電氣化鐵路牽引供電系統簡介

電氣化鐵路

牽引供電系統簡介

一、緒論二、供電系統的結構與原理三、牽引負荷對電力系統的影響和對策四、牽引網對通信線路的影響和對策五、可以減輕對通信線路影響的供電方式六、地中電流七、供電系統設計和運行的若干問題1）電氣化鐵路的組成電力牽引指由外電源供給動力車電能的牽引方式，采用電力牽引的鐵路稱為電氣化鐵路。電氣化鐵路除了一般的鐵路線路、車站、通訊、信號等設施外，還包括特殊的牽引供電系統、電力機車以及相應的運行、維修和管理單位供電段、電力機務段、電力調度及其主管部門等；2）我國電氣化鐵路的發展概況上世紀50年代確定了電氣化鐵路采用工頻單相25kV交流制；電氣化鐵路通車里程截至2009年底達到萬公里，位居世界第二，電氣化率約40%；牽引供電系統設施也在不斷發展過程中；自主設計制造的電力機車時速可以達到350kM/h甚至以上；

緒論

3）電氣化鐵路的優越性與存在的問題拉得多，跑得快，運輸能力大；節約能源消耗，綜合利用能源；經濟效益好；對環境無污染，勞動條件好，有利于實現環保運輸；有利于鐵路沿線實現電氣化，促進工農業發展；對給電氣化鐵路牽引負荷供電的電力系統造成負序電流和高次諧波含量增大、功率因數降低等不良影響；對沿電氣化鐵路架設的通信線路有干擾；基建投資比蒸汽牽引和內燃牽引投資大；接觸網檢修需要天窗時間；

緒論1）電氣化鐵道供電系統供電系統的結構與原理2）牽引變電所單相聯結牽引變電所供電系統的結構與原理優點：牽引變壓器的容量利用率可達100%，主接線簡單，設備少，占地面積小，投資省等。缺點：不能供應地區和牽引變電所三相負荷用電，對電力系統的負序影響最大，對接觸網的供電不能實現兩邊供電。供電系統的結構與原理單相V,v聯結牽引變電所

供電系統的結構與原理優點：牽引變壓器的容量利用率可達100%，正常運行時，牽引側保持三相，所以可以供應牽引變電所自用電和地區三相負載，主接線較簡單，設備較少，投資較省，對電力系統負序影響比單相聯結小，對接觸網可實現兩邊供電。缺點：一臺牽引變壓器故障時，另一臺必須跨相供電，地區三相電力供應要中斷。供電系統的結構與原理三相V,v聯結牽引變電所這種牽引變電所裝設兩臺三相V，V聯結牽引變電所，一臺運行，一臺固定備用。它是將兩臺容量相等或不相等的單相變壓器器身安裝于同一油箱內組成的。保持了單相V，v聯結的主要優點，而且完全克服了它的缺點。并且解決了單相V，v聯結牽引變電所不便于采用固定設備及其自動投入的問題。兩臺的容量可以選擇不一致，兩側的二次側電壓可以不一致，有利于實現分相有載或無載調壓。

供電系統的結構與原理三相Yn,d11聯結牽引變電所

供電系統的結構與原理由一系列相量圖分析得知，Ica，Ibc電流相等，等于供電臂負荷電流的/3，而Iab等于供電臂負荷電流的1/3，可見牽引變壓器容量利用率不高，大約在左右；但它低壓側保持三相，有利于供應牽引變電所自用電和地區三相電力，并且在我國采用的時間長，有較多的經驗，制造相對簡單，價格相對便宜；供電系統的結構與原理3）牽引網牽引網是由饋電線、接觸網、軌道和大地、回流線構成的供電網的總稱。牽引變電所向接觸網的供電方式供電系統的結構與原理單線區段一邊供電

供電系統的結構與原理接觸網供電分區由牽引變電所從一邊供應電能。由于我國的電氣化鐵路接觸網普遍采用一邊供電方式，越區供電方式也不經常使用，所以在相鄰兩牽引變電所之間的供電分區分界點，目前不設置分區所，只設分相絕緣器和一臺隔離開關；優點是倒閘操作和繼電保護比較簡單，獨立性強；供電系統的結構與原理兩邊供電供電臂分界點設置分區所，才能實現兩邊供電，分區所的作用在于縮小接觸網故障或檢修的停電范圍。電流是兩邊流向電力機車，可以減少牽引網中的電壓損失和電能損失，改善供電臂的電壓水平，減少運營成本。缺點是倒閘操作和繼電保護復雜，牽引網中會出現穿越電流導致附加電能損失。

