電氣化鐵道供電系統(tǒng)簡述

1、電 氣 化 鐵 道供 電 系 統(tǒng) 簡 述 教學(xué)內(nèi)容第一章 緒論電力系統(tǒng)基本概念、牽引供電系統(tǒng)概述第二章 牽引變電所三相牽引變電所、單相牽引變電所三相兩相牽引變電所第三章 饋線電流第四章 變壓器容量計(jì)算第五章 牽引網(wǎng)阻抗計(jì)算 概述及Carson理論、單線牽引網(wǎng)阻抗計(jì)算 復(fù)線牽引網(wǎng)阻抗計(jì)算教學(xué)內(nèi)容（續(xù)）第六章 牽引供電系統(tǒng)電壓損失 牽引變電所電壓損失計(jì)算 牽引網(wǎng)電壓損失計(jì)算 串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)谄哒?負(fù)序電流 單相牽引變電所負(fù)序電流 三相牽引變電所負(fù)序電流 三相兩相牽引變電所負(fù)序電流第八章 牽引變電所換相聯(lián)接第九章 并聯(lián)補(bǔ)償參考教材曹建猷著，電氣化鐵道供電系統(tǒng)，中國鐵道出版社，1993電氣化鐵道設(shè)計(jì)手冊

2、 牽引供電系統(tǒng)，中國鐵道出版社，1988韓禎祥主編，電力系統(tǒng)分析，浙江大學(xué)出版社,第2版簡克良主編，電力系統(tǒng)分析，西南交通大學(xué)出版社,一、電力系統(tǒng)簡介電力系統(tǒng)構(gòu)成簡圖GM電力網(wǎng)電力系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)水（汽）輪機(jī)及發(fā)電機(jī)升壓變壓器輸電線路降壓變壓器用戶用電設(shè)備M第一章 緒 論1-1 電力系統(tǒng)基本概念電力系統(tǒng)：由發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路以及用電設(shè)備（或生產(chǎn)、輸送、分配和消耗電能的各種電氣設(shè)備）按照一定規(guī)律連接而成的系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，電能經(jīng)過變壓器和電力線路輸送并分配到用戶。發(fā)電廠：生產(chǎn)電能變(配)電所： 變壓或分配電能輸配電線路：輸送電能用戶：消耗電能動(dòng)力系統(tǒng)：電力系統(tǒng)+發(fā)電廠的動(dòng)力部分（

3、發(fā)電廠的動(dòng)力部分，如火電廠的鍋爐、汽輪機(jī)、熱力網(wǎng)和用熱設(shè)備，水電廠的水輪機(jī)和水庫，核電廠的核反應(yīng)堆和汽輪機(jī)) 電力網(wǎng)：電力系統(tǒng)中除發(fā)電機(jī)和用電設(shè)備外的部分，由變壓器和不同電壓等級(jí)輸電線路組成的網(wǎng)絡(luò)。電力網(wǎng)是電力系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，而電力系統(tǒng)又是動(dòng)力系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。電力系統(tǒng)基本任務(wù)按電力用戶的種類及要求供電的連續(xù)性，一般將用戶分成三級(jí)：一級(jí)負(fù)荷、二級(jí)負(fù)荷和三級(jí)負(fù)荷。為用戶提供充足、可靠和具有良好電能質(zhì)量的電能保證電力系統(tǒng)安全（secure)、穩(wěn)定(stable)、可靠（reliable) 和經(jīng)濟(jì) (economical)運(yùn)行電能質(zhì)量指標(biāo)電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量供電電壓允許偏差 GB 1232

4、590電壓允許波動(dòng)和閃變 GB 123262000電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差 GB/T 159451995 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波 GB/T 14549-1993 電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度 GB/T 15543-1995 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) 名 稱允許限值說 明電壓允許偏差35kV及以上為正負(fù)偏差絕對值之和不超過10%；10kV及以下三相供電為7%；220V單相供電為+7%，-10%衡量點(diǎn)為供用電產(chǎn)權(quán)分界處或電能計(jì)量點(diǎn)電壓允許波動(dòng)和閃變1電壓波動(dòng)：10kV及以下2.5%;35kV110kV為2%；220kV及以上1.6%2閃變V10：對照明要求較高,0.4%(推薦值);一般照明負(fù)荷,0

