CN102616152A - 一种铁路牵引供电接触网在线防冰系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铁路牵引供电接触网在线防冰系统,接触网的首端和末端分别设置感性无功源和容性无功源,或分别设置容性无功源和感性无功源;所述感性无功源,用于使接触网通电流并发热,实现防冰或融冰;所述容性无功源,用于对接触网无功补偿,实现接触网动态无功平衡。该系统还包括气象监测装置和在线控制器:所述气象监测装置,用于监测气象参数,发送气象参数到在线控制器;所述在线控制器,用于依据气象参数判断需要防冰、融冰或动态无功补偿,控制相关感性无功源和容性无功源动作。本发明还提供一种铁路牵引供电接触网在线防冰方法。本发明能够实现接触网的防冰、融冰,并可兼顾系统动态无功补偿,减少系统损耗,改善电能质量。

Description

—种铁路牵引供电接触网在线防冰系统及方法技术领域
[0001] 本发明涉及电力系统供电领域,特别涉及一种铁路牵引供电接触网在线防冰系统及方法。
背景技术
[0002] 随着中国铁路运输的蓬勃发展,铁路在国家经济建设和国防建设中担负着越来越重要的作用,预计到2020年,全国铁路营运里程将跨越式发展至10万公里,主要繁忙干线实现客货分线,复线率和电化率均达50%以上,中国铁路将形成“四横四纵”的高速铁路网的宏伟蓝图。
[0003] 最近几年,受全球气候变暖影响,极端天气、气候灾害事件更为频繁,在国外和我国的南方、华中、华东地区均出现了历史罕见的冰雪凝冻灾害,尤其在湖南、贵州、广西、江西大部分地区受灾严重,电力设施遭受了前所未有的破坏,因冻雨、冰雪危害而引起供电中断的事故十分严重和频繁。为确保列车在冻雨及冰雪等极端灾害天气情况下安全运行,对电气化铁路接触网防冰的需求也日益突出。
[0004] 铁路牵引供电接触网覆冰后,一方面将会严重的影响机车受流;另一方面当机车的受电弓与覆冰导线接触时,会产生拉弧现象,对导线和受电弓磨损加大,有时会造成接触网的严重破坏,进而出现接触网舞动乃至倒杆、塌网等事故,使列车失去运行的动力,严重影响列车的安全、可靠、和正点运行。因此,对接触网尤其是接触导线采取必要的防冰措施是亟待攻克的技术难点。
[0005]目前,铁路牵引供电接触网较多采用回路中增加电抗器或电阻器方式。该方式在牵引接触网回路中串入固定分级电抗器,无机车情况下,产生电流维持牵引供电接触网的热量,实现防冰目的。从理论上讲,采用该方式防冰技术简单、有效,通过大电流产生焦耳热进行防冰,但是,该方式在运行过程中装置损耗比较大,同时对供电系统产生大量谐波,进而导致牵引供电力率过低、严重影响供电质量,且需停车投入运行、操作复杂,无法实现在线控制和动态投切。
发明内容
[0006] 本发明的目的提供一种铁路牵引供电接触网在线防冰系统,该系统能够实现接触网的防冰、融冰,且可实现系统动态无功平衡,减少系统损耗。
[0007] 本发明一种铁路牵引供电接触网在线防冰系统,接触网的首端和末端分别设置感性无功源和容性无功源,或分别设置容性无功源和感性无功源;所述感性无功源,用于使接触网通电流并发热,实现防冰或融冰;所述容性无功源,用于对接触网无功补偿,实现接触网动态无功平衡。
[0008] 优选的,该系统还包括气象监测装置和在线控制器:所述气象监测装置,用于监测 气象参数,发送气象参数到在线控制器;所述在线控制器,用于依据气象参数判断需要防冰、融冰或动态无功补偿,控制相关感性无功源和容性无功源动作。[0009] 优选的,单线或者复线接触网包括上行线接触网和下行线接触网,上行线接触网和下行线接触网末端都连接一感性无功源或容性无功源。
[0010] 优选的,气象监测装置包括风速传感器、温度传感器、及湿度传感器:所述风速传感器,用于获取风速参数;所述温度传感器,用于获取温度参数;所述湿度传感器,用于获取湿度参数。
[0011]优选的,感性无功源为TCR、SVG、MCR、TSR或MSR ;容性无功源为FC、TSC或SVG。