供電系統的結構與原理雙線區段同相一邊并聯供電

供電系統的結構與原理兩相鄰牽引變電所之間毗連的供電臂上、下行接觸網電壓皆屬同相，分界點設置分區所，通過分區所的斷路器將上、下行接觸網聯通。目前普遍采用。電力機車通過上、下行接觸網從一個牽引所取用電流，可以顯著減少牽引網中的電壓損失和電能損失，改善供電臂的電壓水平，減少運營成本。缺點是倒閘操作和繼電保護復雜。供電系統的結構與原理同相一邊分開供電不同點在于供電臂的上、下行接觸網不連接。電力機車通過行駛的本線路的接觸網從一個牽引所取用電流。缺點是不能減少牽引網中的電壓損失和電能損失，而且在運行中，上、下行接觸網之間容易出現較大的電壓差，易燒毀接觸網的分段絕緣器。優點是倒閘操作和繼電保護較簡單。

供電系統的結構與原理雙邊樞紐供電分區所的主接線由4臺工作斷路器接成四邊形構成。優缺點同兩邊供電。

供電系統的結構與原理1）負序電流由于單相工頻交流電氣化鐵道牽引負荷的特點，當三相電力系統向它供電時，它將在電力系統中引起負序電流。通過對稱分量法分析得知，單相負荷接入電力系統時，將在系統中引起正序電流和負序電流，但不會引起零序電流。相量圖中，正序電流超前30度，負序電流落后30度。牽引負荷對電力系統的影響和對策正序有功功率等于單相負荷的有功功率，負序有功功率為零。單相負荷的正序視在功率等于負序實在功率，都等于單相負荷的視在功率。單相負荷電流在三相系統電路中產生的電能損失，等于正序電流電能損失與負序電流電能損失之和，并且正序電流電能損失與負序電流電能損失相等。對于輸電線、變壓器和電抗器等靜止元件，不存在旋轉磁場問題，因此負序電抗等于其正序電抗。但對于同步發電機就不一樣了。牽引負荷對電力系統的影響和對策不同聯結形式的牽引變壓器負荷引起的不對稱影響綜合分析單相聯結牽引變壓器負荷，在電力系統中引起的不對稱度最嚴重，達到100%；單相和三相V，v聯結、三相Yn，d11聯結牽引變壓器負荷，在電力系統中引起的不對稱度相同，當兩供電臂電流相等時，為50%。當兩供電臂中一臂有電流，另一臂無電流時，為100%。

牽引負荷對電力系統的影響和對策2）負序電流對電力系統的影響單相牽引負荷，引起發電機的不對稱運行，限制了發電機的出力，增加了附加的能量損失，破壞了熱穩定性，動穩定性。影響電動機的出力，電壓不對稱度越大，制動力矩越大。降低了變壓器、輸電線路容量利用率，造成附加的能量損失。增加了繼電保護的復雜性。牽引負荷對電力系統的影響和對策減少負序影響的措施牽引供電系統可采取的措施：相鄰牽引變電所的牽引變壓器一次側換接相序，合理安排接觸網分段及其相序；所內采用電流不對稱度低的牽引變壓器；電力系統可采取的措施：在發電廠或樞紐變電站安裝同步調相機。

