變壓器發(fā)生短路故障時自動電源轉(zhuǎn)換開關系統(tǒng)對電流的限制。電氣鐵路需要中性部分分離兩個不同的相電流m和t。當火車穿過中性部分,電氣化鐵路電力供應階段改變到其他階段。這時，火車必須關掉斷路器避免瞬態(tài)“勵磁涌流”和“弧”。這些負面的問題導致機車的速度下降，也使得機車電路的壽命下降。為了解決這個問題，限制勵磁涌流的方法被提了出來。此外,我們用時域瞬態(tài)模擬軟件來分析影響。索引詞電氣化鐵路，勵磁涌流，中性部分，超導故障限流。1.介紹近年來，由于化石能源的損耗和為阻止全球變暖對碳排放的限制，電氣化鐵路作

2、為一個現(xiàn)代化的運輸方式已擁有強烈的需求。然而,有幾個因素影響著電。一個是改變中性部分的電能。韓國交流電氣鐵路系統(tǒng)是基于單相55/27.5千伏的電。韓國電氣化鐵路中，許多牽引變電所用斯科特變壓器把電轉(zhuǎn)換為25KV的單相交流電供給m相，t相用來阻止電壓的失衡。此外,大約每10公里安裝一個自耦變壓器。此外，牽引變電站之間必須有一個中立的部分介于M相和T相。當火車穿過一個中立的部分,電力供應就發(fā)生了變化。那時,火車必須關掉斷路器以避免瞬變涌入電流和弧?；疖嚁嗦菲鞯念l繁操作將導致一些后果，比如：火車速度的降低和火車斷路器的使用壽命。在中性區(qū)的ACS系統(tǒng)是一個最新的系統(tǒng)來減少當火車通過中性區(qū)時的受到的影響

3、。由于ACS系統(tǒng)能自動的調(diào)節(jié)電能的供應區(qū)域而不用手動的調(diào)整火車上的斷路器，如果在中性區(qū)域使用ACS系統(tǒng)，上述的問題將會被明顯的改善。此外，它還可以減少火車沒電的時間。然而,當應用ACS系統(tǒng)時,如涌流事件和電氣鐵路保護問題便會存在。有ACS系統(tǒng)導致的涌入電流致使火車損壞和火車組件的壽命減少。在這篇文章中,我們提出通過超導故障限流器來減小勵磁涌流。此外，ACS中的勵磁涌流使用PSCAD / EMTDC軟件來分析。2.電氣化鐵路中的中性區(qū)域與ACS系統(tǒng)圖一展示了韓國電氣化鐵路系統(tǒng)中中性區(qū)域的概念和一個中性區(qū)域。韓國電力公司(KEPCO) 提供154 kV的三相電。它通過斯科特變壓器變化為50KV90

4、度相角兩個單相電（M相和T相）。傳統(tǒng)的中性區(qū)域是一個絕緣設備。中性部分距離范圍大約是60 120m，如在引言中所述,ACS系統(tǒng)應用于改善中性部分的負面問題。圖2表示在中性區(qū)域中ACS系統(tǒng)的組件。ACS系統(tǒng)包括測量設備、高速開關,和一個控制器。ACS系統(tǒng)的高速開關由一系列的晶體閘流管組成?？刂葡涞墓δ苁菍㈤_/關信號發(fā)送到高速開關。ACS系統(tǒng)首次被日本新干線用一個機械電路斷路器介紹?，F(xiàn)在, 由于生命周期開關設備已被改變成電子元件。ACS系統(tǒng)由火車進入序列控制。序列如下，當火車由A邊進入中性區(qū)域前，火車是有A邊通過ACS系統(tǒng)供電的，而后，火車通過中性區(qū)域時，供電轉(zhuǎn)移到另一個階段使用ACS系統(tǒng)?；疖囃?/p>

5、過中性部分后,ACS系統(tǒng)返回到初始條件。表1和圖3表示ACS開關狀態(tài)和火車狀態(tài)。3. 由于ACS操作產(chǎn)生的勵磁涌流A勵磁涌流發(fā)生機制勵磁涌流的產(chǎn)生式應為火車變壓器R和L的兩路特征。如果R和L兩路連接交流電，勵磁涌流的產(chǎn)生是因為火車的變壓器涌流根據(jù)電路電壓級和關閉相角。在一個周期中勵磁涌流的最大值是變壓器最大值的25倍。在行業(yè)使用的簡化方程計算第一個周期的峰值的涌流如下：U 表示外加電壓L 表示變壓器電感R 表示變壓器繞組的直流電阻BR表示中心密度的遺跡BS表示中心材料的磁通量BN表示中心正常的磁通量B.由ACS產(chǎn)生的勵磁涌流圖4給出了火車涌流發(fā)生的概念。不同結束點的勵磁涌流的峰值與90度角不同