5、.6%(推薦值)衡量點(diǎn)為電網(wǎng)公共連接點(diǎn)(PCC)，取實(shí)測95%概率值；給出閃變電壓限值和頻度的關(guān)系曲線，可以根據(jù)電壓波動(dòng)曲線查得允許值，并給出算例；對測量方法和測量儀器作出基本規(guī)定電壓允許不平衡度正常允許2%，短時(shí)不超過4%；每個(gè)用戶一般不得超過1.3%各級(jí)電壓要求一樣；衡量點(diǎn)為PCC，取實(shí)測95%概率值或日累計(jì)超標(biāo)不超過72min，且每30min中超標(biāo)不超過5min；對測量方法和測量儀器作出規(guī)定；提供不平衡度算法電壓：頻率：額定頻率：50Hz（國外：50 或 60Hz）頻率偏差：（3000MW系統(tǒng)）（3000MW系統(tǒng)） 國外：(0.10.2)Hz 或 波形：質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：正弦波電壓和電流諧波的危

6、害與抑制電壓等級(jí)電壓波形畸變率極限值0.38kV5%6-10kV4%35-60kV3%110kV以上 2%二、電力系統(tǒng)元件參數(shù)和短路容量 發(fā)電機(jī)銘牌參數(shù)：額定(線)電壓UN （kV） 三相額定容量SN （MVA） 次暫態(tài)電抗的標(biāo)幺值XG%發(fā)電機(jī)電抗的有效值為 變壓器雙繞組變壓器銘牌參數(shù)：額定容量SN （MVA） 額定線電壓UN （kV）短路電壓百分比Uk% 空載電流百分值I0% 三相有功空載損耗P0（kW）短路損耗功率Pk（kW）三繞組變壓器的短路電壓百分值：Uk1-2% Uk2-3% Uk3-1%變壓器電抗百分值按下式計(jì)算： 輸電線參數(shù)： 每公里電抗Z （/km） 電網(wǎng)線電壓UN （kV）

7、線路長度L（km）輸電線阻抗參數(shù)為需要涉及對地導(dǎo)納時(shí)，要將大地影響考慮進(jìn)去。 短路容量 電力系統(tǒng)短路容量是選擇牽引變電所高壓側(cè)電氣設(shè)備所必須的，它也是估計(jì)電力系統(tǒng)負(fù)荷能力的重要依據(jù)?；鶞?zhǔn)容量SB電力系統(tǒng)到牽引變電所進(jìn)線點(diǎn)的總電抗標(biāo)么值X*電力系統(tǒng)在牽引變電所進(jìn)線點(diǎn)短路時(shí)短路容量為已知系統(tǒng)短路容量S從牽引變電所看進(jìn)電力系統(tǒng)的總電抗標(biāo)值電力系統(tǒng)的短路容量同電力系統(tǒng)的發(fā)電容量有關(guān)，還同負(fù)載中心所在地點(diǎn)有關(guān)。一般電力系統(tǒng)的發(fā)電容量越大，短路容量越大；負(fù)載中心距離電力系統(tǒng)電源越遠(yuǎn)，短路容量越小。 電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型在已知電力系統(tǒng)各元件的參數(shù)和等值電路的基礎(chǔ)上，按照它們的電氣連接關(guān)系互連起來構(gòu)成電力系統(tǒng)的等