牽引負荷對電力系統的影響和對策3）牽引變電所換接相序所謂牽引變電所換接相序，就是指個相鄰牽引變電所牽引變壓器的一次側各端子輪換接入電力系統中的不同的相。牽引負荷對電力系統的影響和對策牽引變電所換接相序的基本要求是：對稱。把各牽引變電所的單相牽引負荷輪換接入電力系統中的不同的相，使電力系統三相電流大致對稱。單相和三相V，v聯結、三相Yn，d11聯結的兩個相鄰牽引變電所之間，兩供電臂一般設計為同相，以便必要時可實現接觸網的越區供電或兩邊供電，牽引變電所直接相連的兩供電臂為不同相。牽引負荷對電力系統的影響和對策4）諧波電流整流型電力機車變壓器一次側的電流波形發生了明顯的畸變，成為周期性的非正弦波，含有諧波成分。牽引負荷對電力系統的影響和對策諧波對電力系統的不良影響：諧波電流引起電力系統內的諧振，并聯諧振時引起諧波電壓放大，容易損壞設備；串聯諧振會引起串聯回路中元件過電流，過熱。諧波電流流入發電機，會引起振動扭矩，增加定子繞組和定子鐵芯的附加電能損失和發熱，引起轉子勵磁繞組的附加發熱，引起阻尼繞組過熱。對計量的影響，計算方法不一樣。諧波電流流入變壓器，引起附加鐵損和銅損，是變壓器總電能損失增大，容量利用率減少。牽引負荷對電力系統的影響和對策減少諧波影響的措施：在牽引變電所牽引側裝設并聯電容補償裝置；在電力機車上加裝并聯補償濾波裝置。牽引負荷對電力系統的影響和對策5）功率因數功率因數的大小與電路的負荷性質有關，如白熾燈泡、電阻爐等電阻負荷的功率因數為1，一般具有電感性負載的電路功率因數都小于1。功率因數是電力系統的一個重要的技術數據。功率因數是衡量電氣設備效率高低的一個系數。功率因數低，說明電路用于交變磁場轉換的無功功率大，從而降低了設備的利用率，增加了線路供電損失。所以，供電部門對用電單位的功率因數有一定的標準要求。牽引負荷對電力系統的影響和對策電力牽引負荷的功率因數比較低，這是因為我國的電氣化鐵道所采用的電力機車多數是整流型機車，在交流側電流波形畸變以及整流換相過程中重疊導通角的影響導致功率因數在左右，由于牽引網阻抗的影響，牽引變壓器低壓側的功率因數要降低，由于牽引變壓器阻抗的影響，高壓側的功率因數還要降低，這樣平均值大約。牽引負荷對電力系統的影響和對策功率因數低的不良影響：降低發電機組的輸出能力和輸變電設備的供電能力，使電氣設備的效率降低，發電和輸變電的成本提高；增加輸電網絡中的電能損失。有功功率的損失與功率因數的二次方成反比；增加輸電網絡中的電壓損失，引起電力用戶的供電電壓不足。電業部門要求電氣化鐵道牽引負荷在牽引變電所牽引變壓器高壓側的月平均功率因數應達到以上，高者獲獎，低者受罰。牽引負荷對電力系統的影響和對策提高牽引負荷功率因數的措施：提高用電的自然功率因數。例如提高電力機車的功率因數，改善牽引網的阻抗特性，包括減少牽引網單位阻抗值和阻抗角，限制供電臂的長度，合理選擇牽引變壓器容量，提高容量利用率；在牽引變電所牽引側裝設并聯電容補償裝置，目前普遍采用。牽引負荷對電力系統的影響和對策6）并聯電容補償在牽引變電所牽引側設計和安裝并聯電容補償裝置，既是減少牽引負荷諧波影響的一項措施，又是提高牽引負荷功率因數的一種對策。牽引負荷對電力系統的影響和對策電容器組1DR：用于無功補償，與串聯電抗器匹配，濾掉一部分諧波電流；串聯電抗器1DK：用于限制斷路器合閘時的涌流和分閘時的重燃電流。與電容器匹配，濾掉一部分諧波電流。防止并聯電容補償裝置與供電系統發生高次諧波并聯諧振。牽引負荷對電力系統的影響和對策在牽引變電所裝設可調并聯電容補償裝置，可以完善的、即時的綜合解決功率因數和諧波等問題。最有效的是SVC（靜止無功補償器），它是由TSC（晶閘管投切電容器）和TCR（晶閘管控制電抗器）組成，TSC實現粗調，TCR實現細調，由于TCR不僅價格較貴，而且解決諧波問題的效果不理想，故對電氣化鐵道而言，采用TSC比較適宜。牽引負荷對電力系統的影響和對策1）概述牽引網是一種特殊形式的單相工頻交流高壓輸電線路。直接供電方式牽引網的“一條導線”是接觸網，另“一條導線”是軌道和大地。牽引（或短路）電流的一部分經軌道流入大地，另一部分沿軌道流回牽引變電所。從地面來看，直接供電方式牽引網是一種極端不對稱的輸電線路，一方面，接觸網所帶高電壓將在鄰近空間產生高壓電場；另一方面，接觸網中流通的交流電流將在環繞其周圍空間產生很強的未被平衡的交變磁場，對沿線通信線路產生比較大的影響。牽引網對通信線路的影響和對策2）防護措施如果采用直接供電方式牽引網向電力機車供電，架空通信明線為了使感應的危險電壓影響限制在規定標準以內，一般需遠離電氣化鐵道1kM以上；而為了使雜音干擾影響限制在規定標準以內，則需離電氣化鐵道更遠一些。牽引網對通信線路的影響和對策通信線路可以采取以下措施防護：將架空通信明線改為高屏蔽電纜或光纜通信線路；將架空通信明線拆遷到交流電氣化鐵道影響范圍以外；在通信線路中加裝中和變壓器、低頻絕緣變壓器、幻通諧振變壓器等；在通信機械設備方面，采用增音站、諧振短路器、諧振分路器等；牽引網對通信線路的影響和對策電氣化鐵道可采用的防護措施：采用帶架空回流線的直接供電方式；采用自耦變壓器供電方式；采用吸流變壓器供電方式；采用同軸電力電纜供電方式；限制供電臂的長度；合理選用電力機車類型；牽引網對通信線路的影響和對策1）帶回流線的直接供電方式直接供電方式的特點是：供電回路的構成最簡單，工程投資、運營成本和維修工作量都少；但對鄰近通信線路的干擾影響嚴重，鋼軌電位比其它供電方式要高；為了保留直接供電方式的優點，克服其不足，在其結構上增設與軌道并聯的架空回流線，就成為帶回流線的直接供電方式，簡稱DN供電方式。可以減輕對通信線路影響的供電方式可以減輕對通信線路影響的供電方式他與直接供電方式相比，有以下改善：原來流經軌道、大地的回流，一部分改由架空回流線流回牽引變電所，其方向與接觸網中饋電電流方向相反，架空回流線與接觸網距離較近，因此，相當于對鄰近通信線路增加了屏蔽效果。牽引網阻抗和軌道電位都有所降低。可以減輕對通信線路影響的供電方式2）自耦變壓器供電方式自耦變壓器供電方式，簡稱AT供電方式。他不但是電氣化鐵路減輕對鄰近通信線路的干擾影響的有效措施之一，而且對牽引供電系統有較好的技術經濟指標。可以減輕對通信線路影響的供電方式工作原理

