（交通信息工程及控制专业论文）220kV直供式牵引供电系统电能质量改善技术的研究.pdf

摘要 摘要 2 2 0 k v 直供式牵引供电系统具有供电可靠性高、系统短路容量大、电压稳定、接触 网电分相数目少、安全性高等优点，是国家电气化铁路的重要发展方向。但是电力机车 是波动性大的大功率单相整流负荷，由此产生的谐波污染、功率因数低、负序等问题， 严重制约铁路的发展和电网普通用户的用电质量，不利于社会经济的发展。 传统的一些改善牵引供电系统电能质量的措施，虽然对谐波治理、无功补偿起了一 定的效果，但是各种改善措施也有其相应的弊端，因此需要不断的努力来探求更好地改 善牵引供电系统电能质量的方案。本文正是基于此目的。 首先，对牵引供电系统和电力机车进行了分析。本文大概介绍了牵引供电系统的原 理和组成，在此基础上，详细介绍了2 2 0 k v 直供式牵引供电系统，并分析了其供电特点 以及存在的不足之处。结合电力机车的运行原理，分析了牵引供电系统主要电能质量问 题的产生原因、危害和预防治理措施。 其次，在有源滤波器改善电能质量技术的基础上，提出新的方案以改善牵引供电系 统电能质量。有源滤波理论提出时间较短，很多应用并不成熟，但是通过其基本工作原 理和电路拓扑结构及控制方式可以看出，随着电力电子技术的不断进步，其应用前景十 分光明。因此本文结合现有的有源滤波理论知识和应用手段，提出一种新型的电能质量 改善技术方案，并对其电路设计和控制方法进行了详细的介绍。 最后，通过m a t l a b 软件中电力系统仿真模块，建立系统模型，并进行仿真分析。仿 真分析采用对比方式，将牵引供电系统模型中只含电力机车模型的参数同加装滤波、无 功补偿装置时的动态补偿参数进行对比，从中可以看出电能质量明显得到改善，从而证 明所提方案的可行性。 牵引供电系统电能质量的改善，有利于牵引供电系统和电力系统的安全、稳定、经 济运行，具有重要的意义。 关键词：电能质量；牵引供电；谐波；无功补偿；有源滤波器 人连交通人学t 学硕l j 学位论文 a b s t r a c t 2 2 0k vd i r e c tt r a c t i o ns u p p l ys y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hr e l i a b i l i t y , b i g c a p a c i t yo fs y s t e ms h o r tc i r c u i t ，s t e a d yv o l t a g e ，l e s sp h a s eo fr a i l r o a dc o n t a c tn e t w o r k ，s a f e ， e t c i ti sa ni m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o no fo u rc o u n t r ye l e c t r i f i e dr a i l w a y h o w e v e r , e l e c t r i cl o c o m o t i v ei st h eh i g h - p o w e rs i n g l e p h a s er e c t i f i e rl o a dw h i c hh a st h ep r o b l e m so f h a r m o n i c s ，n e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n ta n dl o wp o w e rf a c t o r t h ep r o b l e m sa r es e r i o u s l y h i n d e r i n gt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cr a i l w a ya n di n f l u e n c i n gt h ep o w e rq u a l i t yo fo r d i n a r y u s e r s ，a n da r eu n f a v o r a b l et ot h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ye c o n o m y a l t h o u g hs o m eo ft h et r a d i t i o n a lm e a s u r e st oi m p r o v ep o w e rq u a l i t yo ft r a c t i o ns u p p l y s y s t e mh a v ec e r t a i ne f f e c t st oh a r m o n i cc o n t r o la n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，b u tt h e y h a v ed r a w b a c k sw h i c hm a k eu sw o r kh a r dt od e v e l o pm o r ee f