（电气工程专业论文）高速铁路牵引供电系统相关问题的分析与研究.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 摘要 高速列车与牵引供电系统直接相关，是进行牵引供电系统研究的最重要 的基础，为此，本文首先对日本最具有代表性的3 0 0 系和最新的7 0 0 系、法 国t g v a 型以及正在研制的a g v 、德国最新的i e c 3 型高速列车的特点和 参数进行了详细介绍，然后，结合高速列车交直交传动方式的结构和原理以 及高速列车的控制方式，分析了高速列车的负荷特性。结合高速铁路的负荷 特点，对牵引网供电方式和变压器接线型式进行了分析论证，针对武广客运 专线不同设计年度运量变化很大的特点，提出了三变压器方案，分析了三变 压器方案的优点和存在问题，提出了三变压器方案的主接线图。针对我国高 速铁路将普遍采用a t 供电方式的情况，对a t 供电方式的电气网络进行了 分析，对a t 供电方式的电压水平计算、a t 供电方式各导线电流分配系数 的计算进行了推导，考虑到高速铁路可能采用带加强线的直接供电方式，对 带加强线的直接供电方式各导线电流分配系数的计算也进行了推导。针对高 速铁路较常速铁路牵引负荷增加很多的特点，对由此产生的高速铁路牵引网 载流量、牵引功率以及回流接地三个重要问题进行了原理分析、公式推导和 实际计算，提出了采用单位长度功率需求理论计算平均有效电压的方法。针 对高速铁路再生制动的特点，重点分析了再生制动时负序特点，简要介绍了 再生制动时电压水平和再生电能的吸收两个问题。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第工工页 a b s t r a c t s i n c eh i g h s p e e dm o t o rc o a c h e sr e l a t e sw i t h t h et r a c t i o np o w e rs u p p l y s y s t e mf i r m l y ，i ti sa l s ot h em o s ti m p o r t a n tb a s ef o rs t u d y i n gt h et r a c t i o np o w e r s u p p l ys y s t e m ，s ot h i sd i s s e r t a t i o nf i r s ti n t r o d u c e st h e3 0 0a n d7 0 0s e r i e s 、t h e t g v aa n da g v 、t h ei c e - 3 ，t h o s ea r et h ec l a s s i c a l e x a m p l e s o fj a p a n 、 f r a n c e 、g e r m a n y sh i g hs p e e dm o t o rc o a c h e s t h e nf r o mt h es i g h to ft h ec o n t r o l s t r a t e g i e sa n dt h et r a n s i t i o nm e t h o d e so fd r i v es y s t e mf o rr o l l i n gs t o c k s ，s t u d i e s a n da n a l y s e st h eh i g h ts p e e dr a i l w a yl o a d s 。c h a r a c t e r i s t i c s a n dt h e n ，c o m b i n i n g c h i n a ss i t u a t i o ns t u d i e sa n dd i s c u s s e sm o d eo ft h eo c s p o w e rs u p p l ys y s t e m 、 c o n n e c t i n g m o d eo ft h et r a c t i o nt r a n s f o r m e r t h e n a i m i n gt h e c h a r a c t e rt h a t w u h a n - g u a n g z h o uh i g h s p e e dr a i l w a y 。s v o l u m eo f p a s s e n g e f l o w i n c r e a s e s s h a r p l y i nd i f f e r e n t p e r i o d s ，a d v a n c e s t h et h r e e - t r a n s f o r m e r p r o j e c t ，a n a l y s e st h et h r e e t r a n s f o r m e rp r o j e c t 。