模塊2.牽引供電系統(tǒng)《高速鐵路牽引供電》教學課件

《高速鐵路牽引供電》牽引供電系統(tǒng)第二章目錄供電系統(tǒng)概述2.1牽引供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)供電方式2.2同相供電技術(shù)2.3目錄供電系統(tǒng)概述第一節(jié)電氣化鐵道的電流制牽引供電系統(tǒng)的組成牽引供電系統(tǒng)的管理與安全高速鐵路牽引供電系統(tǒng)將電能從電力系統(tǒng)傳送到電力機車的電力設(shè)備稱為電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)，如圖所示。2.1

供電系統(tǒng)概述2.1.1

電氣化鐵道的電流制1.

電流制種類直流制是指在牽引網(wǎng)上采用直流供電，使用直流牽引電動機來驅(qū)動機車。三相交流制是應(yīng)用兩根接觸導線和一根鋼軌形成三相系統(tǒng)的電路。機車采用三相異步電機。單相低頻交流制主要在西歐一些國家尤其是德國使用，采用的是單相交流15 kV、

Hz的供電制式。單相工頻交流制是20世紀50年代以來發(fā)展最迅速的一種牽引供電制式。2.1.1

電氣化鐵道的電流制2.

各電流制的優(yōu)缺點電流制優(yōu)點缺點直流制牽引性能良好、牽引電動機易于調(diào)速，機車構(gòu)造簡單和整流技術(shù)比較成熟以及對通信干擾小等牽引變電所結(jié)構(gòu)復雜、設(shè)備昂貴；投資、運營費用都比較高；要采取特殊防護措施三相交流制牽引變電所和機車設(shè)備簡單、電動機結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)復雜且不安全，所以只有個別國家采用單相低頻交流制可提高牽引網(wǎng)電壓；較易將牽引網(wǎng)高壓降低到牽引電動機所需低電壓設(shè)備復雜、效率低，經(jīng)濟效果并不比直流制好單相工頻交流制供電系統(tǒng)簡單，不需要變換頻率；最經(jīng)濟增加了鐵路內(nèi)外通信設(shè)備拆遷或埋設(shè)電纜的投資牽引供電系統(tǒng)主要包括牽引變電所和牽引網(wǎng)兩部分。牽引變電所是電氣化鐵路供電系統(tǒng)的心臟。牽引網(wǎng)由饋電線、接觸網(wǎng)、軌道回路和回流線組成。牽引網(wǎng)的任務(wù)是質(zhì)量良好地、不間斷地向電力機車供應(yīng)電能。饋電線是牽引變電所與接觸網(wǎng)之間的連接線，它的功能是從牽引變電所向接觸網(wǎng)供電?；亓骶€是軌道回路與牽引變電所之間的連接線，它的作用是將軌道回路內(nèi)的牽引電流吸回牽引變電所。2.1.2

牽引供電系統(tǒng)的組成2.1.3

牽引供電系統(tǒng)的管理與安全接發(fā)列車與調(diào)車作業(yè)安全裝卸和押運人員作業(yè)安全除供電段專業(yè)人員

外

，

任何人

（包括所攜帶的物件）與牽引供電設(shè)備帶電部分的距離不得小于2

m……接觸網(wǎng)帶電部分距裝載貨物的距離不得少于350mm……2.1.4

高速鐵路牽引供電系統(tǒng)我國高速鐵路供電系統(tǒng)外部電源的電壓選擇電力網(wǎng)的電壓等級一般根據(jù)輸送功率和輸電距離來選擇，其應(yīng)用的大致范圍可參考右表。國外高速鐵路外部供電電源的有關(guān)數(shù)據(jù)世界各國采用工頻、單相、交流接觸網(wǎng)額定電壓為25

