电气化铁道牵引供电系统与运行课程设计报告.doc

电气化铁道牵引供电系统与运行课程设计报告电气化铁道牵引供电系统与运行课程设计指导手册 2013 届 动力系 系专业 电气化铁道技术学号 20134809 学生姓名 张程翔 指导教师 天津铁道职业技术学院 铁道动力系 2014-12-10评语：考勤（10）守纪（10）设计过程（10）设计报告（10）小组答辩（10）总成绩（10）电力牵引供电系统课程设计电气化铁道牵引供电系统与运行1课程设计指导手册1（一）、国内外电气化铁1（二）电力牵引供电系统概述12、牵引供电系统组成23、牵引供电系统的供电方式24、牵引网的供电方式55、接触网基本结构8(三）、牵引变电所供电方案及主接线设计81、外部电源供电介绍（电力系统电源情况、外部电源等级与供电方式）8(1)单母线接线9(2)单母线分段9 (3)单母线带旁路母线10(4)桥式接线：分外桥接线和内桥接线102. 牵引变电所110KV电气主接线11（四）设计过程121设计简介122.接线方式与计算122.1牵引变电所110KV侧主接线122.2牵引变压器27.5KV侧馈电线设计132.3变压器接线方式132.4变压器容量计算142.5绘制主接线图193.电能质量问题193.2功率因数低的治理203.3负序电流的治理203.4绘制变压器换相示意图20（1） 、国内外电气化铁路（2） 1、国外： 十九世纪二十年代，1825年世界上第一条铁路在英国建成。而后，1879年5月 31日在德国柏林举办的世界贸易博览会上，由西门子和哈尔斯克公司展出世界上第一条电气化铁路，迄今已有120多年的历史。目前，世界上共有68个国家和地区修建了电气化铁路，总里程已达258566km，约占世界铁路总营业里程（约120万km）的22.5%，承担世界铁路总运量的50%以上。也就是说仅占世界铁路总营业里程不到四分之一的电气化铁路承担着世界铁路总运量的一半以上的运输任务。 最初，电气化铁路都修建在城市近郊线路和一些工矿线路上。后来，随着工业的发展，才逐渐发展到城市之间和运输繁忙的干线铁路上来。 20世纪6070年代是世界电气化铁路发展最快的时期，平均每年修建达5000多公里。在此期间，工业发达的西欧、日本、前苏联，以及东欧等国家，运输繁忙的主要铁路干线实现了电气化，而且基本上已经成网。1964年10月日本建成世界上第一条高速电气化铁路-东海道新干线，以210km的时速令世人瞩目路发展历程及现状2、 国内： 我国铁路电气化事业起始于1956年。1961年8月宝成铁路（宝鸡至成都）宝鸡至凤州段电气化通车；1975年6月宝成铁路全线电气化通车，成为我国第一条电气化铁路。宝成铁路电气化后，该铁路的运能、运量大幅度的增长，推动了我国铁路电气化事业的发展。目前，电气化铁路已经占据了我国铁路发展的绝对主导地位。我国的电气化铁路正逐步向高速铁路发展，以2007年动车组的运行为标志，我国的电气化铁路将迈入世界先进行列。 自1961年8月15日，我国第一条电气化铁路宝成铁路铁路建成通车，到1980年底，共建成电气化铁路1679.6km，平均每年修建电气化铁路还不到100km，十一届三中全会确定了以经济建设为中心的基本路线。随着我国改革开放的不断向前推进，我国的电气化铁路建设有了较快的发展，在“六五”、“七五”期间共修建了电气化铁路5294.63km，平均每年修建已超过500km，到2005年，中国电气化铁路总里程达20000公里，截至到2008年10月，中国电气化铁路总里程已达26000公里。（二）电力牵引供电系统概述 牵引供电是指拖动车辆运输所需电能的供电方式。牵引供电系统是指铁路从地方引入220（110）KV电源，通过牵引变电所降压到27.5KV送至电力机车的整个供电系统。1、牵引供电系统特点、优点：、电力牵引的动力大，生产效率高、电力牵引节省能源，经济效益好、有利于优化生态环境，改善劳动条件、有利于铁路沿线实现电气化，促进工农发展、电气化铁路运输的成本费用低、缺点、基本建设投资较大。、对电力系统存在某些不利因素。因为牵引供电用电是单相负荷，将会在电力系统中产生较大的负序电流和负序电压，而且电力机车的功率因数较低，高次谐波含量较大等都会给电力系统造成不良影响。