可以減輕對通信線路影響的供電方式T為接觸網，R為軌道，F為正饋線，沿供電臂接觸網架設。AT1，AT2為自耦變壓器，變比為2：1，其一端與接觸網連接，另一端與正饋線連接，中點與軌道連接，接觸網與軌道之間的線圈匝數為w2，正饋線與軌道之間的線圈匝數為w2，w1=w2。線圈W1與W2串聯（即一次側）接入電源，電壓為2U，即55kV，線圈W2（即二次側）接負載，電壓為U，即，兩臺自耦變壓器之間的距離稱為自耦變壓器間隔，一般為10kM左右。可以減輕對通信線路影響的供電方式列車位于AT2自耦變附近，假定自耦變壓器阻抗為零，則AT1被AT2旁路，列車獲取電流假定為I，則AT2自耦變壓器二次線圈w2的電流為I，AT2一次線圈W1+W2的電流為I/2，軌道R中電流為零，因接觸網和正饋線距離很近，流經電流大小相等，方向相反，兩者產生的交變磁場基本可相互平衡。可以減輕對通信線路影響的供電方式牽引變電所接線方式的特點

可以減輕對通信線路影響的供電方式兩臺三相V，v聯結牽引變壓器構成，每臺二次側的兩個繞組皆帶中點抽頭，即每個二次側繞組皆為兩相三線電壓系統。可以減輕對通信線路影響的供電方式牽引網的特點