sv i r t u e sa n df l a w s ，d e s i g nt h ec a b l e c o n n e c t i o nd r a f t a i m i n gt h e p l a n t h a tc h i n aw i l l a d a p ta tp o w e rs u p p l y s y s t e m ，a n a l y s e st h ea t m o d e l se l e c t r i ct h e o r ya n dd e d u c e st h ea tm o d e l sw i r e c u r r e n td i s t i b u t i o n p a r a m e t e re m p h a t i c a l l y ，a i m i n g t h ef a c tt h a t h i g hs p e e d r a i l w a y t r a c t i o nl o a d sw i l lv e r yh u g e ，a n a l y s e st h e o r i e s 、d e d u c e sf o r m u l a sa n d c a c u l a t e se x a m p l e sa b o u tt h ec u r r e n t - b u r d e rc a p a c i t y 、t r a c t i o np o w e r 、c u r r e n t f e e d i n ga n de a r t h i n g ，t h e nd i s c u s s e st h em e a nv i r t u a lv o l t a g el e v e ro fo c s a n d o f f e rt h ec a l c u l a t ew a yt h a ta p p l i e st h et h e o r yo ft h ep o w e rr e q u i r e m e n tp e r l e n g t h a tl a s td i s c u s s e st h ei n f l u e n c eo ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mg e n e r a t e d b yt h er e g e n e r a t i v eb r a k e 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 本文研究的目的和意义 随着我国国民经济的持续稳定发展，人口城镇化进程加速，国际交往急 剧增加，旅游事业日益兴旺，诱发了大量的客运需求。人民生活水平的提 高，时间价值观念的增强，客观上提出了发展高速铁路客运系统的社会需 求。目前，国家已经批准了铁道部报送的中国铁路发展中、长期规划， 规划中，明确了将建设四纵、四横快速客运通道，设计速度为3 5 0 k m h 的 武广客运专线就是四纵中京广客运通道的重要组成部分。 高速客运专线的设计在我国还处于起步阶段，缺乏实践经验，设计中还 存在很多没有解决的课题，就牵引供电系统的设计而言，也同样存在很多目 前国内还未掌握和解决的难题。高速客运专线速度高，运量大，行车密度， 供电系统输送的功率势必很大，同时由于采用交流传动机车，其负荷特征较 目前我国广泛采用的直流传动机车有很大不同。通过研究高速铁路的负荷特 征，可以确立牵引供电系统设计的原始基础，通过进一步研究高速铁路负荷 特征对牵引供电系统的影响，可以得出系列可用于指导设计的结论性意 见。 武客运专线是继京沪高速铁路后，我国开始设计的又一条高速铁路， 全长近9 0 0 k m ，途经湖北省、湖南省和广东省，连接武汉、长沙、株洲、 衡阳、广州五大铁路枢纽，是我国规划的快速客运路网的重要组成部分。武 广客运专线已列入铁道部2 0 0 5 年计划开工项目，如能按计划实施，该项目 将成为我国开工建设的第一条高速铁路。为了使该项目能够按计划开工，首 先必须按期完成设计工作，由于中国目前没有高速铁路，高速铁路的设计经 验匮乏，很多设计上的难题还没有解决，要保证按期完成设计工作，难度可 想而知。牵引供电系统作为高速客运专线系统的重要组成部分，它的设计工 作能够顺利、高质量的完成，对整个武广客运专线的设计具有很重要的意 义。 目前国内高速铁路牵引供电系统的设计，更多的是停留在了解和吸收日 本、法国、德国等国家的成熟经验和先进技术上，系统理论分析还很缺乏， 结合中国国情的自主技术创新各是少之又少。通过对高速铁路负荷特征及其 对牵引供电系统的影响进行研究，能够找到一些适用于工程设计的方法和结 论，这样，一方面有利于深化对国外相关技术的理解和认识，另一方面也为 结合国情进行自主技术创新奠定了一定的基础。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外研究现状1 2 9 】d o 】口1 】p 2 1 1 3 7 1 1 9 1 、概况 ( 1 ) 供电制式 电气化铁道最早采用直流和低频交流( 以1 5 k v 、1 62 3 h z 为主) ，有 的也曾采用三相交流供电，后来居上的是单相工频交流供电。低频交流和直 流供电电压都较低，变电所间距较短，又多一套变频和整流设备，因而供电 设备的投资比单相工频供电要大。单相工频交流供电可以利用公共电力系 统，经降压后直接使用，并且由于采用比较高的2 5 k v 或2 x 2 5 k v 电压，在 输送相同功率时，接触网的电流减少，接触网上的压损和电能损失也减少， 延长了牵引变电所的间距，接触悬挂也可选用轻型结构，支柱容量也可降 低，从而大大节省牵引网的投资。