[0012] 本发明还提供一种铁路牵引供电接触网在线防冰方法,该方法能够实现接触网的防冰、融冰,且可实现系统动态无功平衡,减少系统损耗。
[0013] 本发明一种铁路牵引供电接触网在线防冰方法,在接触网的首端和末端分别设置感性无功源和容性无功源,或分别设置容性无功源和感性无功源;需要防冰时,该方法包括:启动感性无功源,接触网通电流并发热,实现防冰;启动容性无功源,对接触网无功补偿,实现接触网动态无功平衡。
[0014] 优选的,该方法还包括:需要跨区融冰时,将接触网与本地变电所断开,与另一区变电所接通;启动感性无功源,接触网通电流并较大程度发热,以实现融冰。
[0015] 优选的,如接触网末端设置感性无功源,该方法还包括:需要动态无功补偿时,控制感性无功源与接触网断开;启动容性无功源,控制容性无功源中部分设备工作,保留动态无功补偿部分,对接触网无功补偿。
[0016] 优选的,接触网包括上行线接触网和下行线接触网,上行线接触网和下行线接触网末端都连接一感性无功源或容性无功源,跨区对上行线接触网融冰时,该方法还包括:感性无功源和容性无功源与接触断开;下行线接触网连接的感性无功源与上行线接触网连接;启动感性无功源和容性无功源,上行线接触网通电流并发热,以实现融冰。
[0017] 优选的,接触网包括上行线接触网和下行线接触网,上行线接触网和下行线接触网末端都连接一感性无功源或容性无功源,跨区对下行线接触网融冰时,该方法还包括:感性无功源和容性无功源与接触断开;上行线接触网连接的感性无功源与下行线接触网连接;启动感性无功源和容性无功源,下行线接触网通电流并发热,以实现融冰。
[0018] 与现有技术相比,本发明具有以下优点:
[0019] 本发明在接触网出现覆冰时,进入防冰模式,防接触线覆冰并兼顾无功补偿功能,系统损耗小;在接触网天窗期间之后,进入融冰模式,可实现本区和跨区融冰;在天气良好时,进入动态无功补偿模式,可以根据负载情况进行动态无功补偿,改善铁路供电系统的电能质量,达到节能减排的功效。
附图说明
[0020] 图I是本发明铁路牵引供电接触网在线防冰系统;
[0021] 图2是本发明铁路牵引供电接触网在线防冰系统另一实施例;
[0022] 图3是接触网末端感性无功源为TCR的实施例;
[0023] 图4是接触网末端感性无功源为SVG的实施例;
[0024] 图5是接触网末端感性无功源为MCR的实施例;
[0025] 图6是接触网末端感性无功源为TSR的实施例;
[0026] 图7是接触网末端感性无功源为MSR的实施例;[0027] 图8是接触网末端容性无功源为FC的实施例;
[0028] 图9是接触网末端容性无功源为TSC的实施例;
[0029] 图10是接触网末端容性无功源为SVG的实施例。
具体实施方式
[0030] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0031] 本发明在铁路牵引接触网首末端设置无功源,通过无功源的不同组合实现接触网的无功平衡,使接触网流过大量的无功电流,在线路上产生热效应,实现接触网防冰目的。
[0032] 参见图1,示出本发明铁路牵引供电接触网在线防冰系统。无功源17设置在接触网首端,变电所A处,通过开关I与接触网连接;无功源18设置在接触网末端,变电所A和 变电所B之间的分区亭处,通过开关3与接触网连接,分区亭内设置开关4。
[0033] 该防冰系统还包括气象监测装置19,气象监测装置19可根据电气化铁路沿线气候变化等实际工况需要,分别装设于变电所、分区亭、接触网沿线某处等区域。气象监测装置19由数据记录器和多个气象传感器组成,气象传感器包括风速传感器、风向传感器、温度传感器、及湿度传感器等,还可加设太阳能保护罩,防止上述气象传感器被损坏。气象传感器主要测量空气温度、空气湿度、风速、风向等微环境气象参数,并将该气象参数传送到数据记录器进行保存。
