交流电气化铁路供电系统.ppt

电气化铁道牵引供电系统,ThePowerSupplySystem,绪论,我们国家的铁路发展大致分为三个阶段：一、电气化铁路的组成电气化铁路的牵引动力是电力机车，它本身不带能源(非自己性)，必须从外部电源和牵引供电系统获得电能。电气化铁路除了一般的铁路线路、车站、通讯、信号等设施外，还包括特殊的牵引供电系统、电力机车以及相应的运行、维修和管理单位(供电段、电力机务段、电力调度及其主管部门)。,蒸汽牵引蒸汽机车(烧煤),内燃牵引内燃机车(柴油),电力牵引电力机车(电能),二、我国电气化铁路发展概况1.电流制与额定电压根据电流形式：,2.发展概况国外:1881年巴黎有轨电车1895年美国直流制电车600V1897年德国电气化铁路我国：1961年宝凤线(宝鸡凤州)第一条电气化铁路1986年大秦线(大同秦皇岛)第一条开行重载单元双线电气化铁路1995年干武线(干塘武威)第一条沙漠电气化铁路1997年广深线(广州深圳)第一条准高速电气化铁路平均时速160公里2002年秦沈线(秦皇岛沈阳)第一条高速客运专线最高时速318公里,3.牵引供电系统设施的发展(1)牵引供电系统向电力机车供电的方式直接供电方式(DF)Directfeeding带回流线的直接供电方式(DN)自耦变压器供电方式(AT)Auto-Transformer吸流变压器供电方式(BT)Booster-Transformer(2)牵引变电所主变压器的主结线型式YN,d11接线广泛应用于DF和BT方式单相V,V接线斯科特(Scott)广泛应用于AT方式YN,d11,d1三相结线等等。,(3)断路器：少油、多油、SF6、真空断路器。(4)继电保护(5)接触网悬挂方式(6)调度方式(7)检测技术4.电力机车的发展三、电气化铁路的优越性与存在的问题1.优越性：重载、快速、大容(运)量、节约能源、经济效益好、无污染。2.存在的问题：对沿线通信线路有干扰。四、主要内容(一)电力系统及牵引供电系统概述,(二)牵引变电所1.主变压器的结线方式2.主变器的容量计算和选择3.供电方式和供电回路4.变电所换相联接5.牵引变电所电压损失(三)牵引网1.牵引网阻抗2.牵引网电压损失3.牵引网电压改善的方法(四)牵引网对通信线路的影响,专业课与基础课的差别：1.工程应用和理论性2.精确与粗略3.逻辑推理与模糊推理,第一章供电系统的结构、原理与电力机车的相关知识,1.1电力系统与电气化铁道供电系统一、构成1.电力系统是一个包括发电厂、输电(线)、变电、配电、用电装置的完整工作系统。,牵引变电所:把电力系统供应的电能变换成适合电力机车牵引要求的电能。馈电线:连接牵引变电所和接触网的导线。它将牵引变电所变换后的电能送到接触网。接触网:是一种悬挂在轨道上方，沿轨道敷设的、和铁路轨顶保持一定距离的输电网。通过电动车组的受电弓和接触网的滑动接触，牵引电能就由接触网进入电动车组，从而驱动牵引电动机使列车运行。轨道:在非电牵引情形下只作为列车的导轨。在电力牵引时，轨道除仍具有导轨功能外，还需要完成导通回流的任务。因此，电力牵引的轨道，需要具有良好的导电性能。,回流线:是连接轨道和牵引变电所的导线。通过回流线把轨道中的回路电流导入牵引变电所的主变压器。牵引网:通常将接触网、馈电线、钢轨回路(包括大地)和回流线称为牵引网。牵引变电所和牵引网构成牵引供电系统。专用高压输电线路和牵引供电系统称为电气铁路供电系统。,牵引变电所一次侧的供电方式：(1)单边供电：电能由一个方向送来,(2)两边供电：就是牵引变电所的电能由电力系统中两个方向的发电厂送来。(3)环形供电：若干个发电厂、地方变电所通过高压输电线连接成环形的电力系统，牵引变电所处于环形电力系统的一段环路之中。二、电力系统的参数和短路容量1.电力系统参数(1)发电机次暂态电抗：指突然短路时发电机表现出来的电抗的初始值。同步发电机在电力系统中，相当于一个电势与电抗串联的有源支路。在发生短路时，有一个过渡过程，突然短路的瞬间为，称为次暂态电抗。,过渡过程反映出来的为，称为暂态电抗；达到稳态时，为同步电抗。