可以減輕對通信線路影響的供電方式AT牽引網除了接觸懸掛、軌道和正饋線外，在我國還有保護線、橫向連接線、輔助連接線。保護線（PW）與軌道（R）并聯，同時在AT處采用橫向連接線實現軌道、保護線和AT中點的連接。設置保護線的目的主要為了避免將接觸網支柱的接地部分直接與軌道連接，以提高信號軌道電路的工作可靠性；另外，當牽引網發生短路故障時，又可為短路電流提供一條良好的金屬通道，便于繼電保護動作。可以減輕對通信線路影響的供電方式有時還在AT段中部對保護線和軌道作輔助連接(CPW)，其作用主要是降低軌道對地電位，計算表明，可降低軌道對地最大電位25%~30%。在雙線區段，將上、下行保護線實行橫向連接，可降低軌道對地電位50%左右。可以減輕對通信線路影響的供電方式AT供電方式的優缺點AT供電方式一個極為可貴的優點是，它無需提高牽引網的絕緣水平及可將供電電壓提高一倍。在相同的牽引負荷條件下，接觸網和正饋線中的電流大致可以減少一半。AT供電方式牽引網單位阻抗約為BT供電方式牽引網單位阻抗的1/4左右。從而提高了牽引網的供電能力，大大減小了牽引網的電壓損失和電能損失。牽引變電所的間距可增大到90~100kM，不但變電所需要數量可以減少，而且相應的外部高壓輸電線數量也可以減少，對鄰近通信線的綜合防護效果優于BT供電方式。可以減輕對通信線路影響的供電方式缺點主要是結構比較復雜，工程投資比較大，施工、維修和運行也比較復雜。可以減輕對通信線路影響的供電方式3）吸流變壓器供電方式吸流變壓器供電方式，簡稱BT供電方式。它是在牽引網中，每相距1.5~4km間隔，設置一臺變比為1：1的吸流變壓器，其一次線圈串接入接觸網中，二次線圈串接在回流線中。可以減輕對通信線路影響的供電方式

可以減輕對通信線路影響的供電方式吸--回裝置可使返回電流沿回流線流回牽引變電所，而不經由軌道和大地。從而把距離本來很大的接觸網—軌道大地回路，改變為距離相對很小的接觸網—回流線回路。而且回流線和接觸網中的電流基本上大小相等，方向相反。兩者的交變磁場基本上可相互平衡，顯著的減弱了接觸網和回流線周圍空間的交變磁場，使牽引電流在鄰近的通信回路中的電磁感應影響大大地減少了。可以減輕對通信線路影響的供電方式對牽引供電系統的不利影響牽引網阻抗增大，與直接供電方式相比較，BT供電方式的牽引網單位阻抗增大約49%，其中電阻部分增大約56%，電抗部分增大約48%。牽引網電壓損失增大，單位阻抗大大增加后，導致電壓損失也相應大大增加，嚴重惡化了供電臂的電壓水平。牽引網電能損失增大。降低電能損失的有效方法，除了增設一條與接觸網并聯的加強線外，還可以加大回流線截面。對接觸網運行產生不利影響。可以減輕對通信線路影響的供電方式