f e c t i v em e t h o dt oi m p r o v e p o w e rq u a l i t y t h i sp a p e ri sf o rt h i sp u r p o s e f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h et r a c t i o ns u p p l ys y s t e ma n de l e c t r i cl o c o m o t i v e s t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h e2 2 0 k vd i r e c tt r a c t i o ns u p p l ys y s t e md e t a i l e d l ya n da n a l y s e si t sc h a r a c t e r i s t i c s a n ds h o r t a g e sb a s e do nt h ep r i n c i p l ea n dc o m p o n e n t so ft r a c t i o ns u p p l ys y s t e m s i ta l s o a n a l y s e st h er e a s o n st h a tw h yt h ep r o b l e mo fp o w e rq u a l i t ya r ec a u s e d ，a n di n t r o d u c e sh a r m s a n di m p r o v em e a s u r e so f p o w e rq u a l i t y s e c o n d l y , t h i sp a p e rp r o p o s e san e ws c h e m et oi m p r o v ep o w e rq u a l i t yo ft r a c t i o ns u p p l y s y s t e mb a s e do nt h et e c h n i q u eo fa c t i v ep o w e rf i l t e rt oi m p r o v ep o w e rq u a l i t y a c t i v ep o w e r f i l t e rt h a ti t st h e o r yh a sb e e nd e v e l o p e df o ras h o r tt i m ew i l lb ew i d e l yu s e di nt h ef u t u r e a l o n gw i t ht h er a p i dp r o g r e s so fe l e c t r i ct e c h n i q u es e e nf r o mi t sp r i n c i p l e ，c i r c u i tt o p o l o g y a n dc o n t r o lm o d e t h u s ，t h i sp a p e rp r o p o s e san e ws c h e m et oi m p r o v ep o w e rq u a l i t y , i n t r o d u c e si t sc i r c u i td e s i g n e dm e t h o da n dc o n t r o lm e t h o dd e t a i l e d l y a tl a s t ，t h i sp a p e rb u i l d st h em o d e lo ft h et r a c t i o ns u p p l ys y s t e ma n do t h e re l e c t r i c d e v i c e s ，s i m u l a t e sa n da n a l y s e st h e mi nt h eu s eo fp o w e rs y s t e mb l o c ks e to fm a t l a b s o f t w a r e t h ep a r a m e t e r so fd i f f e r e n tm o d e la r ec o m p a r e da f t e rs i m u l a t i o nt ot e s t i f yt h a tt h e n e ws c h e m eh a so b v i o u s l ye f f e c tt oi m p r o v ep o w e rq u a l i t yo ft r a c t i o ns u p p l ys y s t e m i th a sas i g n i f i c a n ts e n s et oi m p r o v ep o w e r q u a l i t yo ft r a c t i o ns u p p l ys y s t e m ，i sh e l p f u lt o t h es a f e ，s t