目前高速电气化铁路也是以单相工频供电 为主。法国、日本、西班牙高速铁路采用了单相工频交流供电方式：德国沿 用了1 5 k v ，1 62 3 h z 低频交流供电；意大利沿用了直流供电方式。 ( 2 ) 减少负序和通信干扰的主要措簏 高速电气化铁路牵引负荷为大容量单相负荷，其产生的不平衡电压和电 流对公共电力系统构成危害，供电臂上不稳定的负荷，更加重了不平衡度； 以钢轨为回流通路的地中电流对沿线通信和信号设备产生电磁干扰，危及设 备和人身安全，影响通信质量：电力机车整流产生的高次谐波对电力系统和 通信线路也产生严重的影响。 减少单相交流供电的不平衡电压和电流，有以下方法： 改变主变压器接线 采用s c o t t 和变形伍德桥接线，实现三相一两相平衡变换。当两供电臂负 荷电流和功率因数相同时，电力系统中三相电流平衡。即使在两供电臂电流 不同的情况下，不平衡度也大大降低。 无功补偿实现三相单相平衡 在列车高速运行情况下，为克服不平衡电压和电流的影响，应增大电力 系统的短路容量，但这往往需要加长输电线的距离，增加建设费用。而高速 电动车组的再生制动的采用，使原来降低不平衡电压和电流的方法变得更加 困难。采用任何接线变压器都做不到三相单相的平衡对称变换，必须辅以 适当的并联无功补偿设备。日本研究开发了一种静态不平衡馈线补偿装置 ( s t a t i cu n b l a n n c e dp o w e rc o m p e n s a t o r ) 。该装置是在s c o t t 接线变压器的 m 座和t 座接上电容器和电抗器组成的平衡补偿装置，借助并联无功补偿 方法，实现三相单相对称变换，从而降低牵引供电系统对电力系统短路容 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 量的要求，以利用附近较弱的电源，并且不必考虑馈线负荷的不平衡问题。 2 、日本 ( 1 ) 牵引供电系统概况 臼本1 9 6 4 年东海道新干线开通时，采用b t 供电方式，变电所间隔 2 0 k m 左右，最大供电电流1 0 0 0 a 。但b t 供电方式存在很多问题，如在通 过接触网电分段时产生很大的电弧，极易烧坏滑板及接触导线，加之牵引网 单位阻抗很大，在大负荷情况下磨损很大，牵引网电能损失很大。1 9 7 2 年 山阳新干线正式采用日本铁道研究所开发的a t 供电方式，在这之后的其他 新干线均采用a t 供电方式，变电所间距约6 0 k m 左右，最大供电电流越 2 0 0 0 3 0 0 0 a 。 日本东海道新干线供电电压为2 5 k v 、6 0 h z ，l 阳颓干线供电电压 2 5 k v 、6 0 h z ，东北、上越新干线供电电压2 5 k v 、5 0 h z ，山形新干线供电 电压2 0 k v 、5 0 h z ，北陆新干线供电电压2 5 k v 、6 0 h z 。 新干线a t 供电方式的变电所容量在1 0 0 1 5 0 m v a ，供电电压的允许波 动范围为：1 9 2 7 5 k v ，额定电压为2 5 k v ，瞬时最低1 7 5 k v ，在 2 2 5 2 7 5 k v 列车可满功率运行。 为了提高功率因数，变电所端设置了并联电容，容量约为6 0 0 0 k v a t 单 供电臂，为了增强供电能力，变电所还设置了静止无功功率补偿装置 f s v c l ，进行综合补偿。 ( 2 ) 高次谐波、功率因数、再生制动对牵引供电设备的影响 3 0 0 系、7 0 0 系、5 0 0 系、e 1 系、e 2 系、e 3 系、e 4 系及3 0 0 x 、 s t a r 2 1 型实验车等均采用p w m 变流器和v v v f 逆变器。该变流回路的特 点是：采用再生制动、次数较高的谐波含量高、功率因数高。 高次谐波的特点和减少影响的措施 交直交传动与交直传动相比，由于采用的主元件性能有很大的改善，以 及动力分散型列车各单元之间采用不同相位、保持一定的相角差来补偿一部 分谐波，总体上谐波是比较低的。但由于采用p w m 技术，1 5 0 0 1 8 0 0 h z 的 高次谐波含量明显增加。采用a t 供电方式，供电臂增长，电源阻抗增加， 电源电感l 和馈线回路电容c 在较低频率时会产生共振，当与机车输出频 率接近时，产生高次谐波放大。新干线供电回路的共振频率约为 1 0 0 0 2 0 0 0 h z 。高次谐波共振的危害有：a 、恶化系统电气设备的绝缘能 力：b 、车辆主回路和辅助回路误动作：c 、通信杂音干扰；d 、设备烧损。 通过模拟分析和现场测试，认为共振主要是高次谐波在供电臂末端反射形成 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 的，为了抑制高次谐波共振，在供电臂末端安装h m c r 装置；在供电臂 2 1 5 k m 的复线区间实验结果为：共振频率为1 5 5 0 h z ，放大倍数为1 4 6 6 倍，在分区亭设置h m c r 装置后，共振频率移至5 0 0 h z 。为了防止高次谐 波放大，协调并减少车辆、供电设备和环境设备的干扰，日本制定了高次谐 波含有率标准，具体如表1 - 1 所示。 