通常在供电系统短路分析和计算中，由于本身分析的是次暂态过程，并且关心的是短路电流最大值，所以总是以次暂态电抗作为同步发电机的电抗进行分析计算。负序电抗：对负序电流表现出来的电抗。(2)变压器短路阻抗：以双绕组变压器为例，当一个绕组接成短路，另一个绕组中产生额定电流时所加的电压叫短路电压，常以额定电压的百分数表示，此时表现出来的阻抗为短路阻抗。,特点：(1)电抗百分值与其阻抗电压百分值相等。,(2)单相变压器与三相变压器电抗百分值相同。(3)三相变压器和接成三相的单相变压器，其负序电抗和正序电抗相等。(4)三绕组变压器的等值电抗还与高、中、低压绕组的排列有关。三绕组变压器中通常给出短路电压百分值为：，是指一绕组开路，另外两绕组按双绕组变压器关系得到的。若以分别表示三绕组变压器高、中、低压的短路电压百分值，则有：,联立得：,排列方式不同，绕组间漏抗不同，其短路电压也不同。,(3)输电线的常用参数架空输电线电抗主要与线路长度有关，与截面积、电压等级关系不关。单位长度电抗：d三相导线相互间的距离，距离不等时取-导线的等效半径。,2.短路容量电力系统的短路容量是选择牵引变电所110kV开关设备所必须的，也是估计电力系统的负荷能力的重要依据。它主要是指电力系统在牵引变电所进线点(通常称负载点)短路时的短路容量。把电力系统元件的电抗归算到同一基准容量(100MVA)便可由等效发电机原理，得出电力系统到进线点的总电抗的标么值。,1.2牵引变电所一、概述我国现行的牵引变电所供电方式绝大多数为三相-两相制式。对于三相YN,d11或V,v接线的牵引变电所，次边两相电压的相别是原边三个相(或线)电压三中取二的某种组合；而对于平衡变压器，经变压器的变换，次边形成大小相等而相位相互垂直的两相电压。从广义角度上讲，牵引变压器原次边之间除了有电压的变换外，还有电流和阻抗变换，可称为系统变换。通过这种变换，可以获得变换到一次侧的牵引变压器、牵引负荷的等值电路模型，或变换到二次侧的电力系统、牵引变压器的等值电路模型。,二、三相YN,d11接线牵引变电所目前在三相牵引变电所中大多采用的是110KV油浸风冷式变压器，该牵引变压器的接线采用YN,d11标准联结组。1.原理电路图及展开图a.原理电路图,（）内符号表示端子号，大写为原边，小写为次边其中绕组(ax)，(cz)为负荷相绕组；绕组(by)为自由相绕组,b.展开图为分析的直观与方便，更常见使用YN,d11接线牵引变压器的展开图。画展开图有如下约定：(1)为施工和运行安全起见，统一规定次边绕组的(c)端子接钢轨和地；(2)原、次边对应绕组相互平行；(3)原、次边每相绕组的同名端放在同一侧；由此，先画次边，后画原边，可作出展开图。(4)画成“，”形式,如约定次边绕组的(a)端子放在图左边，(b)端子放在图右边，则得展开图(图1),反之则得展开图(图2),图1,图2,简单讲就是：对于原边：电压U首端为正尾端为负；电流I首端流入，尾端流出。对于次边：电压U首端为正尾端为负；电流I首端流出，尾端流入。,2.电压、电流相量的规格化定向在牵引供电系统分析中，对所有牵引变压器均采用规格化定向。,规格化定向的具体含义：,(1)原边绕组电压、电流采用电动机惯例定向，即牵引变压器从电力系统吸收电能。,(2)次边绕组电压、电流采用发电机惯例定向，即牵引变压器是次边负荷的电源。,(3)负荷吸收正功率。,就某一YN,d11接线牵引变电所而言，规格化定向还应注意以下两条：(1)原边绕组电压与实际进线电压相别一致；(2)次边绕组按同名端与原边绕组电压一致；通常，完成电压定向后(先原边，后次边)，先标次边电流，再标原边电流。这种方法不仅方便于单个变电所的电气分析，也方便多个变电所的相量图和相量分析。下标确定原则：(1)电流、电压相量的下标表示其实际相别，与绕组端子号无关。(2)臂负荷的电压相别与其对应的工作绕组相别一致。,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,次边电压、电流相量图：,将负荷端口电压相比较，引前120者称为引前相；另一为滞后相；另一端口(无负荷)为自由相。,(以为参考相量),，分别表示负荷La、Lb的功率因数角。