a b l ea n de c o n o m i c a lo p e r a t i o no ft r a c t i o ns u p p l ys y s t e ma n dp o w e rs y s t e m k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；t r a c t i o ns u p p l ys y s t e m ；h a r m o n i c ；r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n ；a c t i v ep o w e r f d t e r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题提出的背景 在改革开放的大潮中，我国的科技水平和经济实力得以迅速提高，交通运输业迎来 了更加广阔的发展前景。铁路运输以其安全、运载量大等优势，成为国家的重要基础设 施、国民经济的大动脉和大众化交通工具。铁路的现代化发展，对促进社会经济的长远 发展，实现全面建设小康社会的宏伟目标具有重要作用。经过多年的努力，我国铁路事 业取得了很大进步，但是目前铁路运输能力与经济快速发展所带来的不断增大的运输需 求的矛盾仍然十分突出，成为制约社会经济快速持续发展的瓶颈，铁道电气化是解决这 一矛盾的主要途径。 铁道电气化是铁路现代化的重要标志，是实现铁路高速、重载的主要途径。电气化 铁路是指从外部电源和牵引供电系统获得电能，通过电力机车牵弓i y j j 车运行的铁路。它 包括电力机车、机务设施、牵引供电系统、各种电力装置以及相应的铁路通信、信号等 设备。电气化铁路具有运输能力大、行驶速度快、消耗能源少、运营成本低、工作条件 好等优点，对运量大的干线铁路和具有陡坡、长大隧道的山区干线铁路实现电气化，在 技术上、经济上均有明显的优越性。随着新技术、新材料的应用，电气化铁路在数量上 和质量上都得到了很大的发展，电气化铁路已成为世界各国铁路现代化的重要标志。因 此，世界各国都以电力牵引配合内燃牵引取代了蒸汽牵引，而电力牵引的货运量都在7 0 以上。世界各国铁路发展的实践证明，铁路电气化不仅是提高铁路运输能力、改进铁路 运营的最有效途径，也是合理利用资源、保护生态环境的最佳选择。和其它牵引方式相 比，电气化在铁路运输中显示出无可比拟的优越性，而我国目前无论是从政策支持还是 已具备的基础条件来看，电气化都是铁路实现跨跃式发展的必然之路。 随着国民经济的发展，我国铁路运输正向朝着电气化的方向迅速发展。改革开放以 来，我国电气化铁路建设速度逐年加快，“九五 期问建设电气化铁路4 7 8 4 k m ，而“十 五”期间的第一年就修建了3 6 6 5 k m ，建设速度十分惊人。截止至t j 2 0 0 2 年底，我国己建 成了4 1 条电气化铁路干( 支) 线，电气化铁路建设里程达到了1 8 6 1 5 ，7 3 公里( 营业里程 为1 8 1 1 5 1 公里) ，已经超过了同本、印度，跃居亚洲第一位，世界第三位，成为世界 电气化铁路大国。预计蓼j 2 0 1 0 年，电气化铁路营业罩程将达3 5 万公里。到那时，我国 的电气化铁路不论在罩程长度和技术装备上，还是在所承担的客货运输量上都将跨入世 界先进行列。电气化铁路正以其高速、重负荷能力、节约初级能源的优点越来越广泛地 服务于中国的交通运输业。 1 2 课题的意义 从电力机车的牵引形式上看，电力机车牵引负荷足波动性大的大功率单相整流负荷 1 人连交通人学t 学硕i j 学位论文 瞳1 ，而且负荷不对称，会造成电力系统三相负荷的不平衡，对电力系统的运行产生不良 影响。 ( 1 ) 谐波污染问题。单相供电的电力机车牵引的感性负载滞后的电流与相电压之间 的换相角，最大能达到4 0 多度，这一电压缺口，将引起网压强烈振荡，产生高次谐波 电流，严重污染供电电网，破坏供电网的基波电压电流的质量，致使电机电器温升增加 和产生振动。 ( 2 ) 无功功率问题和功率因数低的问题。直流传动电力机车无功功率大，功率因数 低也是众所周知的严重问题，虽然采用过诸多措施，如变电所并联电容器的静止无功补 偿等。但是，当无牵引负荷时，容性超前电流也形成无功功率，而有的区段供电电网功 率因数低到o 4 左右。 ( 3 ) 供电线路过长造成网压下降。由于牵引网要保证运动的机车供电，因此必须架 设接触网。这样就使得线路的供电电压损耗增加，而且接触网电压可能达不到额定电压 的要求。 ( 4 ) 单相交流电力机车牵引负荷对电力系统产生的负序影响。铁道电气化单相供电 的牵引负荷，造成电力系统三相电压的严重不平衡而产生负序电流，对三相发电机和电 动机的工作状态，产生不稳定运转的影响。并导致铁道电气化区段周围的农业用电和居 民用电都不能正常运转。为解决负序问题，虽然曾采用过三相中的两相，如a 、b 两相 向变电所相反方向向接触网供电，和加大变电所变压器容量等方法，但由于电力牵引列 车不均衡的频繁波动，仍没能彻底解决问题。 目前，我国大部分电铁牵引站采用1l o k v 供电，牵引变压器的形式大部分为y d l l 或v v 接线。