6、。勵磁涌流的周期降低到10 - 15內(nèi)穩(wěn)定。然而,火車的短變壓器壽命和列車故障是由在ACS系統(tǒng)操作下勵磁涌流不斷的流入造成的。圖5顯示了由于ACS系統(tǒng)操作電氣化鐵路勵磁涌流的發(fā)生。勵磁涌流的大小被鐵路的運輸能力決定。如今，隨著高速，重載鐵路的增加，對勵磁涌流的考慮也增加了。因為要保護火車運行斷路器的使用狀態(tài)，如果在電氣化鐵路中運用ACS系統(tǒng)，必須要有相應的消滅勵磁涌流的保護。如果火車中經(jīng)常存在勵磁涌流，那么火車的可靠性會大大降低。4.在電氣化鐵路ACS系統(tǒng)下勵磁涌流的建模A勵磁涌流仿真參數(shù)為了模擬在ACS操作期間瞬態(tài),每個組件有必要改變到圖5所示使用PSCAD / EMTDC程序的等效模型。等

7、效模型考慮了三相源,斯科特變壓器,自耦變壓器、訓練參數(shù),等等。B. 涌流仿真的結果表2給出了被考慮到的勵磁涌流仿真參數(shù)?；疖嚨膮?shù)被運用在列車荷載特征。圖6顯示了關閉SW_B零度相角時勵磁涌流的仿真結果。SW-B是ACS系統(tǒng)邊上開關的指令。由于在0度時關閉SW_B，勵磁涌流超過20倍的穩(wěn)態(tài)電流。當在90度時關閉階段角，勵磁涌流最小。如前所述在ACS的操作中產(chǎn)生的勵磁涌流，勵磁涌流的峰值發(fā)生在第一個周期的開始和結尾處。峰值模擬在2KA。ACS系統(tǒng)隨機關閉相角。此外,勵磁涌流幅值是0.6 2KA內(nèi)隨機的。然而，必須想到限制勵磁涌流峰值的方法去保護火車，因為它經(jīng)常發(fā)生在電氣化鐵路系統(tǒng)中。因此,我們提

8、出一個限制勵磁涌流的方法。5. 超導故障限流器的建模和勵磁涌流限制方法A. 許多關于超導故障限流器的模型已被建立，比如：電阻式，變壓器型反應堆類型，等等。在這項研究中，我們建立了電阻式模型，這個模型代表實驗研究超導限流的元素被應用到韓國電氣鐵路系統(tǒng)中。阻抗的計算根據(jù)時間給出如下的計算：這兒Zn和Tf分別表示正常的溫度和時間常數(shù)。此外t1,t2,t3表示淬火開始的時間，第一個恢復的時間和第二個恢復的時間。T0的單位是A,t1和t2的單位是S。a1,a2,b1,b2是一階線性函數(shù)的系數(shù)，表示超導故障限流復蘇實驗結果的特點。所用的參數(shù)值如表2所示。超導故障限流的恢復時間是設置為從勵磁涌流的產(chǎn)生直到火

9、車負載的保護使得勵磁涌流消失所用時間。B.在電氣化鐵路中超導故障限流限制勵磁涌流的方法圖7給出了超導限流限制勵磁涌流的方法。正如提到的，ACS系統(tǒng)操作產(chǎn)生的勵磁涌流來自火車的方向。安裝限流考慮勵磁涌流流入的方向。因此,提出限制方法如下。如果發(fā)生勵磁涌流,減少涌流1/4周期內(nèi)的限流來保護火車負載。然后清除勵磁涌流使電流下降在10 - 15周期。C.案例研究圖8顯示了勵磁涌流的案例研究的結果。這個案例模擬了在打開和關閉零到三十度相角后運用限制電流方法后的不同。超導限流限制的參數(shù)如表2所示。圖九顯示了在關閉090度相角后運用和不運用超導故障限流方法的不同。應用結果表明,所提出的方法勵磁涌流的峰值大小和總級被降低了。六結論本文中,我們提出一個勵磁涌流限制的方法。這個方法的仿真結果如圖8和圖9所示。勵磁涌流的峰值下降了約25%。在傳統(tǒng)的電氣化鐵路中火車的電路在中性區(qū)域磁通量消除而被損壞。這將導致