kV的高速電氣化鐵路，毫無例外地均采用高壓供電。日本山陽等新干線，牽引變電所的進線電壓采用27.5

kV。電源的變動和不平衡承受能力都有所提高，更能保證機車穩(wěn)定、高速運行，也更加經(jīng)濟。法國大部分牽引變電所的進線電壓為225

kV，只有一個變電所為63

kV。德國牽引網(wǎng)電壓采用15

kV，牽引變電所進線電壓采用110kV。另外，它使用 Hz頻率給鐵路專門供電，有其特殊性。額定電壓（kV）輸送功率（MV·A）

輸送距離（km）11010～5050～150220100～150100～3005001000～1

500150～8502.1.4

高速鐵路牽引供電系統(tǒng)高速鐵路變電所、分區(qū)所主接線及接觸網(wǎng)標稱電壓牽引變電所電源側(cè)主接線電源側(cè)主接線應(yīng)結(jié)合外部電源條件確定，兩路電壓均可靠時，采用線路變壓器組接線。采用分支接線，在兩回線間設(shè)置由隔離開關(guān)分段的跨條，實現(xiàn)電源進線與變壓器交叉供電。牽引變電所饋線側(cè)接線采用戶外單體布置時，實現(xiàn)上、下行斷路器互為備用的聯(lián)絡(luò)開關(guān)設(shè)置在所內(nèi)線路側(cè)；采用GIS柜布置時，聯(lián)絡(luò)開關(guān)設(shè)置在所外上網(wǎng)開關(guān)的線路側(cè)。高速鐵路接觸網(wǎng)標稱電壓標稱電壓25

kV，長期最高電壓27.5

kV，短時（5

min）最高電壓29kV，最低電壓20kV。牽引供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)供電方式第二節(jié)直接供電方式帶回流線的直接供電方式BT供電方式AT供電方式CC供電方式高速鐵路供電方式的選擇2.2.1

直接供電方式直接供電方式是在牽引網(wǎng)中不加特殊防護措施的一種供電方式。它的兩根饋線分別接在接觸網(wǎng)上和鋼軌上，如圖所示。這種供電方式最簡單，投資最省，牽引網(wǎng)阻抗較小，能耗也較低。但其缺點是會對通信線路產(chǎn)生電磁感應(yīng)影響。2.2.2

帶回流線的直接供電方式在接觸導線平行位置增加金屬回流線，并隔一定距離設(shè)置連接導線將回流導線與鋼軌并聯(lián)，構(gòu)成回流導線、鋼軌及大地回路的回流設(shè)施的供電方式稱為帶回流線的直接供電方式，如圖所示。帶回流線的直接供電方式，機車部分電流通過鋼軌和大地流回牽引變電所（約70%），其余通過回流線流回牽引變電所（約30%）。2.2.3

BT供電方式BT（Booster

Transformer）供電方式又稱吸流變壓器供電方式，其主要目的是提高牽引網(wǎng)防干擾能力，目前已經(jīng)基本不采用，如圖所示。BT供電方式存在著一種現(xiàn)象：當機車處在BT間隔內(nèi)時會失去吸流防護效果。同等條件下，BT供電方式變電所的間距要小很多，且每隔3～4

km在接觸網(wǎng)內(nèi)存在斷口，機車通過斷口時可能會產(chǎn)生電火花，縮短接觸網(wǎng)的使用壽命。2.2.4

AT供電方式1.

AT供電方式工作原理AT供電方式原理如圖所示。AT表示變比為2∶1的自耦變壓器。列車與變電所間形成長回路，列車所在AT段形成短回路，在相同的牽引功率下牽引網(wǎng)上電流減小，電壓損失、功率損耗都大大下降。2.2.4

AT供電方式2.

AT供電方式對通信線路抗干擾原理假設(shè)自耦變壓器阻抗為零，AT的原繞組n1

與

n2

串聯(lián)接于電源，n2 連接負載，如圖所示。當機車處于兩臺AT之間（AT段）時，設(shè)牽引電流為

I

，對段內(nèi)有AT3、AT4的副繞組供電，其值分別為

IC1 、IC2

，兩電流同時流經(jīng)鋼軌——地回路，并有部分流入大地，均在AT3、AT4的原邊繞組

n1

感應(yīng)電流的作用下，被吸流流至正饋線 F。此時段內(nèi)兩臺AT中每臺的串聯(lián)繞組

n1與n2

中的負荷電流總是大小相等、方向相反，其所產(chǎn)生的磁通相互抵消。2.2.4

AT供電方式AT供電方式的主要技術(shù)特性牽引網(wǎng)傳輸功率和電壓水平提高。牽引網(wǎng)電壓提高為2×27.5

kV后，牽引變電所的間隔可增大為90～100

km（比BT供電方式增大3倍），變電所主變壓器副邊繞組和相應(yīng)的開關(guān)設(shè)備絕緣水平應(yīng)提高，牽引網(wǎng)單位阻抗顯著降低，但牽引網(wǎng)系統(tǒng)（含AT站）的造價增大，維護運行工作增多。對通信線抗干擾特性效果較好，且接觸導線不需斷口，有利于列車高速運行。2.2.5

