电气工程开题报告-最终版

西 南 交 通 大 学

硕 士 研 究 生 选 题 报 告

姓 名 * * 学 号 ********* 导师姓名 *** 职 称 教 授 专 业 电气工程 研究方向 ************ 题 目 ****************************

2015年**月**日

开题报告的内容应包括

（1） 课题的研究意义、国内外现状分析。

（2） 课题研究目标、研究内容、拟解决的关键问题。 （3） 拟采取的研究方法、技术路线、试验方案及其可行性 研究。

（4） 课题的创新性。

（5）计划进度、预期进展和预期成果。

注：（1）开题报告由各院（系、所、中心）组织实施，专家组成员由副高以上人

员组成，邀请导师和督导组相关专家参加，导师担任组长。

（2）专家组的作用是帮助导师和研究生执行选题论证，论证意见以“通过”、 “不通过”结论。通过者按计划开展论文工作，不通过者，在半年内需 重新开题。

选 题 报 告 主 要 内 容 1. 课题的研究意义 近年来，我国高速铁路迅速发展，为我国社会与经济的发展发挥了极大的推动作用。我国电气化铁路采用工频单相交流制，工频单相交流制电气化铁路有可以使电力牵引节约能源、提高列车的牵引重量、提高列车的运行速度等优点。但是由于工频单相交流制电气铁路牵引负荷的特殊性，存在大量的负序电流、谐波、无功以及“过分相”等问题。这些都限制了我国电气化铁路的发展。列车过分相，会造成一定长度的无电区，使得机车不能连续平滑的受流，严重影响牵引供电系统的整体性能。对于重载铁路而言，这会使得列车速度进一步下降，若遇到大坡道等特殊情况，造成重载列车停坡，则会给铁路安全有效运营带来重大影响。此外，由于电分相装置的结构较复杂，可靠性低，且成本高，使得电分相成为牵引供电系统中较为薄弱的环节，在很大程度上制约了高速重载铁路的发展。另外，单相工频交流制铁路还会产生以负序为主的电能质量问题，使电力部门与铁路部门相互推诿扯皮，影响我国电气化铁路的发展[1-4]。 以电力电子器件和控制理论为基础的贯通供电系统，可以实现电气化铁路内部的同相联网，消除或大大减轻对电力系统的电能质量影响，彻底解决高速电气化铁路电能质量问题，是理想可行的新型牵引供电方案[5-8]。该系统具有以下优势： (1)不存在电分相问题，适合高速重载机车运行； (2)贯通同相供电模式中变电所主变压器容量可大幅减小，从而节省固定容量电费； (3)彻底隔离了公用电网与牵引供电网，大大减小因电能质量引起的罚款损失，考虑到能量在三相一单相变换器上的双向流动性。机车的再生制动反馈电流可通过接触线被供给线上其它的负载使用外，还可由变流器反馈至公用电网； (4)贯通区间内各变电所互为备用。由于牵引负载功率由贯通区间内所有变电站供给，相比传统跨区供电方式，具有更高供电可靠性。 2014年12月28日，世界首套“单三相组合式同相供电装置”在山西中南部铁路通道沙峪牵引变电所投运成功，标志着同相供电技术及装备进入了工程化应用阶段。作为同相供电投运后最为关键的运行维护技术，现在还处于摸索阶段。针对目前对同相供电运行维护研究的缺乏，本课题旨在通过对同相补偿装置的结构和分区所双边运行要求的研究，提出贯通式同相供电系统的运行维护原则，建立贯通同相供电系统运行维护体系框架，解决同相供电系统迫切需要的运行维护技术。 2. 国内外现状分析 国外发达国家对于牵引供电系统的养护维修基本采用状态维修。德国高速铁路实行的是状态维护、寿命管理模式。对于牵引供电设备的状态按照周期来进行检测，包括状态检测、性能检测、全面检测，根据设备检测所确定的设备状态，再进行检修。日本、法国、奥地利等国家，也采用状态修这种维修方式[9,10]。 多年来，我国电气化铁路牵引供电设备维修一直采用周期维修制。这种修制对设备缺陷的发现虽然具有一定的预防作用，但修前完全没有针对性。这种盲目的维修模式在电气化铁路运行初期，在设备整体质量不高、备用方式不完备(移动备用)的情况下对及时保持设备处于良好状态发挥了积极作用。但随着技术的进步，设计水平、设备制造水平及施工工艺水平的不断提高，牵引供电设备的整体可靠性得到了大幅度提高。在这种情况下，周期修的弊端日益显现，突出表现在维修的盲目性大，效率低。这不仅因维修任务量大造成维修任务难以全面完成，而且大量的“盲”修也给铁路运输带来严重干扰。加之铁路运输不间断、高密度、高负荷的特点，牵引供电系统必须尽量提高和保障供电设备以及系统的可靠性，降低其失效风险，因为一旦牵引供电系统发生故障或事故，将造成铁路运输中断，给国民经济和社会发展造成巨大损失。周期维修制存在多方面弊端[11-13]。 随着铁路跨越式发展的不断深化，铁路发生了本质性的变化，加之新技术装备的层出不穷，运输生产力布局的不断调整等变化与既有体制产生了巨大的冲击，各方面的改革势在必行。列车速度快、行车密度大要求供电容量大、供电可靠性高。牵引供电系统作为一种故障多发性的特殊电力系统，质量变化规律的确定和非确定性因素同时存在，其对设备的可靠性有着更高的要求，科学合理的维修方式也就显得这关重要。