,3.绕组电流与负荷端口电流的关系,仍以上图所示电路进行讨论。电力系统的电源电压和短路阻抗、牵引变压器的绕组漏抗归算到二次侧的等值电路如图：(假设电力系统三相电压正序对称，阻抗平衡),ZS电力系统总电抗折算到次边ZT变压器短路阻抗,视负荷La、Lb为电流源(替代定理)，应用叠加原理：(1)仅有A相作用时,即作用，令，做出等值电路。,(2)同理：仅有B相作用时，即作用，令作出等值电路。,可得：,+,、共同作用时,现假设:Ia=Ib=I，,可画出YN,d11变压器次边三相绕组电流相量图：,36.8,36.8,，选为基准相量,结论：由以上分析可知(当两负荷端口电流大小相等时):(1)两负荷相绕组电流相等，等于供电臂负荷电流的2.65/3；(2)自由相绕组电流是两负荷相绕组电流的1/2.65，即0.378倍，等于供电臂负荷电流的1/3。(3)两负荷相绕组称为重负荷相绕组(又称臂绕组或接地相绕组)，自由相绕组称为轻负荷相绕组(又称非接地相绕组)。,4.YN,d11归算到负荷端口的等值电路模型,5.YN,d11变压器额定利用率变压器额定利用率K定义为K=(额定输出容量/额定容量)X100%以归算到负荷端口的等值电路模型为例，分析可得K=75.6%6.备用方式有移动备用和固定备用两种。,1.根据所给三相YN,d11结线牵引变电所的原理图画出其展开图，并按规格化定向标出原次边电压、电流以及负荷端口电流、电压。2.以引前相电压为基准，计算次边绕组电流。3.画出次边绕组电流、电压相量图，负荷端口电流相量图。,两供电臂负荷功率因数相同，均为,三、单相牵引变电所单相牵引变电所,纯单相牵引变电所,V,v接线牵引变电所,牵引变电所装设两台单相结线牵引变压器，作V,v接线。V,v接线牵引变压器原边接入电力系统的两个线电压。次边各有一端分别接到牵引侧的两相母线上，各有另一端与轨道及接地网连接。,1.原、次边电流关系,2.额定利用率当Iab=Ibc=Ie时，额定输出容量：S=IabUe+IbcUe=2UeIe额定容量：S=2UeIe所以，K=100%3.跨相供电当一台变压器因故停电时，另一台变压器必须跨相供电，即兼供左右两边供电分区的牵引网。4.优、缺点,四、三相-两相牵引变电所1.概述：这种牵引变电所中变压器为三相两相平衡变压器。在电力系统中对称和平衡是有区别的：平衡“0序”，即无“0序分量”称为平衡，否则为不平衡对称“负序”，即无“负序分量”称为对称，否则为不对称而电气化铁道牵引负荷通过特定接线的牵引变压器不会在电力系统中产生“0序分量”，但通常都会造成负序分量。因此，从三相系统看，牵引负荷是平衡而不对称的。也正因为这个特点，电气化铁道正常运行时不考虑“0序”，只考虑负序，又把对称变压器称为平衡变压器，目的都是消除或削弱负序。,由两台单相变压器构成。变压器的原边绕组联成倒T形接入三相电力系统，副边绕组联成相位差为90的V形，公共端接地和钢轨，两个开口端分别接入接触网相邻的两区段，相邻两接触网对地电压相位不同，故相邻两接触网区段必须用分相绝缘器断开。,2.Scott变压器结线牵引变电所,(1)原、次边电压关系及变比关系,(M)座变压器的绕组原边接入电力系统AB相(线电压)，(T)座变压器绕组原边一端接(M)座绕组的中点D，另一端接入C相。,分析：以原边相电压为参考相量，则：(T)座原边电压为：,(M)座原边绕组匝数是(T)座的，而副边匝数相等()。(M)座变压器变比(T)座变压器变比:由于(M)与(T)两变压器原边电压的关系对应于等边三角形底边和高的关系，故通常称M座为底变压器，T座为高变压器。,(2)原、次边电流关系列写电流和磁势平衡关系式：原边电流：若副边两相牵引负荷电流相等时，且M、T两供电臂功率因数相等时，以为参考相量：列磁势平衡方程：,将代入得：,结论：在M、T两供电臂负荷电流大小相等、功率因数相等的条件下，Scott牵引变压器原边三相电流大小相等，相位互差120，即原边三相电流对称。(3)Scott变压器容量利用率达到额定输出时，即，此时变压器额定输出容量：变压设计容量：,3.阻抗匹配平衡变压器所谓平衡变压器必须满足：(1)无论二相侧(负荷侧)负荷状况如何，三相侧(系统侧)均无零序电流。