2 0 0 1 年哈尔滨至大连的电气化铁路建成运营，该工程引进全套德国技术、 设备和管理模式，全线1 7 个牵引站全部采用2 2 0 k v 供电，每个牵引站内有两个单相式 牵引变压器，有两条2 2 0 k v 进线，分别组成线路一变压器组形式而互为备用。站在铁路 部门的角度，采用2 2 0 k v 单相牵引系统有以下好处：( 1 ) 2 2 0 k v 供电可靠性高；( 2 ) 2 2 0 k v 系统短路容量大，电压稳定；( 3 ) 单相牵引变压器容量利用率高，节约容量电费；( 4 ) 接触网电分相数目少，方便运营，提高了检修的安全性。 尽管单相牵引变压器经济上比较合算，但可以看出哈大线投运后系统的电能质量发 生了较大改变，尽管2 2 0 k v 系统短路容量大，但当系统运行方式不利时，仍出现了超标 现象。由于目前新出现的2 2 0 k v 单相牵引系统供电等级高，直接接于主电网，牵涉范围 广，因而必须对电能质量问题采取改善治理措施。在牵引变电站设置电能质量综合治理 装置是解决电气化铁路电能质量问题的根本措施，具有很高的经济及社会效益。本课题 正是基于此而提出。 2 第一章绪论 1 3 课题研究方法及预期目标 本课题的研究以直供式牵引供电系统为研究对象，分析目前建成和将要建设的电气 化铁道直供式牵引供电系统的主接线、运行方式和存在的电能质量问题类型、处理方式， 结合电力机车实际情况，建立物理仿真模型，分析其存在的问题，提出改善电能质量的 治理措施。针对所提出技术方案，建立模型进行仿真，与改善前数据进行对比分析，从 而表明本课题提出的电能质量改善技术的可行性。 本章小结 本章主要介绍了在科技和经济快速发展的背景下，电气化铁路是我国铁路的发展方 向，而电气化铁路产生的一系列问题，破坏了电能质量，对电力系统的安全经济运行产 生了负面的影响，这就要求采取措施减小电气化铁路对电力系统的影响，因此研究牵引 供电系统电能质量改善技术具有十分重要的现实意义。 大连交通大学t 学硕十学位论文 第二章2 2 0 k y 直供式牵引供电系统 2 1 牵引供电系统 通常把包括动力、发电、输电、变电到用电的全部系统称为动力系统。其中，将发 电、输电、变电、配电到用电的有机整体称为电力系统。电气化铁道用电量较大，我国 的电气化铁道均是由电力系统供电 4 。 电气化铁路的牵引动力是电力机车，机车本身不带能源，所需能源由电气化铁路牵 引供电系统提供。如图2 1 所示，1 发电厂( 或区域变电站) ，将其他形式的能量转化为 电能，经2 高压输电线输送至设在铁道附近的3 牵引变电所，其中1 发电厂和2 高压输电线 可称为电气化铁道的一次供电系统，其功能是发电、变电和输电。3 牵引变电所将2 高压 输电线送来的1l o k v 或2 2 0 k v 电压，经过6 变压器变换为2 7 5 k v 电压，经4 馈电线输送到铁 轨上方悬挂的5 接触网上。5 接触网是向8 电力机车直接输送电能的设备，它也可以被看 作是电气化铁路的动脉。8 电力机车利用车项的受电弓从接触网获取电能，向机车内部 电机提供电力，牵引列车运行。牵引回归电流经与机车相连的铁轨、大地$ n 7 回流线回 n 6 变压器。 图2 1 电气化铁道示意图 f i 9 2 1s k e t c hm a po fe l e c t r i f i e dr a i1 w a y 通常把接触网、馈电线、轨道、回流线叫做牵引网。由牵引变电所和牵引网构成的 向电力机车供电的完善的工作系统称为牵引供电系统( t r a c t i o ns u p p l ys y s t e m ) 。牵 引供电系统的作用，可概括为：把电力系统的电能供给沿铁路线运行的电力机车，也即 把地方集中生产的电能供给分散在铁路沿线上的电力机车使用。因为电气化铁道由电力 机车和牵引供电系统组成，牵引供电系统一般又分为牵引变电所和牵引网两部分，所以 人们又称电力机车、牵引变电所和牵引网为电气化铁道“三大元件”西1 。 4 第- 二章2 2 0 k v 直供式牵引供电系统 2 1 1 牵引供电系统的电流制 电力牵引按牵引网供电电流的种类可分为三种电流制，即直流制、低频单相交流制 和工频单相交流制h 1 。 ( 1 ) 直流制 牵引网供电电流为直流的电力牵引电流制。电力系统将三相交流电送到牵引变电所 一次侧，经过牵引变电所降压并整流变成直流电，再通过牵引网供给电力机车使用。我 国仅工矿、城市电车和地铁采用。牵引网电压有1 2 0 0 v 、1 5 0 0 v 、3 0 0 0 v 和6 0 0 v 、7 5 0 v 等，后两种分别用于城市电车、地铁。 直流制存在的主要问题是，直流牵引电动机额定电压受到换向条件的限制不能太 高，即牵引网电压很难进一步提高，这就要求沿牵引网输送大量电流来供应电力机车。 ( 2 ) 低频单相交流制 牵引网供电电流为低频单相交流的电力牵引电流制。这种电流制是继直流制之后出 ， 现的，牵引网供电电流频率为1 6 h z ，牵引网电压为1 5 k v 或1l k v ，电力机车上采用交 j 流整流子式牵引电动机。交流容易变压，因此，可以在牵引网中用高电压送电，而在电 力机车上降低电压，供应低电压的交流整流子式牵引电动机。低频单相交流制的出现， 与力图提高牵引网电压以降低接触网中的有色金属用量有关。目前在一些欧洲国家仍在 应用。 ( 3 ) 工频单相交流制 牵引网供电电流为工频单相交流的电力牵引电流制。