表1 - 1日本新干线高次谐波含有率标准 i 级数 357 1 11 31 71 92 3 2 5 2 9综合 l 供电系统 34322 1 51 5l15 2 2 0 k v 侧2 2 521 5 1 5 1 1o 50 53 功率因数特点与减少影响的措施 交直交传动机车功率因数牵引时接近1 ，再生制动时接近1 ，s t a r 2 1 型实验车实际测量的结果为：牵引时0 9 5 1 ，再生制动时0 9 。负荷的阻抗 特性也发生变化，不再分布于第1 象限4 0 左右，而是在第1 、i i 象限内随机 出现，这样容易引起保护误动作。为解决馈线保护存在的问题，推出了距离 继电器+ 交流i 型故障选择装置的保护组合，以距离继电器为主保护，交流 i 型故障选择装置为后备保护；以纵长保护加i 保护组合代替l 型加i 型保护组合。为进一步避免负荷阻抗，从各个方向靠近甚至进入保护区。后 又推出了交流电气化铁道用保护范围转换继电器，该继电器仍为四边形特 性，但r 、x 可以进行分别整定，在任意r 、x 整定值下，保护都有两个动 作范围，小范围对应于正常运行状态，大范围对应于馈线故障状态，保护灵 敏度高，高阻保护性能好。这两种方式成功的解决了新干线供电保护设备与 车辆的协调。 再生制动对牵引供电设备的影响 a 、自动过分相的切换开关故障 当牵引工况的车辆位于中性区时，供电臂恰有一列车处于再生工况，而 此时，自动过分相切换开关正处于向备用开关切换的状态，如果开断与切换 真空断路器串联的隔离开关，就有可能产生大的电弧。 b 、变电所供电臂停电，再生车不能及时撤除再生制动 供电臂中只有一列车时，如果供电臂停电，通过检测接触网电压和换流 装置的电压，可立即中断再生。但如果同一供电臂中，再生车与牵引车的功 率发生平衡时，供电臂停电，再生车不能马上检测出，此时对停电的反应时 间是0 1 0 0 m s 。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 c 、再生工况电力系统故障造成牵引变压器己座过电压 再生工况，电力系统故障( 如一次侧输电线路故障) ，一次侧断路器跳 开后而馈线断路器未跳开，再生车尚未停止再生前，经由主变的一次线圈， 对另一座产生过电压。s c o t t 变压器如t 座车辆再生时发生一次相间短 路，m 座将产生3 倍的过电压。 d 、再生工况扩大牵引供电系统负序 新干线为减少系统负序，牵引变压器般采用平衡变压器。根据研究和 实验，在一臂牵引，一臂再生时，负序电流将放大，不平衡系数在1 2 ；在 两臂均再生或牵引，负荷完全相等时，不平衡系数为0 ；一臂再生或一臂牵 引，不平衡系数为1 。在这几种状态中，臂再生，另一臂牵引时，平衡变 压器的平衡效果被严重恶化，为此，日本不得已采用了昂贵的补偿装置，如 单相s v c 、移相s c o t t s v c 、三相接线s v c 、不等边s c o t t s v c 等。 3 、法国 ( 1 ) 牵引供电系统概况 法国t g v 东南线的运行速度为2 7 0 k m h ，追踪间隔时分为5 m i n ，大硬 洋线的运行速度为3 0 0 k m h ，追踪间隔时分为4 r a i n ，北方线运行速度为 3 0 0 k m h ，追踪间隔时分为3 m i n ，英吉利海峡隧道客货混运，追踪间隔时分 为2 5 r n i n 。法国t g v 高速铁路在东南线第一次采用a t 供电方式，而后大 西洋高速线、北方高速线等高速铁路均采用a t 供电方式。 ( 2 ) 东南线供电系统 东南线的牵引变电所是法国电力公司通过双回2 2 5 k v 供电，主要供电 设备均采用1 0 0 备用。主变压器全部为单相牵引变压器，低压次侧设有电 压自动调整装置，该装置具有一定的延时性，当母线电压持续6 0 s 低于 2 6 k v 时可自动调整电压并保持电压在2 6 k v 以上，因此，仅一列动车组通 过时不动作，当动车组交会时才动作。电压调节共分2 0 级，每级3 5 0 v ，具 有补偿高压变化的作用。牵引变压器容量均为6 0 m v a 。东南线共设有8 个 牵引变电所，其中2 、3 、4 变电所为a t 变电所，其余变电所均为直供变电 所。a t 变电所间平均距离为9 0 k m 左右，直接变电所为4 0 k m 左右。a t 主 变压器二次侧绕组中点引出并接地( 钢轨) ，这样可不必在变电所馈线上安装 自耦变压器，简化了变电所的接线。全线总安装容量为8 0 0 m v a ，检修在 夜间，为了检查和简易维护，白天也有8 0 r a i n 天窗。 a t 供电区段a t 变间距约为1 5 k m 。主变压器采用油浸自冷变压器，变 压器电抗较高，可使短路电流限制在1 2 0 0 0 a 以下。每个变电所通过4 个断 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 路器向架空接触网供电。变电所2 5 k v 侧采用六氟化硫断路器，断路器的额 定电流为1 2 5 0 a ，断流能力1 5 0 0 0 a 。 为了限制电铁对电力系统的负序影响，法国采取了如下措施： 牵引变电所由2 2 5 k v 供电，以确保变电所与系统联结点有足够的短路容 量； 所有牵引变电所通过相序轮换接入电力系统； 在电力系统薄弱、大密度行车时，单相负荷对系统影响可能超标的牵引变 电所，变电所按可以单相与“v ”接相互转换设计： 电网短路容量不足的地区，牵引变电所设置补偿装置。 