即三相侧电流为“平衡系”；(2)当二相侧两臂负荷相等时，三相侧负序电流为零。即三相侧电流为“对称系”。这里介绍的阻抗匹配平衡变压器就是在普通YN,d11接线变压器的自由相上增加两个绕组。这种结构是目前现有平衡牵引变压器中最简单的。使副边内各绕组阻抗满足阻抗匹配原则，从而使原边平衡，即三个绕组阻抗满足:Zab=Zbc=Zac,(1)接线图:原边接线与普通YN,d11接线变压器的原边情况完全相同；次边三角形接线结构有所改变，即在非接地相增设了两个外移绕组：和。(c)端子仍接地。、两端分别接到牵引侧两相母线上。由两相牵引母线分别向两侧对应的供电臂供电。,(2)电流关系：,次边绕组电流与负荷端口电流关系为：,由磁势平衡方程得:原边三相电流与负荷端口电流关系为：,当次边两相均载时，都等于I2时，有：,(3)电压关系：,(4)变比关系：(5)变压器容量利用率：额定容量：S1=3U1相I1相额定输出容量：,阻抗匹配平衡变压器的特点：1.阻抗匹配平衡变压器的原边仍为YN接法，引出中性点，与现有110kV或220kV系统匹配方便。2.阻抗匹配平衡变压器的副边仍有接线绕组，三次谐波电流可以流通，确保主磁通和电压波形有良好的正弦度。3.容量利用率显著高于YN,d11接线变压器。4.次边时，原边三相电流为平衡系；次边时，原边三相电流转化为对称系。对牵引负荷来说，任何时刻都满足的概率是很小的，尽管如此，阻抗匹配平衡变压器原边三相电流的不对称度较YN,d11牵引变压器仍有明显改善。5.原边三相制的视在功率完全转化为次边二相制的视在功率。,不对称度K与牵引负荷比m的关系曲线,自学：1.3牵引网1.4电力机车的相关知识要求：交学习报告，内容重点放在“列车电流曲线和列车能耗”。回答以下问题：1.电力机车特性的要求2.直流串励电动机特性3.直流串励电动机的调速方式4.为什么电力机车要采用直流串励电动机？,一、电力机车简况及其牵引特性交流电力机车因主电动机和种类而异。a.接受交流电后变换为直流利用直流电动机运行b.直接将交流降压后利用交流整流子电动机运行目前多采用的是将交流变换为直流后利用直流串励电动机运行。1.电力机车特性的要求：电力机车出发时，速度为零，需要很大的力；要求起动加速力大。充分利用牵引电动机容量；列车轻载时，运行速度高；重载时，运行速度低。2.直流串励电动机特性：起动转矩大，过载能力强。当负载转矩增加时，电动机转速会自动下降。即低速时所需转矩大，高速时所需转矩小。,第二章牵引变电所容量计算和选择,2.1列车电流曲线和列车能耗一、列车电流曲线和列车能耗列车运行状态：起动、加速、惰行、制动等列车电流曲线与列车运行的状况有关。1.牵引电流曲线(i-t曲线)电流曲线是列车运行曲线的一种，列车运行曲线有：a.列车运行速度v与列车走行距离的关系，v=f(l)b.列车取用电流i与列车走行距离的关系，i=f(l)c.列车走行时间t与列车走行距离的关系，t=f(l)d.列车取用电流i与列车走行时间的关系，i=f(t)由a、c以及电机特性i=f(v)三条曲线可得出i=f(l)和i=f(t)。,2.列车电流及能耗的计算利用i=f(t)曲线计算列车电流及能耗。将时间0,区间划分为n个间隔，每一等份为t(分钟)，则每个时刻都有对应的取流(i)的数值，=nt电流平均值：平均电压U=25kV列车用电平均功率：列车能耗为：,2.2计算条件一、计算列车数N的计算条件,查近期按调运量计算，考虑波动性和储备能力,远期按国家要求的输送能力计算，考虑储备能力,国家规定的需要输送能力接近线路输送能力时，按线路输送能力计算；若低于线路输送能力的一半时，可按2倍需要输送能力计算。不考虑波动和储备系数,当采用近期运量计算时：当需要输送能力接近线路输送能力时：当需要输送能力低于线路输送能力的一半时：,二、列车用电量的计算条件对于不同类型的列车，都按满载货物列车考虑。当电力牵引的旅客列车数比例较大时，或上、下行方向空载车数比例很大时，也可分别按实际的客、货、空列车的用电量计算。三、牵引变压器校核容量的计算条件按其最大容量的需要来确定，应计算最大列车数：Nmax(N非)。