CC供電方式CC供電方式是一種新型的供電方式。同軸電力電纜沿鐵路線路埋設(shè)，其內(nèi)芯線作為饋電線與接觸網(wǎng)并聯(lián)連接，外部導體作為回流線與鋼軌并聯(lián)連接。每隔5～10

km作一個分段，如圖所示。電纜芯線與外部導體電流相等、方向相反，二者形成的磁場相互抵消，對鄰近通信線路幾乎無干擾。由于阻抗小，因而供電距離長。但由于同軸電力電纜造價高，投資大，現(xiàn)僅在一些特別困難的區(qū)段采用。2.2.6

高速鐵路供電方式的選擇1.

各種供電方式優(yōu)劣供電方式優(yōu)勢劣勢BT供電方式在通信線路防干擾方面性能較好接觸導線分成很多段，不適合高速電力牽引AT供電方式大大減少電分相數(shù)量，且牽引網(wǎng)阻抗小，顯著減少牽引網(wǎng)電壓損失；密切配合電力系統(tǒng)向電氣化鐵道供電的電源選擇，降低工程造價；對通信線路的影響小——直接供電方式牽引網(wǎng)阻抗大，變電所間距小，相應(yīng)的電分相數(shù)量多牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單2.

我國高速鐵路供電方式我國《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB10621—2009）中明確規(guī)定高速鐵路正線牽引網(wǎng)應(yīng)采用2×25

kV的AT供電方式；采用2×25

kV的AT供電方式時接觸電壓長期持續(xù)不應(yīng)高于60

V，瞬時（0.1s）值不應(yīng)高于842

V。牽引供電系統(tǒng)存在的問題牽引供電系統(tǒng)存在問題的危害解決對策同相供電技術(shù)第三節(jié)2.3.1

牽引供電系統(tǒng)存在的問題目前，國內(nèi)外電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)采用的都是異相供電方式，其結(jié)構(gòu)如圖所示，實線和虛線分別是直接供電方式和AT供電方式下的結(jié)構(gòu)圖。此系統(tǒng)在運行中存在如下不足：為保障機車通過電分相，目前采取了自動過分相技術(shù)。牽引負荷是非線性、移動性動態(tài)單相交流負荷，在三相電力系統(tǒng)中引起負序電流，造成系統(tǒng)三相嚴重不平衡。電分相、三相不平衡等成為高速鐵路發(fā)展的瓶頸。牽引變電所牽引變壓器D-3ABCTRF牽引變電所牽引變壓器2.3.2

牽引供電系統(tǒng)存在問題的危害無功的影響電壓偏差的影響牽引網(wǎng)的并聯(lián)補償牽引變電所的并聯(lián)補償用電、輸電、發(fā)電設(shè)備的效率降低造成繼電保護裝置不正常工作不正?！瓕πD(zhuǎn)電機的影響對繼電保護的影響……負序影響諧波的影響無功與電壓偏差影響并聯(lián)無功補償變電所跳閘、停電主斷路器動作頻繁列車速度降低電氣化鐵路對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響電分相對電力機車（或電動車組）的運行影響2.3.3

解決對策1.

解決對策負序電流電氣化鐵路對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響處理方案諧波問題無功和電壓偏差問題采用大容量的電源改善變壓器的結(jié)線采用換相連接改善機車負荷特性接入供電能力強的公用電網(wǎng)所內(nèi)設(shè)置濾波支路進行集中治理改善機車負荷特性在牽引變電所內(nèi)設(shè)置無功補償裝置進行集中治理電分相對電力機車（或動車組）運行影響的解決措施采用自動過分相技術(shù)采用同相供電技術(shù)我國目前大量推廣使用交-直-交型機車（動車組），其功率因數(shù)接近1，諧波含量大大降低，因此電能質(zhì)量指標中只有負序是關(guān)鍵。2.3.3

解決對策2.

同相供電技術(shù)1）單三相組合式同相供電方案原理牽引變電所的單三相組合式同相供電方案原理示意圖如圖所示。供電原理：當牽引負荷功率小于等于同相供電裝置容量的2倍時，負序電流完全補償，由此引起的三相電壓不平衡度為零；當牽引負荷功率大于同相供電裝置容量的2倍時，雖有剩余負序電流流通，但產(chǎn)生的三相電壓不平衡度滿足國標要求。2.3.3

解決對策2.