4 、德国 德国高速铁路采用1 5 k v 、1 62 3 h z 供电，铁路有自营的专用单相1 6 2 3 h z 的发电厂，给牵引变电所供电，也有部分采用公共电力系统，经电气 化铁路的变频站供给牵引网。 汉诺威一维尔茨堡i c e 高速线由4 个既有线和7 个新建的牵引变电所供 电；曼海姆一斯图加特i c e 高速线由2 个既有和3 个新建牵引变电所供电。 在新建和既有线的联结处，设有分区亭。为高速线供电的既有线牵引供电设 备都根据负荷的增加和短路功率的提高进行了加强和现代化的改造。高速线 上的新建牵引变电所和配电所都是统一规格的。每个牵引变电所都装有2 台 1 5 m v a 的变压器，实行双边供电，变电所间距约为3 0 k m 。 为了将新建成的或经过现代化改造的高速线牵引供电设施接通到原来的 供电系统上，对电力调度、美因河畔的法兰克福中心调度所以及有关的遥控 装置的e 1 常控制设备进行了适当的改造。 s 、西班牙 ( 1 ) 供电系统设计原则 牵引供电系统的构成应当尽量简单； 牵引变电所的高压输电线路力求最短； 除必要的预留外，变电所的结构力求简单； 接触网结构应尽可能轻量化。 ( 2 ) 供电方式 西班牙电气化铁路均为3 k v 直流供电，对几种供电方式进行比较，详 见表1 2 ，最后决定采用带回流线的直接供电方式，主变压器采用单相接 线，其运营经济性比较优越。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 表1 2西班牙高速铁路供电方式比较 项目直流3 0 0 0 v交流2 5 k v交流2 2 5 k v 牵引供电方式带回流线直接供电a t 供电 牵引变电所数量3 0 座1 2 座6 座 单个变电所容量 3 x 5 m 2 2 0 m v a2 x 4 0 m 蹦 变电所间距 1 5 1 6 k m4 0 k m7 5 8 0 k i n 接触网结构复杂简单复杂 辅助设备设4 0 座2 1 0 m v a a t 所 采用带回流线直接供电方式的优点： 牵引变电所数量适当，当由于运行故障或其他外部影响造成某个变电所停 电时，对整个系统影响较小； 由于变电所的容量不很高，就不一定要接入2 2 0 k v 系统，可以在 1 1 0 k v 、1 3 2 k v 等级中选择，这样高压设备( 如输电线、开关装置、主变 压器等) 的投资可以降低1 3 。 接触网结构简单，沿线不需要架设a t 供电的正馈线，可节约投资，并减 少维修难度； 沿线不需要设置a t 变压器： 车站及其他运行场所接触网隔离开关和变电所内的2 5 k v 开关设备只需要 单极形式； 采用带回流线的直接供电方式，使干扰电压和钢轨电位都降低至无危险或 不干扰运营的范围。 采用单相接线牵引变压器的优点： 2 台变压器并联运行时，对三相系统的不平衡影响较小： 高压线路与高压开关仅需要双极形式； 不会产生相间短路，因此无论在高压或中压侧都不需要进行复合电路连 锁； 在牵引负荷较低时，只需要简单的开关操作就可转换成单台变压器运行； 变电所的结构简化，还可减少电分相的数量。 马德里一塞维利亚不采用a t 供电方式，还因为沿线有较密集的国家高 压电网，即使在经过莫雷纳地区也是如此，这就为直接供电方式提供了很好 的外部电源条件。 ( 3 ) 牵引变压器容量的选择 牵引变压器容量必须能满足列车运行所需的功率和其他辅助用电设备所 需能量的要求。牵引变压器提供的能量包括： 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 两列同时告诉运行的列车，功率为2 x 8 8 0 0 k w 动力； 旅客列车发车前的空调用电以及道岔加热设备、车站、中央调度室总计约 1 0 0 0 k w 的用电； 列车行驶过程中4 0 0 k w 空调用电； 接触网1 0 的总损耗。 此外，还需考虑线路坡度和紧急供电的需要，并保留一定的裕度和变压 器的过载能力，每个变电所要提供约7 0 m v a 的功率，主变压器采用1 0 0 备用，高速线上1 1 个牵引变电所的容量为2 x 2 0 m v a ，只有奥尼略再增加1 台2 0 m v a 的变压器，用于马德里一阿托恰车站空调供电。 ( 4 ) 牵引变电所间距 电力机车是在运行移动中从接触网获取电能的。由于牵引网本身的阻 抗，使得机车负荷点与变电所出口馈线电压存在一定的电压差。西班牙国铁 规定，接触网容许电压变化范围2 4 + 1 0 ，即额定电压为2 5 k v 时容许电 压范围为1 9 2 7 5 k v 。 马德里一塞维利亚高速铁路采用了r e 2 5 0 型接触网，通过车站和变电 所附近的隔离开关实现并联供电。由于上下行负荷随坡度和加减速度频度的 不同而有很大差别，并联运行不仅使牵引网电能损耗和压降达到最小，并能 充分利用接触网的热容量。接触网与回流线、钢轨、大地构成回路的单位阻 抗为o 0 9 2 + j 0 2 0 8 ( o k m ) 。考虑到高压电网电压的波动，接触网的电压降 不应大于4 k v 。对于功率因数在o 9 8 以上，电抗为电阻2 倍多的接触网， 每公里的电压降用下式计算有足够的精度：州。j 一8 “e 。( 1 - 1 ) 式中 1 w 一电流有功分量；i b 一电流无功分量；r 一接触网回路电阻；x _ 一接触网 回路电抗。