,2.3馈线电流一、列车电流列车瞬时电流:指列车电流的即时有效值(h=1,2,n,h为供电臂内运行的列车数)。列车平均电流:指列车在计算区段运行时间内，列车瞬时电流的平均值；即：列车用电平均电流:指列车在计算区段内运行时，在用电运行时间内，列车瞬时电流的平均值；,列车电流的平均值：而列车取电平均电流为：考虑列车正常运行时的自用电7A：,列车取电走行时间内有效电流：令，为机车取流有效系数一般通常取即：列车在供电分区带电运行时的有效电流等于其平均电流与有效系数的乘积。,二、馈线电流的计算(1)原始数据：,(2)馈线日平均电流由已知的原始数据：所以，我们可由上、下行的牵引能耗、上下行的带电运行时间；或由上下行的即时有效电流、总运行时分、带电运行时分计算得到列车上下行带电平均电流。,对全日T，24h=1440min来说，上行有N列，下行有N列，则上、下行平均电流为：所以日平均馈线电流(单、复线不影响此计算方法),当N对列车运行情况相同时(同型号机车，同重，同速)即P(N对列车作用时)馈线全天带电概率Ig每列车通过全区的全日平均带电电流tg每列车通过全区带电时间(min),(3)馈线电流有效值假定：1.各区间日平均电流相同，即：Ig(k)=Igz2.各区间全日带电时分相同，即：Tg(k)=Tgz那么：各区间日带电概率也相同，即：,2.4正常运行时牵引变压器容量计算正常运行和紧密运行时相对而言的，一般按全日平均有效电流选择变压器。1.三相牵引变电所计算容量取决于重负荷绕组的有效电流。所以变压器计算容量(按正常运行考虑),已知：复线牵引变电所一供电分区：列车能耗：上行161KVAh，下行1000KVAh；给电运行时分：上行2.3min，下行17.8min。全日列车对数N=78上行一列，下行三列给定另一臂有效电流计算：三相牵引变电所的变压器计算容量。,2.单相变压器按馈线有效电流（全日平均）I(Tr)计算若由两臂合成到馈线，则例：已知IR=180A，IL=200A，KF=1.35，求单相变压器计算容量。,2.5紧密运行牵引变压器容量计算紧密运行：线路行车中不可避免的短时间高峰运输。馈线电流计算方法：以紧密运行时全天运行密度N代替以上公式中的N即可。N确定：复线：上、下行均按10min(或8min)为间隔连发即每天144对列车或每天180对列车,单线：经验公式：由此可得馈线电流，进而可得变电所容量,2.5牵引变压器容量选择牵引变压器容量计算是为了确定变压器的安装容量和台数。一般分为两个步骤：首先按给定计算条件算出变压器为供应牵引负荷所需的容量，称为计算容量；然后，考虑其它因素(如备用方式、变压器实际规格等)选出的容量为安装容量或设计容量。,原则：主要干线：1.应考虑近期、远期运量；2.满足正常运行要求，S安装S计正常；3.紧密运行时，变压器允许超载30%，并持续工作2小时，S安装S计紧密/1.3；4.并列运行变电所，当变电所故障时，一台主变退出工作，另一台主变允许超载23%，能满足正常运行要求，并持续工作2小时，S安装S计正常/1.23。非主要干线：按正常运行计算容量选择，允许超载30%，并留有一定裕度(50%)，S安装1.5S计正常/1.3。,计算：1.变电所S正常、S紧密；2.变电所容量=maxS正常，S紧密/1.3，考虑过载30%；3.对于并列运行变电所，需校验单台变压器能否满足正常运行。例：主要干线三相索引变电所变压器紧密运行计算容量34900KVA，正常运行计算容量16600KVA，试选择三相牵引变电所安装容量。,第三章牵引网阻抗计算,目的：1.确定牵引网电压损失以校验运行时网压水平。2.计算短路阻抗、短路电流，进行保护整定。3.应用于故障测距。4.确定牵引网功损。3.1牵引网简介3.2牵引网导线参数一、牵引网电阻(指交流电阻)非铁磁质导线(铜、铝)：铁磁质导线(铁、钢轨)：式中：R0-等效半径(mm)；K-多股绞线：1.59，单根：1,二、当量半径常用参数：1.接触线、承力索、加强导线2.钢轨轨道的情况比较复杂，因为不但它是铁磁材料制成，而且由于部分电流沿轨道逐渐泄入大地，因而使轨道中电流的值沿轨道方向变化。