8、值電路。電壓等級(jí)的歸算問題：元件在不同電壓等級(jí)下所顯現(xiàn)的電氣參數(shù)值不同，所以不同電壓等級(jí)的等值電路不能直接連接，必須歸算在同一電壓等級(jí)下。K1、K2、 、Kn為基準(zhǔn)級(jí)與待歸算級(jí)之間所有變壓器變比一、電氣化鐵道發(fā)展概況 1. 電氣化鐵道線路和里程國外: 1881年 巴黎出現(xiàn)有軌電車 1895年 美國 直流制電車 600V 1906年 美國 低頻單相交流制 1932年 匈牙利 工頻單相交流制我國：1961年 第一條電氣化鐵路 寶鳳線 (寶雞鳳州) 逐步發(fā)展，重載列車京秦線 準(zhǔn)高速 廣深線 200km/h 高速 秦沈線 300km/h1-2 牽引供電系統(tǒng)概述低頻單相交流制: 少量國家2. 電氣化鐵道

9、的電流制與額定電壓 根據(jù)電流形式：直流制: 主要用于城市軌道交通 額定電壓有1500V和750V交流制:工頻單相交流制: 50Hz，60Hz 主要用于大運(yùn)量、重載的鐵路運(yùn)輸額定電壓為25kV，廣泛采用三相交流制: 淘汰 現(xiàn)代電力牽引都以公用電網(wǎng)配電，實(shí)質(zhì)上是取用經(jīng)變換的單相電。 在我國，礦山電力牽引，城市軌道交通都采用直流制，北京地鐵750V直流供電電壓，上海地鐵1500V直流電壓；電氣化鐵道都采用工頻（50Hz），額定電壓為或的單相交流制。 3. 牽引供電系統(tǒng)設(shè)施的發(fā)展(1) 牽引供電系統(tǒng)向電力機(jī)車供電的方式 直接供電方式(DF) 帶回流線的直接供電方式(DN) 自耦變壓器供電方式(AT)

10、吸流變壓器供電方式(BT)(2) 牽引變電所主變壓器的主結(jié)線型式 YN,d11接線廣泛應(yīng)用于DF和BT方式 單相V,V接線 斯科特(Scoot)廣泛應(yīng)用于AT方式 YN,d11,d1三相結(jié)線等等。(3) 斷路器：少油、多油、SF6、真空斷路器。(4) 繼電保護(hù)(5) 接觸網(wǎng)懸掛方式(6) 調(diào)度方式(7) 檢測技術(shù)二、電氣化鐵路的優(yōu)越性與存在的問題1.優(yōu)越性： 重載、快速、大容(運(yùn))量 節(jié)約能源、經(jīng)濟(jì)效益好 無污染2.存在的問題： 對電力系統(tǒng)的負(fù)序影響 對電力系統(tǒng)的諧波影響 對沿線通信線路有干擾三、牽引供電系統(tǒng)的構(gòu)成 電力系統(tǒng)與輸電線 為電氣化鐵道提供高壓電源，其電壓為110kV或220kV 。

11、電氣化鐵道的牽引負(fù)荷是一級(jí)負(fù)荷，故要求電源有足夠的容量和較高的可靠度。牽引變電所 將電力系統(tǒng)供應(yīng)的電能轉(zhuǎn)變?yōu)檫m于電力牽引及其供電方式的電能，其核心元件是牽引變壓器，并設(shè)有備用。牽引網(wǎng) 由饋（電）線、接觸網(wǎng)、軌（地）、回流線等組成，是牽引供電網(wǎng)（回路），完成對電力機(jī)車的送電任務(wù)。牽引網(wǎng) 饋線: 接在牽引變電所牽引母線和接觸網(wǎng)之間的導(dǎo)線，即將電能由牽引變電所引向電氣化鐵路； 接觸網(wǎng): 是一種懸掛在軌道上方，沿軌道敷設(shè)的、和鐵路軌頂保持一定距離的輸電網(wǎng)。通過電動(dòng)車組的受電弓和接觸網(wǎng)的滑動(dòng)接觸，牽引電能就由接觸網(wǎng)進(jìn)入電動(dòng)車組，從而驅(qū)動(dòng)牽引電動(dòng)機(jī)使列車運(yùn)行。 軌道: 在非電牽引情形下只作為列車的導(dǎo)軌。在