同相供電技術(shù)2）單相組合式同相供電方案原理牽引變電所采用單相組合式同相供電方案原理示意圖如圖所示。供電原理：牽引變壓器TT與高壓匹配變壓器HMT，構(gòu)成不等邊SCOTT連接組，即構(gòu)成一種供電容量不等、電壓幅值不等、電壓相位垂直的特殊的三相兩相平衡變壓器，從而實現(xiàn)負序電流的補償。2.3.3

解決對策2.

同相供電技術(shù)3）同相供電技術(shù)優(yōu)缺點將全線的電分相的個數(shù)減少一半優(yōu)點解決負序、無功、諧波問題提高牽引變壓器容量利用率增強牽引供電系統(tǒng)的節(jié)能效果高度的可擴展性缺點變流器造價較高，一次性建設(shè)投資大同相供電裝置退出超過規(guī)定時間未修復時，需要適當限制最大行車量2.3.3

解決對策3.

基于有源濾波器的V,v

接同相供電系統(tǒng)1）

V,v

接同相供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（1）直供與BT供電方式同相供電方案方案如圖所示，其特點為：①

平衡器可由“背靠背”的兩單相變流器構(gòu)成。②

與基于YN,

d11接的同相供電系統(tǒng)相比，除所采用的變壓器不同外，其余的如補償電流檢測方法、平衡器的結(jié)構(gòu)和控制方法、三相平衡效果、無功和諧波的補償效果等都相同。2.3.3

解決對策3.

基于有源濾波器的V,v

接同相供電系統(tǒng)1）

V,v

接同相供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（2）AT方式2×55

kV同相供電方案方案如圖所示，其特點為：①變壓器造價低，工作變壓器數(shù)量少。②通過對平衡器的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)三相平衡變換，并能動態(tài)補償諧波和無功。③補償電流檢測方法以及平衡器的控制方法都與基于

YN

,d11

接的同相供電系統(tǒng)相同。④

當平衡器損壞時，系統(tǒng)將變成單相接線，三相嚴重不平衡，無法補償諧波和無功；但同相供電還能繼續(xù)運行，通信干擾防護效果不變。2.3.3

解決對策3.

基于有源濾波器的V,v

接同相供電系統(tǒng)1）

V,v

接同相供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（3）AT方式2×27.5

kV同相供電方案方案如圖所示，其特點為：①

變壓器造價低，數(shù)量少；系統(tǒng)投資遠比三相

YN

,d11十字交叉接等方式的少。②

通過對平衡器控制，能夠?qū)崿F(xiàn)三相平衡變換，并能動態(tài)補償諧波和無功。③

補償電流檢測方法與基于

YN

,d11

接的同相供電系統(tǒng)相同。④

平衡器的結(jié)構(gòu)需采用三相四橋臂變流器實現(xiàn)；平衡器的控制方法相對較復雜。⑤

當平衡器損壞時，能繼續(xù)供電但無法補償諧波和無功，不再有AT方式的通信防護效果。2.3.3

解決對策3.

基于有源濾波器的V,v

接同相供電系統(tǒng)2）平衡變換與補償（1）平衡變換的原理

ipa

ilp

右上圖為V,v

接平衡變換原理示意圖，由圖可知：

ia

i

b

ilp

ipb

i

0

ic

1[iA iB iC

]

式中，K為變壓器的變比。所以原邊電流各序分量為：

i

1

pc

0

A0

iA2

3K

1

a

iA1

式中，ip0，ip1，ip2分別為平衡器輸出電流的各序分量；

a

ej120

。2.3.3

解決對策3.

基于有源濾波器的V,v

接同相供電系統(tǒng)2）平衡變換與補償（1）平衡變換的原理。。是實現(xiàn)三相平衡并濾除諧波和無功的電源電流期望式。A0又 i

0，

A2i

0，

A1lplp331 i

ej30

i

1(1

a2

)i

abclp13

j30

進一步可以得出：

i

ai

a2i

i

epalp13j30

，i

a2i

ai

i

epb pclp13

j30

其中，i

ai

a2i

i

ea b c2.3.3

解決對策3.