[0034] 该防冰系统还包括在线控制器20,在线控制器20与气象监测装置19、接触网上各开关、无功源17、无功源18及变电所内相关设备连接。气象监测装置19将气象参数传送到在线控制器20。
[0035] 影响接触网覆冰主要取决于环境气温((TC以下)、相对湿度(日平均相对湿度大于86% )、风速(小于3m/s)三个因素。在线控制器20主要将这三个因素作为判定覆冰条件的临界点,逻辑判断出接触网是否达到覆冰临界点,并综合在线控制器20实时采集的牵引供电母线电流和网压等参数,控制无功源17和无功源18动作,实现接触网的无功平衡、在线防冰和融冰。
[0036] 上述防冰系统通过合理的控制和操作,可实现在线防冰、融冰、动态无功补偿三种功能。
[0037] 本发明无功源17和无功源18为感性无功源或容性无功源。当无功源18呈感性无功源,无功源17呈容性无功源时,防冰系统控制步骤如下。
[0038] (I)在线控制器20综合气象参数,判断需要进入防冰模式,控制步骤如下:
[0039] I)、开关2合闸,变电所A与接触网连通;
[0040] 2)、开关3合闸,无功源18投入运行,无功源18为感性无功源,接触网有电流通过,该电流大小满足使接触网发热,以达到防冰冻的效果;因无功源18为感性无功源,其工作时降低接触网的电压,严重影响电能质量;
[0041] 3)、开关I合闸,无功源17投入运行,无功源17为容性无功源,有效提升接触网的电压,保证接触网无功平衡和电能质量,使机车的正常运行。
[0042] 本发明中无功源17和无功源18投入运行,可包括无功源17和无功源18部分投入运行,只需达到防冰效果即可。[0043] 在线控制器20综合气象参数,在条件恶劣的天窗期间(在一小段时间内暂停列车的通过,以供某些单位对线路,接触网等设备进行检修等,这段时间叫天窗,也叫天窗点。)之后,判断需要进入融冰模式,实现本区接触网融冰的控制与上述(I)的步骤相同,区别在于,在线控制器20需控制无功源18和无功源17投入更多组设备,以加大接触网流通的电流,使本区接触网产生较大的热效应,以达到融冰的效果。
[0044] (II)在线控制器20综合气象参数,在条件恶劣的天窗期间之后,判断需要进入融冰模式,越区实现变电所B处接触网融冰,控制步骤如下:
[0045] I)、开关2分 闸,接触网与变电所A断开;
[0046] 2)、开关4和开关5合闸,接触网与变电所B连通;
[0047] 3)、开关3合闸,无功源18投入运行,无功源18为感性无功源,牵引供电接触网有较大电流通过,该电流满足接触网产生较大的热效应,以达到融冰的效果。
[0048] (III)在线控制器20综合气象参数,判断需要退出防冰模式,进入动态无功补偿的操作步骤:
[0049] I)、开关3分闸,无功源18与接触网断开;
[0050] 2)、开关I合闸,根据系统预先设计的配置,无功源17中部分设备工作,保留动态无功补偿部分,对接触网进行无功补偿。
[0051] 本发明无功源17和无功源18在接触网出现覆冰时,用于防冰、融冰;在不承担防冰工作时,根据供电系统实际需要,进行动态无功补偿,改善电能质量,提高设备的有效利用率,实现节能环保、节能减排的目的。
[0052] 上述各种状态下,本发明通过有效控制无功源17和无功源18的相关参数,可实现接触网动态无功平衡,提高电能质量,见式I。
[0053]
TQSu + TQT = TQm (I)
[0054] 其中,EOil8为无功源18产生的感性无功之&17为无功源17产生的容性无功,Σ Qt为机车产生的感性无功。
[0055] 当无功源17呈感性无功源,无功源18呈容性无功源时,防冰系统控制步骤如下。
[0056] (I)在线控制器20综合气象参数,判断需要进入防冰模式,控制步骤如下:
[0057] I)、开关2合闸,变电所A与接触网连通;