它是在2 0 世纪5 0 年代中期法 国电气化铁路应用整流式交流电力机车获得成功之后开始推广的。从那时以来，许多国 家都相继采用。这种电流制在电力机车上将交流电降压后应用整流装置来供应直流牵引 电动机。由于频率提高，牵引网阻抗加大，牵引网电压也相应地提高。目前较普遍应用 的接触网额定电压足2 5 k v 。采用工频交流单相交流制的优点是，消除了低频单相交流制 的两个主要缺点：也电力工业标准频率并行的非标准频率和构造复杂的交流整流子式牵 引电动机。因而使得牵引供电系统的结构和设备大为简化，牵引变电所只要选择适宜的 牵引变压器，就可以完成降压、分相、供电的功能。 采用工频单相交流制的缺点是，对电力系统产生负序电流、负序电压分量和高次谐 波含量增加以及功率因数低；对沿电气化铁路架设的通信线路有干扰。但是，经过技术 方面和经济方面的综合分析比较，上述优点是主要的。因此我国电气化铁路采用工频单 相2 5 k v 交流制。 2 1 2 牵引变电所的分类 工频瞥相交流制牵引变电所的主要功能是降压、分相、为牵引负荷供电，主要设备 是牵引变压器。由于铁路电力牵引属于一级负荷，所以牵引变电所须 l 两路高压输电线 5 大连交通人学t 学硕 j 学位论文 供电，并且在牵引变电所中设置两台变压器。牵引变压器的额定电压，原边通常为1 1 0 k v ( 或2 2 0 k v ) ；副边为2 7 5 k v ，比接触网额定电压高1 0 ；a t 供电方式牵引变压器副边 额定电压为5 5 k v 或2 2 7 5 k v 。 牵引变电所可以按下列方式进行分类h 1 ： ( 1 ) 按高压输电线的引入方式分类 主要有“t 接线和“桥 接线。“t 接线如图2 2 ( a ) 所示，其特点是外部的电力 系统负载电流不进入牵引变电所。“桥”接线可分为“内桥 接线和“外桥 接线，如 图2 2 ( b ) 、( c ) 所示，其共同特点是允许外部的电力系统负载电流穿越牵引变电所一次 侧母线。一般来说，“内桥”接线适用于故障较多的长输电线路以及主变压器不需要经 常切换的场合；“外桥”接线适用于故障较少的较短输电线路以及主变压器按固定备用 或经济运行方式需要经常切换的场合。 ( a )( b )( c ) 图2 2 结线方式示意图 f i 9 2 2s k e t c hm a po f1i n km o d e ( 2 ) 按牵引变压器的结线型式分类 有单相结线；单相v ，v 结线；三相v ，v 结线；三相y n ，d l1 结线和三相不等 容量y n ，d 1 1 结线；三相y n ，d 1 1 ，d 1 十字交叉结线；s c o t t 结线；阻抗匹配平衡结线 等。在困外还有w o o d b r i d g e 结线等。 ( 3 ) 按承担供电臂的供电任务分类 有集中供电方式和分散供电方式。集中供电方式是指每个牵引变电所单独承担所辖 供电臂的供电任务。分散供电方式是指每个牵引变电所除了在正常情况下承担所辖供电 臂的供电任务外，还能在事故或检修的情况下承担相邻牵引变电所所辖供电臂的供电任 务，即越区供电。目f j 牵引变电所一般采用集中供电方式。 2 1 3 牵引供电系统供电方式 牵引供电系统根据本身技术指标要求的不同和抑制通讯干扰的需要，有以下几种供 电方式。 ( 1 ) 直接供电方式 这种方式的牵引网仅由接触网和钢轨( 地) 及吸上线组成。这是最简单的供电方式， 6 第二章2 2 0 k v 直供式牵引供 乜系统 故称简单供电方式。 直接供电方式的主要特点是：牵引网回路的结构最简单，成本和维修量都少；对通 讯线路的干扰( 影响) 较严重：钢轨电位通常较其他方式高。 ( 2 ) b t 供电方式 b t 供电方式即吸流变压器供电方式，b t 供电方式的主要特点是能大大减轻对通讯 线路的干扰；要设置火花间隙。 ( 3 ) 设置回流线的直接供电方式 这种供电方式保持了直接供电方式结构简单的特点，还能较好地降低轨道电位，同 时回流线故障( 断线) 不会影响正常供电。哈大电气化铁路即采用这种供电方式。 ( 4 ) a t 供电方式 a t 供电方式即自耦变压器供电方式。这种方式中一般设置绕组匝数= 刀：的自耦 变压器，接触线与正馈线之间的电压为机车受电弓上电压的2 倍，机车受电弓上电压与 直接供电方式、b t 供电方式相同。 a t 供电方式的主要特点是牵引电压成倍提高；牵引变电所间距较大，一般可达1 0 0 k m 左右，能节约电力系统投资；牵引网结构较复杂，保护和维护的难度也相应提高。我国 北京一秦皇岛、大同一秦皇岛、郑州一武昌以及日本东海道、山阳、东北上越新干线 等电气化铁路全部采用这一供电方式。 ( 5 ) c c 供电方式 即同轴电缆供电方式，它又分为接触网开口方式和不开口方式。 就牵引供电系统自身的电压损失、输送功率能力等性能看，a t 供电方式和c c 供电 方式最好，设置回流线的直接供电方式和直接供电方式次之，b t 供电方式再次。就牵引 网及其设备投资来看，直接供电方式和设置回流线的直接供电方式最少，b t 供电方式较 高，a t 供电方式更高，c c 供电方式最高( 主要表现于同轴电缆) ，以致在目前尚无法在 实际系统中人量正式采用。 