以状态监测为基础，建立在疲劳累计损伤理论基础上的剩余寿命预测技术将是供电设备可靠性评估的一个重要研究方法，同时结合贯通同相供电系统拓扑结构进行可靠性评估，确定维修的必要性和可靠性，对维修要求进行重新评估，制订出实用、合理的维修计划或大纲 [14-19]。 3. 课题研究目标、研究内容、拟解决的关键问题 （1）课题研究目标 针对贯通同相供电系统同相补偿装置的结构和分区所双边运行要求提出贯通同相供电系统的运行维护原则，建立贯通同相供电系统运行维护体系框架，在满足运行要求前提下优化贯通同相供电系统运行方式；提出同相补偿装置及贯通同相供电系统相关运行规范等技术文件。 研究内容 ① 建立贯通同相供电系统的可靠性模型，基于拓扑等效的思想将贯通同相供电系统的不同工况等效为系统的不同运行拓扑进行建模，得到相应运行拓扑下的可靠度表达式并完成系统的总体可靠性建模； ② 建立贯通同相供电系统的疲劳损伤评估模型，使用累计损伤度计算方法对贯通同相供电系统变压器、交直交变流器、接触网进行疲劳损伤分析，最终得到贯通同相供电系统整体的疲劳损伤情况； ③ 研究动态维修方法和动态优化理论在贯通同相供电系统维护与维修过程中的应用问题； （2）拟解决的关键问题 ① 贯通同相供电系统可靠性模型的建立； ② 贯通同相供电设备的剩余寿命预测模型的建立； ③ 动态检修周期以及检修范围的确定； 4. 拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性研究 （1）研究方法 ① 调研：通过文献检索、资料查阅、专题讲座、学术交流等形式，收集、整理电气化铁路牵引供电系统运行维护相关的资料，为本课题的研究准备翔实的资料。 ② 理论分析研究：以电气化铁路牵引供电知识和贯通同相供电系统基本理论为基础，结合既有电气化铁路和大功率电力电子设备（风电变流器、牵引传动变流器）的运行维护经验，建立同相补偿装置和双边供电运行维护技术体系。 （2）技术路线、实验方案 以状态监测和可靠性分析为基础，应用数学建模方法以及疲劳累计损伤理论、系统的动态优化方法，结合贯通同相供电系统在运行拓扑、运行方式和运行工况方面的特殊性，对其可靠性建模、寿命预测以及进行动态优化维修。运用动态检修模型选择维护与维修的时机和方式。在牵引供电系统的设备和元器件使用寿命及可靠性水平已知的条件下，对牵引供电系统的检修范围进行动态优化。从可靠性最大和维修费用最小的角度进行多目标规划，得出基本的预防维修间隔，然后分析牵引供电系统的动态维修过程，进而确定动态检修周期。在保证可靠性最大的前提下实现系统的最大运行效率和最少维护维修费用。 （3）可行性研究 ① 所在铁道电气化与自动化实验室为铁道部重点实验室，长期从事电气化铁路牵引供电领域的研究，在同相供电系统和牵引供电系统研究方面有扎实的基础。 ② 目前关于同相供电理论的研究已经非常深入，在西南交通大学主持承担的国家重大科研项目“十一五”国家科技支撑计划“电力电子关键器件及重大装备研制”项目“电气化铁路同相供电装置”落地眉山牵引变电所试验成功。2014年12月28日，由西南交通大学电气工程学院李群湛教授主持研制的世界首套“单三相组合式同相供电装置”在山西中南部铁路通道重载综合试验段沙峪牵引变电所投运成功。同年，采用西南交大同相供电技术的温州市域铁路S1线一期工程获“国家示范工程”。这些既有理论及实际研究成果都为本课题的顺利完成提供了良好的铺垫。 5. 课题的创新性 贯通同相牵引供电系统实现了电气化铁路在向电力系统取电的同时能把它对电力系统的干扰隔离开来，并在铁路内部使用统一的电压供电并取消电分相装置等功能。目前，对电气化铁路的维护研究主要集中在异相供电上，对贯通同相供电运行维护的研究较少，作为同相供电装置投运后最为关键的运行维护技术，目前还处于摸索阶段，研究适应贯通同相供电装置现场的运行维护技术变得至关重要且迫在眉睫，本课题旨在根据同相补偿装置的结构和分区所双边运行要求，同时结合寿命预测和可靠性的维修理念，建立贯通同相供电系统运行维护体系。 6. 计划进度及预期进展： 2015年09月——2015年12月 搜集学习相关资料，明确研究目标与内容； 2016年01月——2016年03月 学习大功率电力电子的维护经验，确定同相供电系统所应采取的维护维修原则； 2016年04月——2016年07月 搭建组合式同相供电变流器的电热仿真模型，并进行结温分析； 2016年08月——2016年09月 建立交直交变流器的可靠性模型，并进行可靠性分析； 2016年09月——2016年10月 结合可靠性分析，提出贯通同相供电系统维护原则，特别是交直交变流器的维护原则； 2016年11月——2017年05月 总结，整理论文，进行答辩申请。 7. 预期成果： 通过本课题的研究，力争按时完成： ①硕士学位论文一篇； ②发表相关研究论文1～2篇。 参考文献 [1] 曹建猷.电气化铁道牵引供电系统[M].北京:中国铁道出版社,1983. 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