12、電力牽引時(shí)，軌道除仍具有導(dǎo)軌功能外，還需要完成導(dǎo)能回流的任務(wù)。因此，電力牽引的軌道，需要具有良好的導(dǎo)電性能。 回流線: 是連接軌道和牽引變電所的導(dǎo)線。通過回流線把軌道中的回路電流導(dǎo)入牽引變電所的主變壓器。電力機(jī)車: 將通過牽引電機(jī)及其變換和控制機(jī)構(gòu)，將電能轉(zhuǎn)化為可用機(jī)械能，牽引列車運(yùn)行。 供電分區(qū): 正常供電時(shí)，由牽引變電所饋線到接觸網(wǎng)末端的供電線路，也稱為供電臂。分相絕緣器（電分相）: 串接在接觸網(wǎng)中，目的是將兩相不同的供電區(qū)分開，并使機(jī)車光滑過渡，主要用在牽引變電所出口處和分區(qū)處。分段絕緣器（電分段）: 分為縱向電分段和橫向電分段，前者用在線路接觸網(wǎng)上，后者用于站場各條接觸網(wǎng)之間。通過其上

13、的隔離開關(guān)將有關(guān)接觸網(wǎng)進(jìn)行電氣連通或斷開，以保證供電的可靠性、靈活性和縮小停電范圍以及便于檢修等。 四、一次（原邊）系統(tǒng)的供電方式（外部供電方式） 一次系統(tǒng)的供電方式是指電力系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)的供電網(wǎng)（輸電線）的聯(lián)結(jié)方式，它取決于牽引負(fù)荷的用電等級(jí)和電力系統(tǒng)的頒情況。 TBJ9-85 鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定“電力牽引為一級(jí)負(fù)荷，牽引變電所應(yīng)有兩路電源供電；當(dāng)任一路故障時(shí)，另一路應(yīng)能正常供電”。其中兩路電源可來自不同的地區(qū)變電所或同一地區(qū)變電所的不同母線或母線分段。原則：供電可靠性、電源容量及經(jīng)濟(jì)性 環(huán)形供電牽引變電所在高壓側(cè)與一次系統(tǒng)聯(lián)成環(huán)形網(wǎng)。優(yōu)點(diǎn)：供電可靠性好，能適應(yīng)負(fù)荷的劇烈變化要

14、求：鐵路附近有兩個(gè)以上發(fā)電廠或地區(qū)變電所且其間有電力網(wǎng)互聯(lián)。（受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)限制） 地區(qū)變電所或發(fā)電廠地區(qū)變電所或發(fā)電廠牽引變電所牽引變電所 雙側(cè)供電（兩邊供電）電源來自電力系統(tǒng)的兩個(gè)地區(qū)變電所，給鐵路供電的輸電線是聯(lián)絡(luò)這兩個(gè)地區(qū)變電所的通路。優(yōu)點(diǎn)：同環(huán)形供電要求：牽引變電所兩側(cè)都有電源 應(yīng)用廣泛 雙路輸電線牽引變電所牽引變電所 單側(cè)供電（一邊供電）單側(cè)供電是由一個(gè)地區(qū)變電所給數(shù)個(gè)牽引變電所供電，為保證供電可靠性，應(yīng)采用雙路（或雙回）輸電線 。單側(cè)供電方式的可靠性一般比雙側(cè)供電方式和環(huán)形供電方式要差，而投資不會(huì)比環(huán)形供電方式和雙側(cè)供電方式少。要求：必須有兩回路輸電線供電，且有各自的桿塔和走線雙路輸