考虑负荷为2 x 8 8 0 0 k w 、电能传输效率为0 8 8 时，最大供电臂长 度与功率因数的关系如表1 - 3 所示。 表1 3不同功率因数供电臂长度 功率因数 0 8 50 9o 9 50 9 8 最大电流( a ) 1 2 4 01 1 7 01 1 1 01 0 7 5 有功电流( a ) 1 0 5 01 0 5 01 0 5 01 0 5 0 无功电流( a ) 6 5 55 1 53 4 52 1 5 1 w r ( v k m ) 9 79 79 79 7 ，a x ( v k i n ) 1 3 61 0 77 2 4 5 ，w 8 + ，a x ( v k m ) 2 3 32 0 41 6 91 4 2 供电臂长度( k r n l 1 72 02 42 8 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 由于西班牙a v e 型列车采用了交直交传动方式，采用0 9 8 的平均功 率因数可得出2 8 k i n 的最大供电臂长度，在确定供电臂长度时，还必须考虑 以下两点： 由接触网的机械和热负荷性能决定的最大容许短路电流； 供电臂末端最大工作电流与短路电流的区别。 根据最大供电臂的长度，结合电力系统与铁路线路的位置，并为避免把 变电所设在长大坡道上，有些变电所在技术上也作了特殊处理。如处于蒙雷 山区的第8 个变电所设在铁路隧道的山坡上。为了供电，在变电所和铁路线 路之间架设了l k m 的馈电线和回流线。 ( 5 ) 对电网不平衡的影响 由于牵引变压器采用单相接线，必然会对电力系统造成一定的不平衡影 响。西班牙规定：电压不平衡度长期不大于1 5 ，短时不超过2 。 6 、韩国 ( 1 ) 韩国高速铁路牵引供电概况 韩国京釜高速铁路全长4 1 2 k m ，设计最高速度为3 5 0 公里小时，运营 的最高速度为3 0 0 公里小时，最小间隔时间为4 分钟。牵引供电系统采用 a t 供电方式，设有牵引变电所、自耦所、开闭所和分区所，各所均与电力 配电所合建，不设独立的所用变压器。全线共设有9 个牵引变电所( 高速新 线共设7 座牵引变电所包括1 座高阳车辆段牵引变电所) ，包括汉城车站和 高阳车辆检修基地牵引变电所，车辆段内的牵引网采用带回流线的直接供电 方式。牵引变电所的进线电压为1 5 4 k v ，设2 回电源进线，并互为热备用， 牵引变电所、分区所、a t 所均设自耦变压器，a t 变间距8 - 1 0 k m 。接触网 采用带预留弛度的全补偿简单链型悬挂。全线设通信、信号及接触网专业共 用的贯通地线，上下行各一根( 截面为7 0 r a m 2 铜线) 。p w 线无绝缘，钢柱 直接接地。 ( 2 ) 牵引变电所( 方式与大秦形式相当) 牵引变电所总平面布置( 以新清州牵引变电所为例) ：变电所场坪面积 为8 0 0 0 平方米，造价为1 4 6 4 亿韩元( 含电源进线) 。高压设备均为室外布 置，并预留了远期设备安装的土建条件。变电所实行牵引供电与电力供电合 建形式，设三绕组变压器，变压器安装容量为2 x ( 1 2 0 + 4 ) m v a ，近期单 台运行，1 0 0 备用，在相邻所故障解列情况下，可实现两台主变压器的并 联运行。预留位置，远期可增设第三台主变压器。牵引变压器容量为 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 0 页 1 2 0 m v a , s c o t t 接线，高压进线及馈线侧1 5 4 k v 和5 5 k v 开关设备均采用室 外高压组合电器( g i s ) 设备，设备由l g 公司生产。 接线形式：牵引变电所采用1 5 4 k v 两路电源进线，两回电源进线之 间，采用双母线不分段，通过隔离开关与母线相联。进线与变压器分别设有 断路器。5 5 k v 接线采用单母线不分段接线。每回馈线通过隔离开关分别接 至t 母线或m 母线，设有旁路母线，从而通过电动隔离开关实现一台断路 器对所有馈线的备用。各变电所均不设电容补偿，但设有高次谐波的有源补 偿装置。牵引变压器与动力变压器采用油浸变压器，两变压器之间通过专用 设备( 管道) 直接相联，共用一台断路器进行保护。控保设备及低压配电设 备均设在室内，控保设备采用综合自动化装置，由韩国光明公司生产，各所 均设有“三遥”和遥视功能。视频监控装置每所室外设置三个摄像头，室内主 控室设置一个摄像头。采用无人值班方式。自耦所( a t 所) 设有两台断路 器，两台自耦变压器，设备采用组合电器。分区所( 供电所) 设置五台断路 器，两台自耦变压器，可以实现并联供电，也可以越区供电。设备采用组合 电器。 ( 3 ) 电力调度 韩国高速铁路调度系统有两层组成，调度侧重点不同，可相互支持。在 全线4 1 2 k m 高速线路上，设一个中央调度所和两个子调度所，中央调度所 位于光明高速站的地下一层，子调度所设在天安和大邱。中央调度所实行调 度集中方式，行车调度和电力调度仅一墙之隔，牵引供电与电力供电调度合 一，共用模拟盘在模拟盘的的中上方显示的是牵引供电系统，下方所示是 电力供电系统。正常情况下中央调度所牵负责引供电系统调度，光明、天 安、大丘调度所负责电力供电的调度分段。两层次、三个调度所互为备用， 即中央调度所在子调度所故障时，可进行电力供电调度控制，反之，在中央 调度所不能正常工作时，天安、东大丘分调度中心也可以对所辖区段的牵引 供电设施进行调度管理。 