因此轨道有效电阻的计算，通常采用经验公式。单条轨道的有效电阻：,考虑单线区段，两条轨道并联，所以由上述钢轨构成的单线轨道网，其有效电阻为：钢轨的计算半径等于轨高的一半，其当量半径可按经验公式计算：,3.3钢轨电流与地中电流一、计算轨道电流和地中电流的意义：1.确定牵引网电路模型2.计算对通信线路的影响,二、分析分析中假设：1.轨道是一个非线性网络，分析时假设其为线性网络。2.视轨道为参数均匀的无限长导线。分析：在0xl内的由均匀传输线理论，在x正方向上有：,分布参数使发生变化：式对x取一次导数，得：将式代入，得,1,1,通解：,根据边界条件求解A，B：1.在钢轨回流处x=0,1,2.在机车处：x=l,2,联立两式得：,牵引网模型简化：,Z1接触网地回路（有源网）自阻抗Z2钢轨网地回路（无源网）自阻抗Z12接触网地回路与轨道地回路互阻抗问题变为：Z1、Z2、Z12如何求？,3.4Carson理论(卡尔逊理论)在象接触网这种架空线路的计算中，常常要涉及所谓“导线地”回路，在这种回路中，电流经过导线之后而从在地返回。这种回路的阻抗参数计算与分析一般比较复杂，因为它和电流在地中的分布等许多因素有关。Carson理论认为，这种导线地回路中的大地可以用一根虚设的导线来代替。理论证明，这一距离与大地的电导及电流的频率有关。由这一等值的导线模型出发：1.导线地回路的参数即可按普通双导线的计算公式确定。2.对于两根及以上的导线，亦可用同样多的导线地回路代替。,根据Carson理论，所有地中电流的返回路径都可用一根虚设的导线来表示。为求得回路阻抗参数需用到两个基本参数。1.单导线以大地为回路的自阻抗系数；2.两根导线以大地为回路时的互阻抗系数。,一、两根长导线组成的单相回路导线当量半径分别为R1、R2，导线间距离为d，则根据电磁场理论可得出回路单位长度的电抗值。当导线1、2中通过电流I时，如果导线1和2组成的回路中每单位长度的磁链为，则该回路单位长度的电感就是L=/I，现在回路的磁链由两部份组成，一是导线1中电流产生的磁链1：导线1产生的磁场，由直长导线产生的磁场在离导体x处的磁场强度为：对应的通量密度：,磁场在导线1单位长度上产生的磁链：导线2产生的磁场只在离导线2的d以外的空间同导线1交链。导线2的电流为-I，导线2在导线1上产生的磁链：导线1单位长度上的总磁链：,同理，另一部份导线2中电流产生的磁链：所以回路中总磁链：,所以单位长度电抗值为：,小结：导线地回路自阻抗和互阻抗的计算：在Carson理论下，原电路等值为：,3.5单线牵引网阻抗计算一、先讨论一个最简单的例子牵引网由一根接触线和一根钢轨组成,二、单线牵引网阻抗计算的一般方法1.并联导线地回路等值导线当量半径的计算以3个导线并联地网为例：求：3个导线地回路并联后等值导线的当量半径假设：三条线上电流分布规律为：,推广到n个并联导线地网,2.两个导线地回路系统等值距离D设系统I、II均由两个并联导线地回路构成。假设：至少有一个系统电流均布在各导线上。,推广至一般，系统I、II并联导线地网数分别为m、n，则,3.6复线牵引网等值阻抗的计算特点：1.上、下行牵引网在供电分区末端并联2.所有平行钢轨并联3.复线牵引网等效为三个导线回路上行牵引网地回路(I)下行牵引网地回路(II)钢轨网地回路(III)无源网络为分析上、下行牵引网中电流分布、压损计算等等，上、下行牵引网不能合并为一根导线。因为上、下行运营情况不同，上、下行列车位置及取流不同。,有源网络,等值牵引网电路图：,上、下行牵引网自阻抗为：互阻抗为：,第四章牵引供电系统的电压损失,4.1牵引网的电压损失一、国家对牵引网电压的要求：牵引变电所输出侧电压额定值：U1N=27.5kV牵引变电所输出侧电压最大值：U1max=29kV受电弓电压额定值：U2N=25kV受电弓电压最小值：U2min=20kV,二、牵引网的电压损失1.电压损失的定义将U1-U2定义为电压损失，用U表示，即：前面讲了要分析U2，由上式有U2=U1-U，因此必须分析U。,2.电压损失U的分析：条件：已知牵引网单位长度阻抗Z=r+jx(/km)，线路长度l，负荷的电流I及功率因数角为。