15、電線牽引變電所牽引變電所散射供電（輻射線供電）當(dāng)各牽引變電所離開電源差不多等距并且比單邊供電更經(jīng)濟(jì)時(shí)，可采用散射供電方式。缺點(diǎn)：可靠性差要求：相鄰幾個(gè)牽引變電所布置成弧形，且地區(qū)變電所和發(fā)電廠的距離較近時(shí)，必須兩回路輸電。 地區(qū)變電所或發(fā)電廠牽引變電所實(shí)際外部供電方式之一實(shí)際外部供電方式之二 五、牽引變電所引入線的方式（1） “橋”接方式（通過式接法） 外僑、內(nèi)橋特點(diǎn)：輸電線路上的負(fù)荷要穿越牽引變電所，即高壓線進(jìn)入牽引變電所后，又通過“橋”接斷路器，返回到高壓輸電線路。橋接適用于環(huán)形供電和兩邊供電，以及電力系統(tǒng)要求電力網(wǎng)穿越牽引變電所的場合（2） “T”接或“雙T”接方式 特點(diǎn)：外部負(fù)荷不進(jìn)入

16、牽引變電所，“T”接與“橋”接相比，設(shè)備減少，投資節(jié)省。適用于兩邊供電和一邊供電。（3） 單母線分段方式 特點(diǎn)：引入線、引出線多允許外部負(fù)荷穿越牽引變電所。 六、內(nèi)部供電方式（按牽引網(wǎng)設(shè)備類型的分類）（1） 直接供電方式 牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)最簡，投資最小，但鋼軌電位較高，對通信線的干擾感應(yīng)最大，主要適用于通信線路（主要是明線）較少或很易將受擾通信線遷改徑路的場合。基本型直接供電方式在法國、英國、原蘇聯(lián)都廣泛應(yīng)用。 CT基本型直接供電方式帶負(fù)饋線的直接供電方式：在鋼軌上并聯(lián)架空回流線（又稱負(fù)饋線）。鋼軌電位大為降低，對通信線的干擾得到較好抑制。還能降低牽引網(wǎng)阻抗，使供電臂延長30%及以上。 帶負(fù)饋線的直

17、接供電方式NCT（2） BT供電方式 BT/回流線方式：BT串入接觸網(wǎng)，間隔約，用以吸回地中電流，減少通訊干擾。 BT/回流線方式牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高，牽引網(wǎng)阻抗變大，供電臂長度將減??；因存在BT分段（火花間隙），不利于高速、重載等大電流運(yùn)行；但BT方式的鋼軌電位低，抑制通信干擾的效果很好。BT/回流線方式BTBTNCT BT-回流線方式比BT-鋼軌方式抑制通信干擾的效果好。 我國采用的BT方式均為BT-回流線方式，日本東海道新干線也如此，而英國、法國、瑞典兩種方式都有應(yīng)用，挪威只用BT-鋼軌方式。 BT/鋼軌方式BTBTCT（3） AT供電方式 AT并聯(lián)于牽引網(wǎng)中，克服了BT串入網(wǎng)中BT

18、分段的缺陷，使供電電壓成倍提高，牽引網(wǎng)阻抗小，供電距離長（約為直接供電方式的170%-200%），網(wǎng)上壓損和能損都小，是一種適于高速、重載等大電流牽引方式。 一般AT間隔約10km左右，AT供電方式的鋼軌電位較低，抑制道路干擾的效率與BT-回流線方式相近，投資要高一些。AT供電方式在日本山陽新干線上應(yīng)用，后來法國、美國（25Hz）、原蘇聯(lián)、我國等相繼采用。 nnATATPFCTAT接觸網(wǎng)鋼軌正饋線七、牽引網(wǎng)的運(yùn)行方式（1） 單邊供電 各牽引變電所相互獨(dú)立，機(jī)車只從相關(guān)的某個(gè)牽引變電所取電。對于兩個(gè)異相牽引端口的牽引變電所，通常在牽引變電所出口兩饋線相連的接觸網(wǎng)上和分區(qū)的接觸網(wǎng)上設(shè)分相絕緣器。當(dāng)