京釜高速铁路采取调度集中方式。调度中心设有总调度台和两个控制 台，同时设有模拟屏和大屏幕投影设备( 背投) ，还设有多台视频监控显示 屏( 每个牵引变电所对应一个，实时显示) 。 1 3 本文的主要工作 本文针对高速铁路牵引供电系统，着眼国内国外的情况，从与牵引供电 系统直接相关的高速列车入手，对目前高速铁路比较发达的日本、法国和德 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 l 页 国高速列车进行了较为全面详细的介绍，对交直交传动和高速列车的控制方 式进行了阐述，得出了高速列车的负荷特征。结合高速铁路的负荷特征，对 牵引网供电方式和牵引变压器接线形式进行了分析论证，针对武广客运专线 的具体情况提出了三变压器方案，详细分析了三变压器方案的优点和存在问 题，并提出了主接线方案；同时对高速铁路牵引网载流量、牵引功率及回流 接地问题进行了分析，推导了计算原理和计算方法并进行了实际计算；最 后，对平均有效电压和再生制动对牵引供电系统的影响进行了分析和阐述， 提出了采用单位功率需求原理计算平均有效电压的方法。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 2 页 第二章国外高速列车 2 1 日本例0 】5 l 【1 9 】口0 】【2 1 l 伫4 】口5 】 1 、总的特点 日本由于国土地质松软、城市密集、人口密度大，广泛采用动力分散方 式，其高速列车具有以下特点： 列车定员多；轴重较小；动轴数量多；牵引电机功率较小，转向架 重量轻，运行平稳性较好：车厢内噪声较大。 2 、各型高速列车特点及参数+ 至今日本高速列车已经发展了2 1 种，其中0 系、i 0 0 系、1 0 0 n 系、 2 0 0 系、4 0 0 系采用的是交直传动，3 0 0 系、e 1 系、e 2 系、e 3 系、e 4 系、 5 0 0 系、7 0 0 系、3 0 0 x 、s t a r 2 1 、w i n 3 5 0 等均采用交直交传动系统。3 0 0 系是日本高速列车中最具有代表性的高速列车，而最新的7 0 0 系高速列车则 代表了日本高速列车技术新的发展。 3 、3 0 0 系高速列车 ( 1 ) 3 0 0 系高速列车的特点 日本开发3 0 0 系时采用了很多新的技术，3 0 0 系是日本自高速铁路开通 以来以全新面貌出现的高速列车，其主要参数详见表2 - 1 ，3 0 0 系主要有以 下特点： 表2 - 13 0 0 系高速电动车组的主要参数表 编组定员1 3 2 3 人受电弓 下框交叉式，带受电弓罩t p s 2 0 3 型 运营最高速度 2 7 0 k m h 牵引方式v v v f 逆变器控制的三相感应电机 总功率1 2 0 0 0 l ，w供电方式a c 2 5 k v 、6 0 h z 启动加速度 0 4 4 4 m s 基本编组 1 6 辆编组，1 0 m 6 t ( 1 t + 2 m + i t ) 主变压器2 9 0 0 k v a x 5 台编组编组长度中间车：2 5 m ，头车：2 6 0 5 m 方式m 车：交流再生制动、空气制动，t 车：涡流盘制动、空气制动 制动 控制再生制动和涡流制动优先，空气制动补充 主变流装置g t 0 元件p w m 变流器逆变器，1 2 0 0 k w x l 0 台编组 主电动机三相鼠笼式异步电机，强迫风冷，3 0 0 k w x 4 0 台编组 从空气动力学出发，车头做成斜鼻流线型； 为减少空气噪声，尽量减少车身凸凹，为减轻重量，车体采用大型挤压铝 合金型材制成； 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 3 页 牵引电机首次采用交流感应电动机，因采用交流电机和交直交传动系统， 使结构简单化，实现了电机小型轻量化，每台电机的输出功率提高到 3 0 0 k w ，增加了拖车的数量； 牵引传动采用v v v f 逆变控制，电制动采用再生制动； 为降低重心，将车顶高度从4 0 m 降低到3 6 5 m ，采用小直径车轮把空调 机等安装到地板下面； 为进一步降低噪声，减少了受电弓的数量，采用受电弓流线型外罩和地板 下设备流线型外罩等措施。 ( 2 ) 3 0 0 系牵引传动系统 3 0 0 系的牵引传动系统是日本新干线最具代表性的交流牵引传动系统。 3 0 0 系动车组以2 动1 拖为一个单元，每个单元的传动系统大致相同，主要 包括三大部分：主变流器( 4 台四象限脉冲整流器，2 台v v 、，f 牵引逆变 器，直流中间回路等) 、牵引变压器( 1 台) 2 9 0 0 k v a 、交流牵引电机( 8 台，每台3 0 0 k w 额定功率) 。主回路有2 个主变流器，每个主变流器装置 中有4 个模块，其中2 个模块为两重四象限脉冲整流器，另外2 个模块为逆 变器和过电压保护装置。整流模块由4 只g t o 元件( 4 5 0 0 v 3 0 0 a ) 和4 只反 并联二极管( 4 5 0 0 v 8 0 0 a ) 组成，逆变电路与整流回路由相同模块组成，中间 直流回路电压1 9 0 0 v 。3 0 0 系每单元主电路如图2 - 1 所示。 