2 1 4 牵引供电系统特点 牵引供电系统具有以下特点： ( 1 ) 由于电气化铁路机车牵引功率大，列车运行速度高、列车通过供电臂时问短， 负荷持续时间短，负荷电流变化剧烈，因此对牵引供电系统供电能力要求较高。 ( 2 ) 由于列车运行密度大、速度快，所以对安全性要求高。 ( 3 ) 牵引供电系统中的接触网足一种无备用的户外供电装置，工作条件恶劣，经常 受机车、天气等多方面影响，极易发生故障。 ( 4 ) 牵引供电系统设备数量庞大，结构复杂，分布广泛。 ( 5 ) 与人民群众生产、生活密切相关，系统事故停电将严重扰乱讵常的运输秩序， 7 大连交通大学丁学硕十学位论文 造成很大的社会影响和经济损失。 因此，为了确保高速铁路的安全运行，在牵引供电系统设计时必须使其具有高可靠 性，并具有灵活的自适应性和完善的自检性。对设备性能、运行维护管理、事故状态下 的快速抢修和恢复供电能力提出了更高要求。 2 22 2 0 k v 直供式牵引供电系统 以往我国均采用1l o k v 电网给电铁供电1 ，因为东北电网没有1l o k v 电压等级，所 以在哈大线电气化改造时，采用了2 2 0 k v 直接供电方式，现以哈大线为例，介绍2 2 0 k v 直供式牵引供电系统。 2 2 12 2 0 k y 直供式牵引供电系统简介 哈尔滨至大连的电气化铁路，全长共9 4 6 k m ，纵贯东北三省，全线设立1 7 个牵引变 电所，牵引变电所间距4 0 - - - 7 3 k m 。每个牵引变电所采用2 2 0 k v 两相线路从系统变电所供 电方式，变电所内设2 台2 2 0 k v 2 7 5 k v 单相变压器，分别与两回两相2 2 0 k v 线路构成两组 线路一变压器组单元接线方式。正常运行时，一组线路一变压器组运行，另一组热备用。 供电线路为l g j 一2 4 0 3 0 型钢芯铝绞线，长度在l - 一2 8 k m 之间。系统接线图如图2 3 所示。 系 lr 。_ 1j ， - _ - _ _ _ _ 一 1 2 2 0 k 、两梧畿电线路 i 源2 ： 图2 3 哈入线牵引供电系统接线图1 7 1 f i 9 2 3l i n km o d e o fh a d a1i n et r a c t i o ns u p p l ys y s t e m 7 1 哈大线2 2 0 k v 牵引供电系统采用设置回流线的直接供电方式，如图2 4 所示。 l 铁轨 图2 4 哈人线牵引供电系统 f i 9 2 4h a d a1i n et r a c t i o ns u p p l ys y s t e m 8 第二章2 2 0 k v 直供式牵引供电系统 在图2 4 所示系统中，进线直接从2 2 0 k v - - - 相线路中取两相，由单相变压器将2 2 0 k v 电压降为2 7 5 k v ，经馈线将电能输送到接触网，为电力接车的运行提供动力，电流经过 机车后，由钢轨和设置的回流线流入牵引变电所的回流柜内部，与其他回流线一起，集 中接地。各变电所对2 2 0 k v - - 相电网仍换相接线，以减少电力电网的相间功率不平衡问 题。 2 2 0 k v 与l l o k v 电网相比，具有以下优点：由于2 2 0 k v 电网接点短路容量大，可明显 降低单相牵引负荷对电力系统的负序影响；电网的综合技术经济指标高；能保证安全、 可靠地为电气化铁路供电，确保正常运输；大大缓和牵引供电系统与地方电力部门的矛 盾。 2 2 22 2 0 k v 直供式牵引变电所 图2 5 所示为吉林德惠2 2 0 k v 牵引变电所的一次接线图。 三相母线 图2 52 2 0 k v 牵引变电所一次接线图 f i 9 2 5c o n n e c t i o nm a p2 2 0 k vt r a c t i o nt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n 9 大连交通人学t 学硕l ：学位论文 图2 5 所示牵引变电所的电气设备技术参数如下呻1 ： ( 1 ) 铁甲、乙线：亘长5 5 3 4 k m ，导线型号l g j 一2 4 0 3 0 ； ( 2 ) 德铁甲、乙线4 3 0 5 、4 3 0 6 断路器：l w - 2 2 0 h 型，额定电压2 2 0 k v ，额定电流3 1 5 0 a ， 额定开断电流4 0 k a ； ( 3 ) 德惠一次变电所母线短路电抗：最大运行方式下为j 1 4 1 8 1 2q ，最小运行方式 下为j 2 0 2 7 9 6 q 。 ( 4 ) 德铁牵引变电所主变压器：a b b 公司s e 0 6 3 0 g o 2 4 5 型单相变压器，额定电压2 2 0 2 2 5 2 7 5 k v ，容量6 3 m v a 。 哈大线在牵引变电所内部，采用简化的主结线方式，如图2 6 所示，2 2 0 k v 侧及2 5 k v 侧的接线都非常简单，2 2 0 k v 侧采用单相、两极设备，简化了安装及调试工作。2 5 k v 侧 标准馈线为3 条，分别为哈尔滨方向、大连方向及站场备用。其他根据实际需要分别增 设至编组场、机务段的馈线。 