分析：U与Z、I、之关系。分析方法：相量图法由电路的KVL有：,画相量图：,式中：-称为牵引网单位长度等效阻抗,1,2,三、单线牵引网中电压损失的计算在供电计算中，一般只需计算最严重的运行条件下的最大电压损失。1.计算条件：,1.供电分区每个区间均有一列取流列车,2.供电分区中每个区间的列车都在区间远端运行,其中：最远区间的列车在区间远端起动,运行列车取列车平均电流，起动列车取最大电流,I1、I2、I3各车运行时的平均电流I4q列车最大电流I4qI4,二、计算方法设单线牵引变电所供电分区共有4个区间，牵引网中的最低电压出现在供电分区远端的列车受电弓上，因此只需计算供电分区远端的列车受电弓上的电压损失，表示为,根据电压损失计算公式：,推广至一般：设有n个区间，则其中称为电流矩结论：单线牵引网中的最大电压损失，等于总电流矩与牵引网单位长度等效阻抗的乘积。,根据概率计算的结果得出的牵引网电压损失计算条件,注：当供电臂列车用电概率较小时(3个区间p0.35，4个区间p0.25)，则表中3、4两项中I1可取消。,例：某一单线区段供电臂参数如图所示，牵引网等效单位阻抗Z=0.482，求：该供电臂的牵引网的最大电压损失。解：,四、复线牵引网电压损失的计算一、计算条件：1.上、下行连发列车最严重情况下进行电压损失计算2.供电分区远端列车取起动电流，其余列车取平均电流3.上、下行接触网在供电分区末端并联4.最大电压损失一般出现在电流分界点二、复线牵引网电流分配规律复线牵引网在供电分区末端并联。因此，一列列车的电流由上行、下行牵引网同时供给电力机车。所以我们必须先算列车运行时上、下行线路的电流分配。以一列列车为例，设供电臂长度为L，列车电流为I，与牵引变电所距离为l,1,I=I1+I2三式联立，可得：,2,3,推广至一般，若供电分区有n台机车，应用叠加原理：,计算：复线牵引网阻抗参数：,4.2牵引变电所电压损失一、单相牵引变电所中的电压损失牵引变电所中的电压损失，即牵引变电所主变压器线圈中的电压损失。对于单相变压器，变压器线圈电流即馈线电流，所以电压损失即馈线电流与变压器线圈等效阻抗的乘积。1.单相变电压器的阻抗Zb由单相变压器的短路电压百分值，可求得Xb；由单相变压器的铜耗，可得Rb。,2.电压损失计算例：某牵引变电所两台15000kvA单相变压器，每台阻抗臂负荷(滞后)求：V/V接线和纯单相接线牵引变电所电压损失。,二、三相牵引变电所中的电压损失1.三相变压器的阻抗2.电压损失的计算：情况1：电流滞后电压情况1：电流超前电压,第五章牵引网电压的改善,电气化铁道牵引网的电压水平，直接影响着牵引供电和运输生产的技术指标与经济指标。我国运营的某些电气化区段，由于运量的增长，使得牵引网电压水平过低，它严重影响着供电能力的发挥。为了改善牵引网电压水平，应当采取对牵引网进行电压调节(升压)的技术措施。从装置的调压原理来分，调节牵引网电压水平的装置可分为三类：1.通过调节变压比来直接调节牵引网电压2.通过改善牵引网中电气参数(如电流、功率因数)来间接调压3.通过调节牵引网阻抗来调节电压,降低牵引网阻抗能提高牵引网电压，方法有两种：一、用加强导线或用有载承力索，但升压幅度有限。二、串联电容补偿(SCC)，其提高网压的效果比较明显，串联电容器安设于馈线上。串联电容前：串联电容后：,相量图电容器C上的电压降补偿了牵引网上的部分感抗压降。由于串联电容，牵引网电压水平将普遍提高。电容器的选择，通常是立足于在馈线最大负载下补偿牵引网中的部分电压损失,使牵引网最低电压提高；或者，立足于部分或全部补偿牵引变压器中的电压损失。,一、补偿牵引网中的电压损失已知：馈线电流Ia=662A，牵引网最低电压Umin=21600V，要求提高到23750V。负载功率因数cos=0.8(滞后)，试确定串联补偿电容器参数。解：则由于电容器有自己的额定电压和额定容量，不能按求得的微法数简单地采用三台或四台电容器并联的方法来满足要求。,实际采用的电力电容器：每台159F,实际选择电容器时，可按以下步骤：1.选定电压：UC=2150V是要求电容器补偿的电压损失，实际电容器的压降UC=IxC=UC/sin=3583.3V2.