、对铁路沿线附近的通讯线路造成一定的电磁干扰。、接触网需要停电检修，要求在列车运行图中留有一定的天窗时间，在此时间内列车要停止运行。2、牵引供电系统组成主要由牵引变电所和牵引网两部分组成。主要作用是从电力系统取得电能，并送给沿铁路线运行的机车。牵引变电系统组成部分：高压架空输电线路牵引变电所接触网馈电线轨道回流线分区所（亭）3、牵引供电系统的供电方式单边区段：、单边供电单边供电是由一个区域变电所给1-2个牵引变电所供电，为保证供电可靠性，应采用双回路供电。单边供电的可靠性一般比双边供电和环形供电要差，而投资不会比环形供电和双边单回供电少。 、双边供电变电所两路电源由电力系统的两个方向送来。特点：电源来自两个区域变电所，给铁路供电的输电线是联络这两个区域变电所的通路。可以分为单回路供电和双回路供电。单回路供电比双回路供电投资省，但双回路供电比单回路供电可靠性更好。、环形供电是指若干个发电厂、地区变电所通过高压输电线路连接成环形电力网，而牵引变电所处于环形电力网系统中的一段环路之中。两边供电和环形供电比一边供电具有更高的可靠性和更好的供电质量。两边供电的优点是任一发电厂故障，电气化铁道的供电不会中断，环形供电则更为稳定，因此牵引变电所一次供电方式应尽可能采用两边供电或环形供电。牵引变电所的电源通常采用几种不同的供电方式。特点：牵引变电所在高压侧与一次系统联成环形网。供电可靠性好，但成本较高。国内现行电网模式中，有更高一级电网时，往往不再使低一级电网结环运行。、越区供电:越区供电的供电量大大伸长，如果列车运行数量相同的情况下，则延伸供电臂的末端电压就会大大降低，倘若低于电力机车允许最低工作电压时，将造成机车不能运行，这是不允许的。因此，越区供电只能保证客车或重要货车通过，是作为避免中断运输的临时性措施。 双线区段：、复线区段单边并联供电 复线区段单边并联供电时，复线区段同一供电区间的上、下行接触网由牵引变电所实施单边供电，同时在若干点或仅在供电分区末端将上、下行接触网并联起来。复线区段采用单边并联供电时，两相邻牵引变电所之间的供电臂分界点需设置分区所。在每个供电臂的末端，通过分区所的断路器等装置，将上、下行接触网联通电力机车通过上、下行接触网从一个牵引变电所取用电流，使分配到每条接触网中的电流减小，从而可以显著降低牵引网中的电压损失和电能损失，上、下行接触悬挂负载较均匀。 考虑到供电的方便与安全，复线区段的单边供电一般都采用上、下行同相并联供电方式。这种供电方式的缺点是开关设备、继电保护和倒闸操作比较复杂，但比双边供电方式简单。、复线区段单边分开供电复线区段单边分开供电时，复线区段同一供电区间的上、下行接触网由牵引变电所实施单边供电。这种供电方式不设分区亭，独立性强，开关设备、继电保护和倒闸操作比较简单。可用于运量小、坡道平缓且供电臂较短的场合。、复线区段双边纽结供电 复线区段双边纽结供电方式与复线区段单边并联供电方式相比，主要不同点在于双边纽结供电方式下，分区所的主接线由4台工作断路器接成四边形构成。其中2台断路器分别将两相邻牵引变电所之间毗连的两个供电臂上、下行接触网末端横向联通负责实现上、下行线路的并联供电；另外2台台断路器分别将两相邻牵引变电所之间的上、下行接触网纵向联通，负责实现两相邻牵引变电所之间的双边供电。 另外，电力机车通过分区所这个纽结点分4条接触网支路从两个牵引变电所取用电流，使分配到每条支路中的电流较小，从而比单线区段双边供电方式和复线区段单边并联供电方式，还要更显著地减小牵引网中的电压损失和电能损失，更好地改善牵引网电压水平，设备(接触悬挂、牵引变压器)负载也均匀。但是，断路器等设备及继电保护和倒闸操作更复杂，且可能有穿越电流或平衡电流流经牵引网，从而产生另外的电能损失4、牵引网的供电方式直接供电供电方式(TR)牵引网的供电方式直接供电方式较为简单，是将牵引变电所输出的电能直接供给电力机车的一种供电方式 优点：结构简单、投资省 缺点：由于牵引供电系统为单相负荷，该供电方式的牵引回流为钢轨，是不平 衡的供电方式，对通信线路产生感应影响大。回路电阻大，供电距离短 （十几公里）。