基于有源濾波器的V,v

接同相供電系統(tǒng)2）平衡變換與補償（2）平衡器的補償電流及其檢測平衡器的補償電流由三部分組成：基波有功電流引起的負序分量、基波無功電流分量和px諧波電流，也即：

i

i

i

i1px 1qx hx式中，i表示平衡器

x(x a,

b,c)

相的輸出電流；i1px

，i1qx

分別為負載引起的

x

相的基波有功負序電流和無功電流；ihx

為負載引起的x相的諧波電流。設(shè)負載電壓（牽引網(wǎng)電壓）為：uL

(t)

2U

sin(

t

30

)而負載電流總可以表示為：iL

(t)

i1p

(t)

i1q

(t)

ih(t)2.3.3

解決對策3.

基于有源濾波器的V,v

接同相供電系統(tǒng)2）平衡變換與補償（2）平衡器的補償電流及其檢測式中，i1p

( 和

i1q

(t)分別為與電壓

uL

(t)

的同相位瞬時基波有功電流分量和正交瞬時基波無功電流分量；ih

(t)

為所有瞬時諧波電流之和。i1p(t)

2I1p

sin(

t

30

)i1q

(t)

2I1q

cos(

t

30

)將式 i1p(t)

2I1p

sin(

t

30

)

乘以2

sin(

t

30

)

得：iL

(t) 2

sin(

t

30

)

I1p[1

cos2(

t

30

)]

[iq

(t)

ih

(t)] 2sin(

t

30

)式中，I1p

，I1q

分別為負載基波有功電流和無功電流分量。2.3.3

解決對策3.

基于有源濾波器的V,v

接同相供電系統(tǒng)2）平衡變換與補償（2）平衡器的補償電流及其檢測根據(jù)以上分析可以得出如右圖所示的平衡器綜合補償電流實時檢測電路。L02

sin

t

i (t)

i(t)

1

ap

2sin(

t

120

)

3三相綜合補償電流期望值分別為：

ibp

(t)

iL

(t)

i(t)

2sin(

t

120

)

cp

2.3.3

解決對策3.

基于有源濾波器的V,v

接同相供電系統(tǒng)2）平衡變換與補償（3）平衡變換器的結(jié)構(gòu)及其控制平衡變換器由“背靠背”的兩個單相變流器構(gòu)成，如右圖所示。兩單相變流器可以獨立控制，控制方法相同。以左側(cè)單相變流器為例做簡要分析，由圖abab可知：

u

Ldi

Ri

edt式中，L，R

和

eab

分別為從橋臂側(cè)看系統(tǒng)的等效電感、電阻和電源電勢。uab

，i

分別為變流器輸出電壓（兩橋臂間電壓）和輸出電流。2.3.3

解決對策3.

基于有源濾波器的V,v

接同相供電系統(tǒng)2）平衡變換與補償（3）平衡變換器的結(jié)構(gòu)及其控制為了使變流器輸出期望電流

，則應(yīng)控制變流器輸出期望電壓，因此需利用變流器輸出的三種電壓調(diào)制得到。可采用狀態(tài)優(yōu)化控制方法，控制規(guī)則如右表所示。**di*設(shè)

u*

，i*

分別為變流器輸出電壓、電流的期望值，則：

u

L

Ri

eabdt2.3.3

解決對策值，但系統(tǒng)阻抗是變化的，會影響其控制精度。為此提出雙滯環(huán)比較狀態(tài)優(yōu)化控制方法。3.

基于有源濾波器的V,v

接同相供電系統(tǒng)2）平衡變換與補償（3）平衡變換器的結(jié)構(gòu)及其控制*上述方法需要根據(jù)式

u*

L

di

計算出

u*

，以判斷其大小，這需要預先估計

L

和

Rabu*udt忽略R

可得 L

dΔidΔi由此可構(gòu)造出雙滯環(huán)電流比較狀態(tài)優(yōu)化控制方法。由于準確檢測 較困難，故實際根據(jù)檢測

Δi

是否繼續(xù)增加來判定

u*

的狀態(tài)。2.3.3

解決對策3.

基于有源濾波器的V,v

接同相供電系統(tǒng)2）平衡變換與補償（3）平衡變換器的結(jié)構(gòu)及其控制圖示為雙滯環(huán)電流比較狀態(tài)優(yōu)化控制框圖。圖中

Si

，Su分別為內(nèi)外環(huán)比較器輸出狀態(tài)值，由圖可得