图2 62 2 0 k v 牵引变电所主接线示意图 f i 9 2 6m a i nc i r c u i t r ym a po f2 2 0 k vt r a c t i o ns u p p l ys y s t e m 根据线路运行区段的负倚，设计了四种容量的牵引变压器，h i 6 3 m v a 、5 0 m v a 、4 0 m v a 、 1 0 第：一：章2 2 0 k v 直供武牵引供电系统 3 1 5 m v a ，供不同变电所选用。a b b 公司生产的s e 沪g o 2 4 5 型单相变压器采用油浸自冷方 式运行，容量大，利用效率高，可达到1 0 0 。变压器一次侧有5 个分接头，可以根据电 网电压选用适当的位置接线。s e o - g o 2 4 5 型单相变压器变比参数如表2 1 所示。 表2 1 牵引变压器电压变比 t a b l e 2 1v o l r a g er a t i oo ft r a c t i o nt r a n s f o r m e r 分接头位置高压侧电压( k v )低压侧电压( k v )计算变比测量变比 12 3 1 0 0 02 7 5 0 08 4 0 08 3 9 2 22 2 5 5 0 02 7 5 0 08 2 0 09 1 9 9 3 2 2 0 0 0 02 7 5 0 08 0 0 08 0 0 9 42 1 4 5 0 02 7 5 0 07 8 0 07 8 1 7 52 0 9 0 0 02 7 5 0 07 6 0 07 6 2 6 变压器绕组的直流电阻参数如表2 2 所示。 表2 2 变压器绕组直流电阻测量值 t a b l e 2 2d i r e c tc u r r e n tr e s is t a n c eo ft r a n s f o r m e rw i n d i n g 测量电阻值( q ) 测量位置分接头位置 2 3 7 5 10 6 5 7 8 70 7 9 0 4 6 高压侧30 6 3 7 3 80 7 6 5 8 4 5o 6 1 6 6 70 7 4 0 9 6 低压侧 0 0 0 7 3 2 6 l0 0 0 8 8 0 2 7 哈大线全线变电所均采用单相牵引变压器，这是高速电气化铁路直接供电方式时普 遍采用的牵引变压器类型。其优势在于： ( 1 ) 便于实现同相供电接触网的分相问题被解决( 或分相数量可最少) ，对高速运行 有利。 ( 2 ) 容量利用率高、能耗低，变电所及变压器结构简单，因而可靠性高，工程投资 及运营维护费用低。对负序问题，可通过相序轮换( 非同相供电) 和采用对称补偿技术 或用单一三相平衡转换装置( 实现同相供电时) 降低对电力系统的影响。 2 2 32 2 0 k v 直供式牵引供电系统存在的不足 尽管2 2 0 k v 直供式牵引供电系统具有短路容量大、供电可靠性高、损耗小经济效益 好、结构简单的优点，能带来一系列的经济和社会效益，但也存在一些不足之处旧1 。 大连交通人学丁学硕l j 学位论文 谐波指标在牵引变电所检修或其他运行模式下，仍然会超标。尽管牵引供电系统的 馈线已经采用3 次谐波抑制措施，同时牵引变电所采用并联电容补偿装置补偿无功，并 滤除3 次谐波、兼顾滤除5 次、7 次谐波，使流入主网的高次谐波含量不是很大，但根据 东北电力设计院1 9 9 9 年1 0 月的分析报告，在预测分析某些运行方式下，个别牵引变电所 谐波影响有可能超标，需要在投运后进行实际测试，采取措施进一步消除。在牵引变电 所投入运行后的实际测试中，个别牵引变电所在某些运行方式下，确实也有谐波指标超 标的现象。因此需要加强谐波的治理。 此外，由于采用了两相线路供电，注入电网的负序电流与正序电流相等，其三相电 流不平衡度为1 0 0 ，随着电力牵引负荷的逐年增长，2 2 0 k v 俱f 的负序电流也会增加。对 于牵引供电系统产生的负序分量，根据东北电力设计院1 9 9 9 年1 0 月的分析报告，哈大电 气化铁路投运后负序电流分量对电力系统的影响满足国家标准旋转电机基本技术要 求。但是负序分量与高次谐波分量不同，一旦负序电流进人主网，很难将其滤除，并 且电网的运行方式及列车的运行方式将影响负序潮流的流向及大小。虽然在设计中已经 考虑到尽量使很多列车运行在各自不同的相别上使其产生的负序电流可以相互抵消， 但剩余的负序电流将使整个电网的各个角落都受到污染。而且，哈大电气化铁路投运后， 靠近牵引变电所的系统保护运行环境将比投运前恶劣得多，必须加强继电保护装置的抗 干扰能力。 总之，哈大电气化铁路作为东北地区第一条电气化铁路，极大地提高了东北地区铁 路的运输能力，但是由电铁产生的高次谐波分量和负序分量，将会给电力系统带来一定 的影响，需要在加强监测并进一步分析，以便采取相应的防范和治理措施。 本章小结 本章主要介绍了牵引供电系统方面的一些知识。首先对牵引供电系统做总体概述， 运用简化的系统模型对电气化铁路的原理进行简单介绍，并对牵引供电系统电流制、供 电方式、供电特点及牵引所的分类作了简要讲解。其次，以哈大线为例，对2 2 0 k v 直供 式牵引供电系统做了重点分析，在简化图的基础上，讲解了直供式牵引供电系统的构成 和运行原理，并结合系统的主接线图，对牵引变电所的内部结构和单相变压器进行了了 解，指出了2 2 0 k v 牵引供电系统存在的一些不足。 