[0058] 2)、开关I合闸,无功源17投入运行,无功源17为感性无功源,牵引供电接触网有电流通过,该电流大小满足使接触网发热,以达到防冰冻的效果;因无功源18为感性无功源,其工作时降低接触网的电压,严重影响电能质量;
[0059] 3)、开关3合闸,无功源18投入运行,无功源18为容性无功源,有效提升接触网的电压,保证接触网无功平衡,且保证机车的正常运行。
[0060] 需说明是,该处也可先将无功源18投入运行,再将无功源17投入运行,同样能达到防冰冻的效果。
[0061] 在线控制器20综合气象参数,在条件恶劣的天窗期间之后,判断需要进入融冰模式,实现本区接触网融冰的控制与上述(I)的步骤相同,区别在于,在线控制器20需控制无功源18和无功源17投入更多组设备,以加大接触网流通的电流,使本区接触网产生较大的热效应,以达到融冰的效果。[0062] (II)在线控制器20综合气象参数,在条件恶劣的天窗期间之后,判断需要进入融冰模式,越区实现变电所B处接触网融冰,控制步骤如下:
[0063] I)、开关2分闸,接触网与变电所A断开;
[0064] 2)、开关4和开关5合闸,接触网与变电所B连通;
[0065] 3)、开关3合闸,无功源18投入运行,无功源18为容性无功源,牵引供电接触网有较大电流通过,该电流满足接触网产生较大的热效应,以达到融冰的效果。
[0066] (III)在线控制器20综合气象参数,判断需要退出防冰模式,进入动态无功补偿模式操作步骤:
[0067] I)、开关3分闸,无功源18与接触网断开;
[0068] 2)、开关I合闸,根据防冰系统预先设计的配置,无功源17中部分设备工作,保留 动态无功补偿部分,进行接触网的无功补偿。
[0069] 上述各种状态下,本发明通过有效控制无功源17和无功源18的相关参数,可实现接触网动态无功平衡,提高电能质量,见式2。
[0070]
Figure CN102616152AD00081
[0071] 其中,ZO817为无功源17产生的感性无功;
Figure CN102616152AD00082
为无功源18产生的容性无功,Σ Qt为机车产生的感性无功。
[0072] 参见图2,示出示出本发明铁路牵引供电接触网在线防冰系统另一实施例,包括通过开关7连接在变电所A输出线路上的无功源22,通过开关5连接在接触网下行线的无功源21,和通过开关6连接在接触网上行线的无功源23 ;上行线分别通过开关I、开关15分别与变电所Α、变电所B连接,下行线分别通过开关2、开关16分别与变电所Α、变电所B连接,上行线和下行线分别通过开关8和开关9连接;
[0073] 该防冰系统还包括气象监测装置19和在线控制器20,气象监测装置19和在线控制器20的控制功能和连接关系与图I所示实施例相同,不再赘述。该防冰系统通过合理的控制和操作,可实现在线防冰、融冰、动态无功补偿三种功能。
[0074] 无功源21和无功源23呈感性无功源,无功源22呈容性无功源时,系统控制步骤如下。
[0075] (I)在线控制器20综合气象参数,判断需要进入防冰模式,控制变电所A处上、下行接触网进入防冰模式操作步骤:
[0076] I)、开关I合闸,开关3合闸,无功源22与上行线接触网接通;
[0077] 2)、开关2合闸,开关4合闸,无功源22与下行线接触网接通;
[0078] 3)、开关6合闸,开关5合闸,无功源23与上行线接触网连通,无功源23为感性无功源,上行线接触网有电流通过,该电流满足使上行接触网发热起到防冰冻的效果;无功源21与下行接触网连通,无功源21为感性无功源,下行接触网有电流通过,该电流满足使下行接触网发热起到防冰冻的效果;其无功源21和无功源23工作时降低接触网的电压,严重影响电能质量;
[0079] 4)、开关7合闸,无功源22投入运行,无功源22呈容性无功源,有效提升上、下行接触网的电压,保证接触网无功平衡和电能质量,使机车的正常运行。
[0080] (II)在线控制器20综合气象参数,在条件恶劣的天窗期间之后,判断需要进入融冰模式,控制变 电所A处上行接触网融冰模式步骤:
[0081] I)、开关5分闸,开关6分闸,开关7分闸,无功源21、无功源22和无功源23分别与接触网断开;
[0082] 2)、开关4分闸,开关8合闸,下行线接触网连接的感性无功源与上行线接触网连接;
[0083] 3)、开关5合闸,开关6合闸,开关7合闸,无功源21、无功源22和无功源23分别与所在接触网连通,并控制上行接触网有较大电流通过,使上行接触网产生较大的热效应,以达到融冰的效果。
[0084] (III)在线控制器20综合气象参数,在条件恶劣的天窗期间之后,判断需要进入融冰模式,控制变电所A处下行接触网融冰模式步骤:
[0085] I)、开关5分闸,开关6分闸,开关7分闸,无功源21、无功源22和无功源23分别与接触网断开;
[0086] 2)、开关3分闸,开关4合闸,开关8合闸,上行线接触网的感性无功源和下行线接触网连接;
[0087] 3)、开关5合闸,开关6合闸,开关7合闸,无功源21、无功源22和无功源23分别与所在接触网连通,并控制下行接触网有较大电流通过,使下行接触网产生较大的热效应,以达到融冰的效果。
[0088] (IV)在线控制器20综合气象参数,在条件恶劣的天窗期间之后,判断需要进入融冰模式,越区实现上行线接触网融冰模式步骤:
[0089] I)、开关5分闸,开关6分闸,开关7分闸,无功源21、无功源22和无功源23分别与接触网断开;
[0090] 2)、开关3分闸,开关4分闸,开关8分闸,上、下行线接触网与变电所A断开;
[0091] 3)、开关10合闸,开关11合闸,上行线接触网与变电所B接通;
[0092] 4)、开关12合闸,开关13分闸,下行线接触网与变电所B断开;
[0093] 5)、开关9合闸,下行线接触网的感性无功源与上行线接触网连接;
[0094] 6)、开关5合闸,开关6合闸,无功源21和无功源23分别与所在接触网连通,控制上行线接触网有较大电流通过,该电流满足上行线接触网产生较大的热效应,以达到融冰的效果。
[0095] 融冰模式需要有较大电流通过接触网,该电流约为防冰模式所需电流的2倍,本发明通过合理控制开关合闸与分闸,让无功源21和无功源23为同时为上行线接触网服务,这样无功源21和无功源23可分担该较大电流,降低单个无功源所需承担的电流,这样可是无功源21和无功源23内部结构和分区所布置简化,有效降低设备成本。
[0096] 同理可知,本发明通过合理的控制各开关的分闸与合闸,也可单独越区实现下行线接触网的融冰。
[0097] (IV)在线控制器20综合气象参数,判断需要退出防冰模式,进入动态无功补偿模式操作步骤:
[0098] I)、开关5分闸,开关6分闸,无功源21和无功源23分别与接触网断开;
[0099] 2)、开关7合闸,根据系统预先设计的配置,无功源22中部分设备工作,保留动态无功补偿部分,进行接触网的无功补偿。[0100] 同理可知,在无功源21和无功源23为容性无功源,无功源22为感性无功源时,通过合理控制各开关的分闸与合闸,本发明也可实现在线防冰、融冰、动态无功补偿三种功倉泛
[0101] 本发明感性无功源可以是TCR(Thyristor Controlled Reactor晶闸管控制电抗器)(见图 3)、SVG(Static Var Generator 静止无功发生器)(见图 4) >MCR(MagneticallyControlled Reactor 磁控电抗器)(见图 5)、TSR(Thyristor Switched Reactor 晶闸管投切电抗器)(见图6)、MSR(Mechanically Switched Reactor机械投切电抗器)(见图7)。
[0102] 容性无功源可以是FC(Fixed Capcitor固定电容补偿)(见图8)、TSC(ThyristorSwitched Capcitor晶闸管控制电容器)(见图9)、SVG(StaticVar Generator静止无功发生器)(见图10),感性无功源的安装容量可根据接触网防冰所需的电流值和(两导体或三导体)接触线设定。