选定电流：设采用CY-1-50-1电容器，其额定电流每台为Ice=SC/UCe=50000/1000=50A串联电容器数nC=UC/UCe=3583.3/1000=3.583取整nC=4台3.并联支路数：nb=Ia/ICe=662/50=13.24取整nb=14台串联补偿装置总电容数：144=56台容量：5056=2800KVar4.校验补偿效果。,二、补偿牵引变压器中的电压损失已知：馈线电流Ia=662A，电压损失最大的A相Ub=3780V，要求补偿0.83780=3024V，选择串联补偿电容参数及台数。,第六章牵引负荷对电力系统的影响与对策,6.1负序电流一、牵引负荷的特点：单相的、移动的、时刻变化的。对电力系统的运行会产生不良的影响：1.在三相电力系统中产生随机波动的负序电流；2.牵引负荷的功率因数低；3.整流型电力机车产生的谐波电流会进入电力系统。二、单相负荷在电力系统中引起的负序电流任意一个不平衡负荷都可用对称分量法分为正序、负序和零序三组对称分量。对牵引供电系统来说，因为牵引变压器二次侧都采用三角形或不完全三角形接线，所以零序电流无法流通，也就是说不会产生零序分量。所以牵引供电系统产生的不平衡负荷对电力系统的影响，就是负序电流。,6.2牵引变电所换相联接当多个牵引变电所由同一电力系统供电时，各牵引变电所在电力系统中引起的总负序电流与每个牵引变电所引入的相序有关，为了减小对电力系统的不对称影响，采用相序轮换接入。一、单相牵引变电所的换相联接,缺点：两相邻供电分区之间接触网上的分相绝缘器将承受倍的牵引网电压。为了避免分相绝缘器承受电压过高，在实际应用中都采用相邻变电所反相接地的方法。每六个牵引变电所形成一个相位循环，但对于电力系统仍然是每三个牵引变电所形成对称联接。,二、YN,d11牵引变电所换相联接轮换联接时考虑的原则：1.两个三相YN,d11接线牵引变电所间，两供电臂一般考虑为同相，以便实现并联供电，并减少接触网的分相电分段数量，这对高速行车很有利。2.相邻供电臂不同相，则其间电压应避免出现倍的牵引网电压值。因此，不论何种变压器接线方式，均应使各供电臂的相序符号正负相间，如：A，-B；C，-A；等等。,接线规律：次边：(c)端子接地，(a)端子接“+”电压供电臂(b)端子接“-”电压供电臂原边：按YN,d11接线展开图完成接线。,第七章交流牵引网对沿线通信线的影响,7.1牵引网的静电影响和电磁影响一、按性质分：1.静电影响2.电磁影响3.传导电流影响二、按影响程度分：1.危险电压2.杂音干扰三、防护措施1.通信线改用屏蔽电缆2.将通信线改迁到远离铁路的地带3.在牵引网中架设吸流变压器回流线4.在变电所中安装阻尼回路,目前有效的方法有：1.在牵引网中架设吸流变压器-回流线BT2.在牵引网中采用自耦变压器正馈线回路AT两种方法都是试图尽可能使牵引网电流沿导线而不是由大地流回牵引变电所，这样来减少感应。7.2吸流变压器回流线装置BT在牵引网中，每相距1.5km4km间隔，设置一台变比为1:1的吸流变压器。吸流变压器设在分段中央，其原边串入接触网，副边串入沿铁路架设的回流线。回流线通常就悬挂在铁路沿线的接触网支柱外侧的横担上。,1接触网；2为轨道；3为回流线；4为吸流变压器，变比1:1，一次线圈串接入接触网，二次线圈串接入回流；5为吸上线，一端接回流线，另一端与轨道或吸流变压器线圈中点连接，以提供从电力机车到轨道的返回电流流到回流线中去的通路。,这种装置的防护作用在于：把本来是尺寸很大的接触网轨道大地回路改变成尺寸相对很小的接触网回流线回路。当牵引电流流经吸流变压器原边时，副边在回流线中产生很大的互感电势。吸流变压器的作用也就是在接触网和回流线之间集中地加大互感。即：设吸流变压器原边电流为I1，匝数为1；副边电流I2，匝数为2。根据磁势平衡关系：I22I11又因为变比为1:1，则1=2，所以I2I1说明：采用吸流变后，只有变压器原边的激磁电流仍流经轨道和大地，且电流数量很小。如果不设吸流变，单凭接触网和回流线之间的分布互感，仅约10-20%牵引电流经回流线流回。,同时回流线和接触网中的电流