BT（吸流变压器）供电方式这种供电方式，在接触网上每隔一段距离装一台吸流变压器（变比为1:1），其原边串入接触网，次边串入回流线（简称NF线，架在接触网支柱田野侧，与接触悬挂等高），每两台吸流变压器之间有一根吸上线，将回流线与钢轨连接，其作用是将钢轨中的回流“吸上”去，经回流线返回牵引变电所，起到防干扰效果。由于大地回流及所谓的“半段效应”，BT供电方式的防护效果并不理想，加“吸回”装置造成接触网结构复杂，机车受流条件恶化，近年来已很少采用。优点：钢轨电位低，一直通信干扰效果好缺点：增加牵引网结构的复杂性，提高造价。阻抗增大，是供电臂长度减小。 存在BT分段（火花间隙），不利于高速重载等大电流运行AT（自耦变压器）供电方式采用AT供电方式时，牵引变电所主变输出电压为55kV，经AT（自耦变压器，变比2:1）向接触网供电，一端接接触网，另一端接正馈线（简称AF线，亦架在田野侧，与接触悬挂等高），其中点抽头则与钢轨相连。AF线的作用同BT供电方式中的NF线一样，起到防干扰功能，但效果较前者为好。此外，在AF线下方还架有一条保护（PW）线，当接触网绝缘破坏时起到保护跳闸作用，同时亦兼有防干扰及防雷效果。显然，AT供电方式接触网结构也比较复杂，田野侧挂有两组附加导线，AF线电压与接触网电压相等，PW线也有一定电位（约几百伏），增加故障几率。当接触网发生故障，尤其是断杆事故时，更是麻烦，抢修恢复困难，对运输干扰极大。但由于牵引变电所馈出电压高，所间距可增加一倍，并可适当提高末端网压，在电力系统网络比较薄弱的地区有其优越性。 优点：供电电压成倍提高，牵引网阻抗小，供电臂距离长，为直接供电的 170%200%，网上电压损失和电能损失小。钢轨电位低，抑制通信干扰 效果好。 缺点：投资大，电流分布复杂，保护算法难度大直供+回流（DN）供电方式（TRNF）带回流线的直接供电方式取消BT供电方式中的吸流变压器，保留了回流线，利用接触网与回流线之间的互感作用，使钢轨中的回流尽可能地由回流线流回牵引变电所，因而部分抵消接触网对临近通信线路的干扰，其防干扰效果不如BT供电方式，通常在对通信线防干扰要求不高的区段采用。这种供电方式设备简单，因此供电设备的可靠性得到了提高；由于取消了吸流变压器，只保留了回流线，因此牵引网阻抗比直供方式低一些，供电性能好一些，造价也不太高，所以这种供电方式在我国电气化铁路上得到了广泛应用。这种供电方式实际上就是带回流线的直接供电方式，NF线每隔一定距离与钢轨相连，既起到防干扰作用，又兼有PW线特性。由于没有吸流变压器，改善了网压，接触网结构简单可靠。近年来得到广泛应用。同轴电力电缆供电方式同轴电力电缆供电方式是在牵引网中沿铁路埋设同轴电力电缆,其内部导体作为馈电线与接触网并联,外部导体作为回流线与钢轨并联的供电方式。这种供电方式由于投资大，一般不采用。5、接触网基本结构接触网是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路。其由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础几部分组成。接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索以及连接零件和绝缘子。接触悬挂通过支持装置架设在支柱上，其功用是将从牵引变电所获得的电能输送给电力机车。支持装置用以支持接触悬挂，并将其负荷传给支柱或其它建筑物。根据接触网所在区间、站场和大型建筑物而有所不同。支持装置包括腕臂、水平拉杆、悬式绝缘子串，棒式绝缘子及其它建筑物的特殊支持设备。定位装置包括定位管和定位器，其功用是固定接触线的位置，使接触线在受电弓滑板运行轨迹范围内，保证接触线与受电弓不脱离，并将接触线的水平负荷传给支柱。支柱与基础用以承受接触悬挂、支持和定位装置的全部负荷，并将接触悬挂固定在规定的位置和高度上。中国接触网中采用预应力钢筋混凝土、支柱和钢柱，基础是对钢支柱而言的。(三）、牵引变电所供电方案及主接线设计1、外部电源供电介绍（电力系统电源情况、外部电源等级与供电方式）外部电力系统电源情况过去我国牵引供电系统的电源电压等级一直采用110KV，均保证了安全、可靠供电。单高速电气化铁路犹豫牵引功率更大，110KV很难满足供电要求。