[0103] 本发明在新型电气化铁路接触网首末端分别设置呈感性无功源和呈容性无功源,或呈容性无功源和呈感性无功源,利用感性无功率使接触网通电流,产生热效应,实现防冰、融冰,利用容性无功源对接触网进行无功平衡,该方法不仅适应于两导体和三导体类型接触网、且可广泛适应于单(复)线接触网。
[0104] 本发明在接触网出现覆冰时,进入防冰模式,防接触线覆冰并兼顾无功补偿功能,系统损耗小;在接触网天窗期间之后,进入融冰模式,可实现本区和跨区融冰。在天气良好时,进入动态无功补偿模式,可以根据负载情况进行动态无功补偿,改善铁路供电系统的电能质量,达到节能减排的功效。
[0105] 以上所述仅为本发明的优选实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1. 一种铁路牵引供电接触网在线防冰系统,其特征在于,接触网的首端和末端分别设置感性无功源和容性无功源,或分别设置容性无功源和感性无功源; 所述感性无功源,用于使接触网通电流并发热,实现防冰或融冰; 所述容性无功源,用于对接触网无功补偿,实现接触网动态无功平衡。
2.如权利要求I所述的系统,其特征在于,该系统还包括气象监测装置和在线控制器: 所述气象监测装置,用于监测气象参数,发送气象参数到在线控制器; 所述在线控制器,用于依据气象参数判断需要防冰、融冰或动态无功补偿,控制相关感性无功源和容性无功源动作。
3.如权利要求I所述的系统,其特征在于,单线或者复线接触网包括上行线接触网和下行线接触网,上行线接触网和下行线接触网末端都连接一感性无功源或容性无功源。
4.如权利要求1、2、或3所述的系统,其特征在于,气象监测装置包括风速传感器、温度传感器、及湿度传感器: 所述风速传感器,用于获取风速参数; 所述温度传感器,用于获取温度参数; 所述湿度传感器,用于获取湿度参数。
5.如权利要求1、2、或3所述的系统,其特征在于,感性无功源为TCR、SVG、MCR、TSR或MSR ;容性无功源为FC、TSC或SVG。
6. 一种铁路牵引供电接触网在线防冰方法,其特征在于,在接触网的首端和末端分别设置感性无功源和容性无功源,或分别设置容性无功源和感性无功源;需要防冰时,该方法包括: 启动感性无功源,接触网通电流并发热,实现防冰; 启动容性无功源,对接触网无功补偿,实现接触网动态无功平衡。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于,该方法还包括: 需要跨区融冰时,将接触网与本地变电所断开,与另一区变电所接通; 启动感性无功源,接触网通电流并较大程度发热,以实现融冰。
8.如权利要求6所述的方法,其特征在于,如接触网末端设置感性无功源,该方法还包括: 需要动态无功补偿时,控制感性无功源与接触网断开; 启动容性无功源,控制容性无功源中部分设备工作,保留动态无功补偿部分,对接触网无功补偿。
9.如权利要求6所述的方法,其特征在于,接触网包括上行线接触网和下行线接触网,上行线接触网和下行线接触网末端都连接一感性无功源或容性无功源,跨区对上行线接触网融冰时,该方法还包括: 感性无功源和容性无功源与接触断开; 下行线接触网连接的感性无功源与上行线接触网连接; 启动感性无功源和容性无功源,上行线接触网通电流并发热,以实现融冰。
10.如权利要求6所述的方法,其特征在于,接触网包括上行线接触网和下行线接触网,上行线接触网和下行线接触网末端都连接一感性无功源或容性无功源,跨区对下行线接触网融冰时,该方法还包括:感性无功源和容性无功源与接触断开;上行线接触网连接的感性无功源与下行线接触网连接;启动感性无功源和容性无功源,下行线接触网通电流并发热,以实现融冰。
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