19、某一牽引變電所因故障失電時(shí)，可將兩端分區(qū)所的開關(guān)合上進(jìn)行越區(qū)供電。單線區(qū)段的單邊供電復(fù)線區(qū)段的單邊供電上、下行獨(dú)立供電： 繼電保護(hù)簡單；牽引網(wǎng)壓損、能損較大，網(wǎng)壓波動(dòng)大；上下行接觸網(wǎng)出現(xiàn)電壓差。全并聯(lián)供電 ： 牽引網(wǎng)壓損、能損小，網(wǎng)壓水平好；故障時(shí)影響范圍大，保護(hù)、控制復(fù)雜。末端并聯(lián)供電： 克服的缺點(diǎn)，利用的優(yōu)點(diǎn)。我國廣泛采用 （2） 雙邊供電 機(jī)車由相鄰的兩個(gè)變電所供電，由與分相絕緣器并聯(lián)的斷路器合閘而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)一供電臂故障時(shí)，如保證另一臂正常供電，則需通過繼電保護(hù)自動(dòng)將斷路器打開，以縮小故障區(qū)域；當(dāng)接觸網(wǎng)停電維修時(shí)，也需要（通過遠(yuǎn)動(dòng)）進(jìn)行斷路器分合操作。因此，雙邊供電時(shí)，兩相鄰牽引變電所之

20、間要設(shè)置分區(qū)所。單線區(qū)段的雙邊供電復(fù)線區(qū)段的雙邊供電優(yōu)點(diǎn):機(jī)車的電流來自兩個(gè)以上的供電點(diǎn)，減輕了牽引網(wǎng)輸送電能的負(fù)擔(dān)，網(wǎng)上壓損和能損都能減少，網(wǎng)壓水平也由此改善。減輕對沿線的電磁感抗干擾。缺點(diǎn):牽引網(wǎng)的復(fù)雜程度增加，對繼電保護(hù)提出了許多特殊要求。實(shí)現(xiàn)雙邊供電起碼應(yīng)滿足兩個(gè)條件：1、兩相鄰牽引變電所需由同一電力系統(tǒng)供電，以確保有相同的頻率；2、兩相鄰牽引變電所的牽引端口應(yīng)同相，否則將造成異相短路。 雙邊供電時(shí)兩邊牽引端口電壓大小和相位的差異會(huì)在牽引網(wǎng)中造成均衡電流。不論有無牽引負(fù)荷，兩邊牽引端口的電壓都是波動(dòng)的，均衡電流將在牽引網(wǎng)中來回流動(dòng)，造成額外功率損失，但份額不大。1-3牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)概

21、述 電氣化鐵道的牽引動(dòng)力是電力機(jī)車，它本身不帶能源(非自己性)，必須從外部電源和牽引供電系統(tǒng)獲得電能。 電氣化鐵道除了一般的鐵路線路、車站、通訊、信號(hào)等設(shè)施外，還包括特殊的牽引供電系統(tǒng)、電力機(jī)車以及相應(yīng)的運(yùn)行、維修和管理單位(供電段、電力機(jī)務(wù)段、電力調(diào)度及其主管部門) 。對電氣化鐵道供電系統(tǒng)的基本要求：(1)保證向電氣化鐵路安全、可靠、不間斷的供電；(2)提高供電質(zhì)量，保證必需的電壓水平；(3)提高功率因數(shù)，減少電能損失，降低工程投資和運(yùn)營費(fèi)用；(4)盡量減少單相牽引負(fù)荷在電力系統(tǒng)中引起的負(fù)序電流、負(fù)序電壓和高次諧波的影響；(5)盡量減小對鄰近的通信線路的干擾影響。 鐵路電氣化區(qū)段的設(shè)計(jì)分兩步進(jìn)行：初步設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)。一般在初步設(shè)計(jì)審查批準(zhǔn)后開展施工設(shè)計(jì)。供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)屬于初步設(shè)計(jì)的內(nèi)容。一、供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)1、牽引變電所分布