为确保电力系统的安全，我国现在建的高速铁路都为220KV或者更高的电压等级。、外部电源等级电力网按供电范围的大小和电压的高低可分为地方电网、区域电网与超高压电网三种。地方电网一般指35KV、送点距离几千米。区域电网是吧地区发电厂联系在一起，输电距离达数百公里。超高压远距离送点网络主要由交流330500KV，或直流500KV或更高组成。、供电方式(1) 单母线接线单母线接线的每一回路都通过一台断路器和一组母线隔离开关接到这组母线双电源单母线接线上。优点：接线简单、清晰、设备少、操作方便、投资少、便于扩建，但可靠性较差。(2) 单母线分段：单母线分段：单母线分段接线形式，它是将单母线用分段断路器分成几段。（3）、单母线带旁路母线单母线分段带旁路母线接线由一组分段的主母线和一组旁路母线组成的电气主接线。作用：不停电的检修出线断路器。（4）桥式接线：分外桥接线和内桥接线内桥接线：母联在两台变压器开关的内侧，靠近变压器侧。外桥接线：母联在两台变压器开关的外侧，靠近进线侧。内桥：一般是桥开关自投。当进线失电，合桥开关。外桥可以装设进线互投和桥开关自投。桥开关自投和内桥不同在于动作逻辑。内桥要考虑变压器保护的动作，外桥一般不必考虑。 （5） 、双T接线也叫分支接线，它于外桥式接线相似，区别是用桥隔离开关代替了原来的桥断路器。双T型接线设置了桥隔离开关目的是当某一因故障或检修退出运行时，另一输电线路可借助桥隔离开关向两台变压器同时供电。2. 牵引变电所110KV电气主接线牵引变压器的分类按牵引变压器的联接方式分为单相联结；单相V，v联结；三相V，v联结；三相YN，d11联结和三相不等容量YN，d11联结；斯科特联结等。1、单相联结牵引变电所单相牵引变电所的优点：牵引变压器的容量利用率可达100%；主结线简单，设备少，占地面积小，投资省等。缺点：不能供应地区和牵引变电所三相负荷用电；对电力系统的负序影响最大；对接触网的供电不能实现两边供电。这种联结只适用于电力系统容量较大，电力网比较发达，三相负荷用电能够可靠地由地方电网得到供应的场合。2 单相V，v牵引变电所单相V，v牵引变压器的优点：牵引变压器容量利用率可达到100%；正常运行时，牵引侧保持三相，所以可供应牵引变电所自用电和地区三相负载；主接线较简单，设备较少，投资较省；对电力系统的负序影响比单相联结小；对接触网的供电可实现两边供电。缺点：当一台变压器故障时，一台必须跨相供电，即兼供左右两边供电臂的牵引网。3 三相V，v联结牵引变电所不但保持了单相V，v联结牵引变电所的主要优点，而且完全克服了单相V，v联结牵引变电所的缺点。最可取的是解决了单相V，v联结牵引变电所不便于采用固定备用即其自动投入的问题。同时，三相V，v联结牵引变压器有两台独立的铁芯和对应绕组通过电磁感应进行变换和传递；两台的容量可以相等，也可以不相等；两台的二次侧电压可以相同，也可以不相同，有利于实现分相有载或无载调压。为牵引变压器的选型提供了一种新的连接形式。4三相联结牵引变压器又简称三相牵引变电所。这种牵引变电所中装设两台三相,11NYd联结牵引变压器，可以两台并联运行；也可以一台运行三相NYd11联结牵引变电所的优点是：牵引变压器低压侧保持三相，有利于供应牵引变电所自用电和地区三相电力；能很好的适应当一个供电臂出现很大牵引负荷时，另一供电臂却没有或只有很小牵引负荷的不均衡运行情况；三相,NYd11联结变压器在我国采用的时间长，有比较多的经验制造相对简单，价格也叫便宜一次侧YN联结中性点可以引出接地，一次绕组可按分级绝缘设计制造，与电力系统匹配方便。对接触网的供电可实现两边供电。缺点主要是牵引变压器容量利用率不高。当重负荷相线圈电流达到额定值时，牵引变压器的输出容量只能达到其额定容量的75.6%，引入温度系数也只能达到84%。，另一台固定备用.（四）设计过程1、设计简介牵引供电系统是电气化铁路的重要基础,特别是高速铁路(含客运专线)在我国还处于起步阶段,缺乏实践经验,尚存在一系列难题。以前粗线条的牵引供电系统设计方法,已不能满足工程建设的需要。为了保证牵引供电的安全、可靠、高质和经济,必须要更新设计理念,改进设计手段,提高设计水平。