图z 一13 0 0 系每单元主电路图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 4 页 3 0 0 系的电传动采用牵引变压器+ 四象限脉冲整流器+ p w m 逆变器f w v f ) + 三相交流感应电动机的传动方式，这种供电方式，最大的优点在于：在牵引 和制动的整个功率区域内，功率因数可以始终接近1 ；采用多重的四象限脉 冲整流器，可以使网侧的电流谐波最小；中间直流回路的电压比较稳定。 3 0 0 系交流感应电机采用转差频率控制法，其牵引力速度和牵引加速度速 度曲线如图2 2 所示( 图中虚线为1 0 0 系，实线为3 0 0 系) 。 ：寰粤。嚣o f i 彳鼙擎洼蛩 图2 23 0 0 系、3 0 0 系牵引特性与牵引加速度曲线 4 、7 0 0 系高速列车 ( 1 ) 7 0 0 系高速列车的特点 7 0 0 系高速列车( 其主要参数见表2 2 ) 吸收了到目前为止的许多技术 开发成果，主要集中在以下方面： 表2 27 0 0 系高速电动车组的主要参数表 编组定员1 3 2 3 人受电弓单臂翼v 式，带受电弓罩 运营最高速度2 8 5 k m h牵引方式v v v f 逆变器控制的三相感应电机 总功率1 3 2 0 0 k w供电方式 a c 2 5 k v 、6 0 h z 启动加速度 0 5 5 5 m s 基本编组 1 6 辆编组，1 2 m 4 t ( 3 m + 1 n 主变压器2 9 0 0 k v a x 6 台，编组编组长度 4 0 4 7 m 方式m 车：交流再生制动、盘型剐动，t 车：涡流盘制动、盘型制动 制动 控制再生制动和涡流伟i动优先，盘型制动补充 主变流装置i g b t 元件p w m 变流器逆变器，1 2 0 0 k w x l 2 台编组 主电动机三相鼠笼式异步电机，强迫风冷，2 7 5 k w x 4 8 台牖组 舒适度的改良 在全列车车体间设置了减震器，受流装置安装了绝缘子噪声屏蔽盖。 车内噪声的降低 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 5 页 为防止牵引电动机的摩擦空气噪声、齿轮高速区域的特殊噪声，对传动比进 行了变更； 车头形状的变化 加长了车头长度，改良了头车外观形状的设计，扩大了司机室的空问，提 高了空气动力学的特性。 采用运行成本低的交流电动机 变流器装置采用i p m 模块替代了g t o 主回路采用i g b t 元件，变流装置的频率提高到1 5 0 0 h z ，有效的抑制了 高次谐波，降低了主变压器的噪声 ( 2 ) 7 0 0 系牵引传动系统 7 0 0 系牵引传动系统与3 0 0 系基本类似，最大的不同在于变流器采用了 i p m 模块交流器件采用了i g b t ，主电机功率提高到了2 7 5 k w 。由于变流 装置频率提高到了1 5 0 0 h z ，同时采用了三级电平电路，使输出波形更加接 近正弦波；频率的提高，使变流装置的工作频率远离车体、地板等共振区频 率，降低了主变压器的噪声。7 0 0 系每单元主电路如图2 3 所示。 j j 7 。| i 蠡；i 黪1 熏霭黧 私；二ih 蠹蚕鼋藏 图2 37 0 0 系单元的主回路图 2 2 法国9 】【l 川【1 5 】【1 9 1 1 2 0 1 2 1 1 1 2 4 1 1 2 b 1 、总的特点 ( 1 ) 采用动力集中，列车两端为动车，中间车辆为铰接连结； ( 2 ) 列车动力转向架采用牵引电机体悬及三球销万向轴传动系统； f 3 ) 传动系统中除t g v t m s t ( e u r o s t a r ) 采用感应牵引电机外，所有的t g v 高 速车均采用自换相同步牵引电机； 动力车的制动全部采用电阻制动系统； 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 5 页 为防止牵引电动机的摩擦空气噪声、齿轮高速区域的特殊噪声，对传动比进 行f 变更； 车头形状的变化 加长了车头长度，改良了头车外观形状的设计，扩大了司机室的空间，提 高了空气动力学的特性。 采用运行成本低的交流电动机 变流器装置采用i p m 模块替代了g t o 主回路采用i g b t 元件，变流装置的频率提高到1 5 0 0 h z ，有效的抑制了 高次谐波，降低了主变压器的噪声 ( 2 ) 7 0 0 系牵引传动系统 7 0 0 系牵引传动系统与3 0 0 系慕奉类似，最大的不同在于变流器采用了 i p m 模块变流器件采用了i g b t ，主电机功率提高到了2 7 5 k w 。由于变流 装置频率提高到了1 5 0 0 1 4 2 ，同时采用了i 级电平电路，使输出波形更加接 近正弦波；频率的提高，使变流装置的工作频率远离车体、地板等共振医频 率，降低了主变压器的噪声。7 0 0 系每单元主电路如图2 3 所示。 j 一豁 固2 37 0 0 磊单元的主回路图 2 2 法 虱r p l t l o l t a s l 1 9 1 i z 0 1 1 2 1 1 2 4 1 1 2 j 1 1 、总的特点 ( 1 ) 采用动力集中，列车两端为动车，中间车辆为铰接连结； f 2 ) y d 车动力转向架采用牵引电机体悬及三球销万向轴传动系统； ( 3 ) 传动系统中除t g v - t m s t ( e u r o s t a r ) 采用感应牵引电机外，所有的t g v 高 速车均