牽引網向電力機車供電的各種供電方式的吸流效果為：直接供電方式約為50%（單線區段）和65%（雙線區段），AT供電方式約為90~95%，BT供電方式約為96~97%。帶回流線的直接供電方式吸流效果比直接供電方式約增加10~20%。可見，在這些供電方式中，直接供電方式的吸流效果最差，即地中電流占接觸網電流的比例最大。地中電流1）牽引供電回路中的地中電流由于軌道和大地作為牽引電流回路的組成部分，所以大地中產生電流。地中電流是沿軌道逐漸入地，又逐漸流上軌道的。另一特點是接近軌道的地中電流密度大，遠離軌道的地中電流密度小。地中電流2）地中電流的近似計算經過一定的計算得出以下結論：在單線電氣化區段，軌道電流約為接觸網電流的一半強，地中電流約為一般弱；雙線電氣化區段，軌道電流約為供電臂上、下行接觸網總電流的2/3，地中電流約為1/3；地中電流一般不和軌道電流同相，軌道電流稍微超前于接觸網電流，地中電流稍微落后于電流；地中電流3）地中電流對地下金屬管道和電纜等的影響地中電流流經地下金屬管道和電纜時，會引起其金屬升溫，加速金屬腐蝕，并且產生電壓降，使金屬物出現對地電壓，當對地電壓超過規定值時，將危及人身安全。解決的方法是使用外皮對地絕緣的金屬，在受地中電流不良影響嚴重的區段，，站場或牽引變電所附近適當位置的牽引網中，安裝吸流變壓器—回流線裝置。地中電流1）供電系統設計的程序和內容設計階段電氣化工程項目。一般分三階段設計，初步設計、技術設計和施工圖。初步設計應根據批準的設計任務書編制，技術設計應根據批準的初步設計，施工圖應根據批準的技術設計編制。供電系統設計和運行的若干問題設計步驟接受任務：根據任務書，了解設計任務的政治、經濟意義，國家要求的輸送能力、電氣化范圍、牽引定數、機車類型、機車交路、通信信號方式和建設時間等。收集資料：經濟行車資料、線路縱斷面圖和車站地形圖、電力系統資料。現場調查研究：牽引變電所所址勘查，落實電源，主要電氣設備調查。方案比選：根據收資和調研結果，提出兩至三個方案，并推薦一個。供電系統設計和運行的若干問題設計內容確定主要設計原則。牽引變電所分布方案，牽引變壓器的聯結形式，牽引變電所的檢修運輸方式和牽引變壓器的備用方式，牽引變壓器容量，電力系統向牽引變壓器的供電方案，牽引網的供電方式，通信設計部門提供的電氣化鐵路沿線路內外通信線路的情況，為提高某些困難地段的牽引網電壓水平而采取的補償措施，無功及諧波補償方式，樞紐地區的供電方式，考慮與相鄰鐵路電氣化的關系，除了確定是否需要預留牽引變壓器的容量、臺位以外，還要考慮是否需要預留饋電線間隔等；供電系統設計和運行的若干問題方案比選。牽引變電所的布點合理性，牽引變壓器的選用容量及容量利用率，牽引網的最低電壓水平，牽引供電系統的電能損失，電力系統的送變電工程及投資，對電力系統及通信系統的影響程度，電氣化工程投資和運營費用等；供電系統設計和運行的若干問題提供資料。向牽引變電所專業提供的資料：牽引變電所、開閉所、分區所、自耦變壓器所在的位置，一次接線，變壓器容量和聯結形式，牽引變電所的饋線數量，開閉所、分區所、自耦變壓器所的進出線數量，供電臂的相序，串聯和并聯電容補償裝置的參數，饋電線繼電保護需要的供電臂瞬時最大負荷電流及相應的牽引側母線最低工作電壓，牽引網的短路電流，接觸網的電分相和電分段等。供電系統設計和運行的若干問題向接觸網專業提供的資料：接觸懸掛截面，加強線的截面和位置，有吸-回裝置的區段，吸流變壓器、回流線和吸上線的參數和位置，AT供電方式區段，自耦變壓器、正饋線和保護顯得參數和位置，牽引網短路電流，接觸網的電分相和電分段等。向通信專業提供的資料：對通信線產生不利影響的負荷電流和短路電流，供電臂最大負荷電流和列車平均電流，供電臂的相序等。供電系統設計和運行的若干問題設計方案的落實。征求運營單位（鐵路局）和電力部門的意見，與上述單位一起，對牽引變電所的場地和接線方式進行最后的落實工作，并與電力部門換文確定場地和接線。編制初步設計文件，參加初步設計鑒定。供電系統設計和運行的若干問題設計文件組成與內容初步設計總說明書包括：電力系統情況及對牽引變電所的供電方案牽引變壓器類型及備用方式牽引變電所向接觸網的供電方式按省劃分的用電量及需用功率供電方案的技術經濟指標負序電流對電力系統影響的估計供電系統設計和運行的若干問題無功補償方案及濾波措施牽引供電系統分冊包括：主要設計原則及技術條件供電方案電力系統方案比選集及技術經濟指標存在問題附件，有關協議、紀要及公文，圖紙目錄附圖，牽引供電設施示意圖，接觸網供電方式示意圖供電系統設計和運行的若干問題技術設計電氣化總說明書包括：電力系統對牽引變電所的供電方案各項補充計算無