1 2 第二章2 2 0 k v 直供式牵引供电系统 第三章牵引供电系统电能质量问题 3 1 电力机车负荷分析 牵引供电系统的主要用电设备是电力机车，电力机车的负荷特性直接影响到电能质 量的各项指标，是影响电能质量好坏的主要因素。当前我国电气化铁路上使用的电力机 车型号较多，国产机车以韶山- 1 ( s s - 1 ) 、韶山- 3 ( s s - 3 ) 、韶山- 4 ( s s - 4 ) 型、韶山一9 ( s s 一9 ) 型为主，进口机车以8 g 、8 k 型为主，这些机车均采用具有软特性的直流串激式电动机作 为驱动电机，不同之处在于其整流和调压方式。s s 一1 型和8 g 型采用单相全波不控整流、 级差调压方式，s s 一3 型采用桥式不控整流、级间可控平滑调压方式，而现在用的最多的 是多段半控桥整流、无级平滑调压方式，如s s 一4 型和8 k 型机车。本文以国内使用较多的 韶山一l 型为例，对机车作为电力负荷的特点进行分析。 3 1 1 原理概述 韶山一1 型( s s 一1 ) 电力机车是六轴客货两用机车。机车上的主变压器将接触网的高压 交流电变换成低压交流电。主变压器的牵引绕组经调压开关与硅整流装置构成单相全波 整流电路，将交流电变换成电压可调的脉流电，再经平波电抗器滤波后，向六台并联的 牵引电动机供电。持续制机车功率为3 7 8 0 k w ，机车牵引力为3 0 1 1 k n ，最大起动牵引力 为4 8 7 k n ，持续制机车速度为1 1 9 4 m s ，最大速度为2 5 m s 。机车牵引电动机额定电压为 1 5 0 0 k v ，持续制额定功率为6 3 0 k w 引。其原理电路图如图3 1 所示。 3 图3 1 韶山一l 型电力机车原理电路图 f i 9 3 1p r i b c i p l ec i r c u i to fs s 一1e l e c t r i c l o c o m o t i r e 在上图中，j 为接触网，g 1 、g 2 为受电弓，升起时其滑板与接触网接触，将电压、 电流引入电力机车。d l 为主断路器，用来接通和断丌电力机车的高压电路。b l 为避雷器， 用作电力机车的大气过电压的保护装置。1 l h 为高压电流匠感器，与过电流继电器共同 人连交通人学t 学硕l j 学位论文 构成电力机车主电路短路时的继电保护装置。2 l h 为低压电流互感器，其副边绕组向电 力机车电度表的电流线圈供电。图中虚线部分为机车变压器，其作用是降压。它的高压 绕组a 端通过高压电流互感器i l h 、主断路器d l 、受电弓g 1 或g 2 与接触网j 相连，x 端通过 低压电流互感器2 l h 、车体、接地电刷、轮轴、车轮与轨道接触。这一部分称为电力机 车主电路的高压电路。 机车变压器除高压绕组外，还有三个低压绕组，按用途分别称为牵引绕组、辅助绕 组和励磁绕组。牵引绕组又包括两个基本绕组和两个调压绕组，额定电压为2 2 0 4 0 v 。 辅助绕组有3 9 6 v 端头，用来供电给电力机车的辅助机组；还有2 3 0 v 端头，用于供电给电 力机车电度表的电压线圈。励磁绕组额定电压为1 6 7 v ，可用于电力机车施行电阻制动时， 通过可控硅励磁硅机组，供电给牵引电动机的励磁绕组；也可作为主电路接地保护的附 加电源。z i 一z 4 为硅整流组，其功能为整流。整流电流并非纯直流，而是含有脉动分量。 x l 、x 2 为平波电抗器，用来限制整流电流的脉动分量，以改善牵引电机的换相。机车变 压器和硅整流器组，把牵引网送来的2 5 k v 交流电变换为1 5 k v 直流电，供应牵引电动机 使用。d 1 d 6 为牵引电动机，它是直流串励电动机，其功能是接受从机车变压器和整流 器组送来的电能而转动，转变为机械能。机车变压器低压侧牵引绕组两端头a 、x 分别与 两组并联的整流器组z 1 、z 2 和z 3 、z 4 的交流侧连接，中点抽头o 接两台平波电抗器x 1 、 x 2 ，整流器组z 1 、z 2 和z 3 、z 4 的直流侧与两台平波电抗器x 1 、x 2 之间接6 台牵引电动机 d l d 6 。这样就构成了中点抽头式全波整流电路，给两组并联的牵引电动机d i d 3 和 d 4 - - 一d 6 集中供电；每组三台牵引电动机共用1 台平波电抗器。这部分是电力机车主电路 的牵引电路。 3 1 2 运行调速分析 电力机车有多种运行状态，包括起动、牵引、加速、减速、惰行、制动、停站等， 不同运行状态机车负荷具有不同特点，运行状态的改变直接反映在机车速度的变化上， 现对其调速原理进行简要分析。 牵引电动机的转速n 可由下式确定 n ：望g 二竖g ( r m i n ) 乙l 尹 ( 3 1 ) 式( 3 1 ) 中，u d 为牵引电动机端电压( v ) ；i d 为牵引电动机电枢电流( a ) ；r d 为 牵引电动机电枢回路电阻( q ) ；矽为牵引电动机磁场主极的每极磁通量( 1 0 8w b ) ；c 。为 牵引电动机的结构常数，其表达式为 c ：n p 1 0 - 8 1 6 0 a 式( 3 2 ) 中，n 为牵引电机电枢绕组导体数； 1 4 ( 3 2 ) p 为牵引电机磁场主极对数；a 为牵引电 第三章牵r j i 供电系统电能质蕈问题 动机电枢绕组支路对数。 通过齿轮传动比殷和动轮直径d 的换算，可得电力机车的运行