本文通过深入研究高速铁路牵引供电系统设计中的不足,探讨适用于工程设计的新理论和新方法,研究满足未来发展要求的新型供电方式和供电设备,有利于提高我国电气化铁路牵引供电系统的整体水平,也为结合国情进行自主技术创新奠定了一定的基础。接线方式与计算2.接线方式与计算单线铁路等级：客运专线，正线数目：双线速度目标值：远期最高速度250KM/h，近期最高运营速度200KM/h；中速列车160KM/h，货车最高速度120KM/h；最小曲线半径：5000m；正线线间距：一般为4.6KM；到发线有效长度：1050m，双机1080m，牵引种类：电力；机车类型：客运：高速列车，动车组；中速列车，SS9，2.1牵引变电所110KV侧主接线一般采用桥式联结，带断路的横向母线称为连接线，当桥式连接的两回路电源线路接入电路系统的环形电网中时，桥断路器常处于闭合状态。2.2牵引变压器27.5KV侧馈电线设计一般采用单母线接线、隔离开关分段的单母线接线和隔离开关分段带旁路母线的单母线接线。2.3变压器接线方式1 单相结线变压器 2 单相V,v结线变压器 3 单相V,v结线变压器（三相）4 三相YNd11双绕组变压器 4斯科特结线变压器2.4变压器容量计算牵引负荷计算是确定牵引变压器安装容量的前提。 根据设计要求牵引变电所采用双线区段上、下行并联供电主变压器采用固定备用方式。与主变压器容量计算相关的原始资料如下 供电臂1n=3.8, N=60对/天非=85对/天 供电臂2n=3.5, N=60对/天非=85对/天 其中表示区间数表示计算列车数非表示最大列车数。供电臂1、2平均电流的计算 首先计算供电臂1、2的基本参数。 双线区段上(下)行供电臂列车平均电流 (3-1)式中上下列车在供电臂内上(下)行方向的全部运行时间(min)。 上下列车在上下内的能耗(kVAh)。上(下)行供电臂同时存在的平均列车数即 (3-2) 式中，N上(下)行供电臂的列车对数(对/日) T为全日时间即1440min。 (3) 上(下)行供电臂列车用电平均用电概率即 (3-3) 式中上(下)行供电臂列车用电运行时间。供电臂 1,2的平均电流 (3-4) 供电臂1 供电臂2： 按以上计算出的基本参数可计算供电臂1、2的平均电流。从而可得 供电臂1：供电臂2： 变压器容量的计算 本设计采用单相V，v接线变压器其两台单相变压器计算容量分别为 S1=UI v e=UI1e(KV A) S2=UI v e=UI2e (KVA) 因此： S1=27.5793=21807.5(KVA) =21.8(MVA) S2=27.5657.03=18068.325(KVA) =18.1(MVA) 2、5绘制主接线图3、 电能质量问题 (1）产生较大的负序电流注入电网，导致电力系统三相不对称；（负序）（2）在使用交-直电力机车的情况下，其产生的高次谐波使电网电压博兴发生畸变，导致电网电能质量严重下降；（谐波）（3）牵引负荷的功率因数低，不仅是牵引变电所主变压器发生供电设备能力不能充分利用，更主要的是对电力系统发电，变电设备产生严重不良影响3.1谐波的治理节能工作已成为各单位的重要工作。从上面对电力谐波治理的工作原理可以看出，电力有源滤波设备可以对电气设备产生的各种类型谐波进行有效的滤波，使得电网净化。降低电流波形畸变包括高频电流在电路和电气设备中的损耗，实现节能目的。采用电力谐波滤波方法, 不同于普通高频滤波方法, 其工作原理是将校正前电流高于标准正弦波能量部分存储在电感和电容内, 当校正前电流低于标准正弦波电流时, 释放出存储在电感和电容中的能量来填充不足的部分,在能量储存和释放过程中, 能量损失较小(仅开关器件转换能量损失和部分器件的热损耗)。而采用普通高频滤波电压跟踪削除电压毛刺的方法, 是将高频干扰的能量通过压敏器件将此部份能量泄放到中性线或地线, 将此部份能量浪费掉, 因而采用消除谐波滤波方法的节能效果更高于普通高频滤波的方法，而普通高频滤波的方法并不能解决频率很低且能量很大的50次以内工频谐波造成的谐波电流波形校正问题。用改善波形实现节能的效果问题, 是一个与当前谐波电流大小、电网阻抗特性和负载性质复杂相关的问题，其节能效果很难准确预测, 其节能主要来源于电力线路损耗、变压器接触器类感性元件的线损和铁损、电容器件的介质损耗等等