（电力系统及其自动化专业论文）高压直流牵引供电系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第| l 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h s p e e dr a i l w a y ，a ni n c r e a s i n gn u m b e ro f p r o b l e m sa r o s ei nt h ee x i s t i n gt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m , a n dh a v eb e c o m ea b o t t l e n e c ki nt h ed e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e dr a i l w a y h i g h v o l t a g ed ct r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e mc o u l ds o l v et h e s ep r o b l e m se f f e c t i v e l y ，a n dh a sb e c o m eo n e r e s e a r c hd i r e c t i o nf o rt h ef u t u r er a i l w a yd e v e l o p m e n ti nc h i n a d e t e r m i n i n gt h e v o l t a g el e v e li sav e r yi m p o r t a n ta s p e c to fh i g h - p r e s s u r es t u d i e so fd ct r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e m i nt h i st h e s i s ，d e t a i l e da n a l y s i sa n dd i s c u s s i o n sh a v eb e e n c a r r i e do u ti nm a n ya s p e c t s a f t e rs i m p l ei n t r o d u c t i o no fa l l p a r a l l e la tp o w e rs u p p l ys y s t e m ，3s c h e m e s a b o u th o wt od e t e r m i n et h ev o l t a g eo fh i g h - v o l t a g ed ct r a c t i o np o w e rs u p p l y s y s t e mw e r ep u tf o r w a r d ，t h e nt h es t r u c t u r eo ft h ef o r mo ft r o l l e yl i n ea td i f f e r e n t l e v e l so fd cv o l t a g ew a se s t a b l i s h e d f i n a l l y , o nt h eb a s i so fb e i j i n g t i a n j i n h i g h - s p e e dr a i l w a y , s u p p l ya lml e n g t ha n dp o w e rl o s so ft h et r o l l e yl i n ew e r e c a l c u l a t e du n d e rt h es a m et r a n s p o r t a t i o n s t r a yc u r r e n th a sas e r i o u sc o r r o s i v ee f f e c to nt h eu n d e r g r o u n dm e t a ls t r u c t u r e ， w h i c hm a yc a u s es e r i o u sc o n s e q u e n c e s r e d u c i n gt h es t r a yc u r r e n ti sa ne f f e c t i v e m e t h o dt op r e v e n ta c c i d e n t i nt h i st h e s i s ，t h em a t h e m a t i c a la n a l y s i sh a v eb e e n c a r r i e do u to nt h eb a s i so fs t r a yc u r r e n tm o d e lo fb i l a t e r a lp o w e rs u p p l ys y s t e m , a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et r a i nc u r r e n ta n ds t r a yc u r r e n tw a sa n a l y z e db y m e t h o do fc o m p u t e rs i m u l a t i o n f i n a l l y ，t h ec o n c l u s i o nt h a ti n c r e a s i n gv o l t a g e c o u l dr e d u c et h es t r a yc u r r e n te f f e c t i v e l yw a sd r a w n h o o pp a n t o g r a p ha n dt r o l l e yl i n eh a v ev e r ys p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c so fw o r k i n g c o n d i t i o n s ，c u r r e n tp l a y sav i t a lr o l ei ne l e c t r i c a lc o n t a c t so ft h i sp a i ro ff r i c t i o n t h i st h e s i sa n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo ft h ec u r r e n ts i z et ot h et h e r m a le f f e c to f c o n t a c tr e s i s t a n c ea n do f f - l i n e a r c e n e r g y , a n d d e m o n s t r a t e dt h a tt h e d o u b l e - p a n t o g r a p h c o u l dh e l pr e d u c ee l e c t r i cc o r r o s i o ni nt w oa s p e c t s ：t h e t e m p e r a t u r er a i s eo fc o n t a c tr e s i s t a n c ea n da r cc o r r o s i o n t h e s e3s c h e m e sa b o u th o wt od e t e r m i n et h ev o l t a g eo fh i g h v o l t a g ed c t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e ma r ea n a l y z e da n dc o m p a r e di nm a n y r e s p e c t s a n d t h ec o n c l u s i o nt h a tt h ev o l t a g eo f h i g h v o l t a g ed ct r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m i s35 k vw a sr e a c h e d a tt h es a m et i m eb yc o m p a r i n go f h i g h v o l t a g ed ct r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e ma n da l l p a r a l l e la tp o w e rs u p p l ys y s t e m ，t h i st h e s i sd r a w a c o n c l u s i o nt h a tt h ef o r m e rh a dt h ea d v a n t a g e so ft h ee c o n o m i ca n dt e c h n i c a l k e yw o r d ：h i g h v o l t a g ed ct r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m , s u p p l ya r m , s t r a y c u r r e n t ，c o n t a c tr e s i s t a n c e ，e l e c t r i cc o r r o s i o n 西南交通大学曲南交通大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密面，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：于善爨指导老师签名：七厂勺。，1 日期：2 。q 9 r 弓j日期：。7 r ，3j 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：寸罾、宾 e t 期：2 。务s 。毛l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第一章绪论 电力牵引始于十九世纪八十年代初，首先在城市、工矿运输中得到应用。 随着电机、电器制造和电力工业的发展，于2 0 世纪初才开始应用到铁路干线 上来。 最初，各国电气化铁路多采用直流牵引制。直流牵引制对铁路沿线通信 干扰的影响是较小的，直流电力机车的构造也较简单。现阶段，在世界各大 城市已建成或在建的地铁和轻轨均采用直流牵引制。它为解决城市交通问题， 促进地方经济发展，做出了重大贡献。 交流制的发展比较缓慢，在2 0 世纪初出现了三相交流制。但这种电流 制由于接触网结构复杂，且受机车电力传动水平的限制而没有得到广泛采用。 不久，出现了低频单相交流制，为了减轻牵引电动机的换向负担，多采用5 0 3 赫兹的低频电压。至今许多西欧国家仍存在这种电流制的电力牵引装置。这 种装置要同时把三相工频交流电变换为单相低频交流电，因此使牵引变电所 的设备和运行管理都很复杂。比如德国等国家修建了专门的低频发电站和输 变电系统。它为工频单相交流制的发展打下了很好的技术基础。 2 0 世纪5 0 年代，2 5k v 、5 0h z 交流牵引供电网在法国研制成功并投入 运行，为世界电气化铁路使用单相工频交流牵引供电网揭开了序幕。1 9 6 1 年， 我国建成了第一条电气化铁路一宝成铁路时，在宝鸡凤州段采用了这种 电流制，并作为我国电气化铁路牵引供电网的标准制式。经过四十多年的发 展，我国电气化铁路从零发展到2 万多公里，取得了辉煌的成就，并为我国 社会经济发展做出了巨大的贡献，其中单相工频交流牵引供电系统功不可没。 铁路干线电力牵引都以公用电网配电，实质上是取用经变换的单相电。 电气化铁路都采用工频5 0 h z ，额定电压为2 5 k v 或2 2 5 k v 的单相交流制uj 。 现行的牵引供电系统虽然具有能源消耗少，环境污染小、机车速度快及牵引 动力足等诸多优点，但在运行的过程中存在着负序、谐波和过电分相等问题， 现有牵引供电系统结构受到极大挑战【2 】。尤其是近年来，铁路高速重载化的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 发展以及电气化铁路规模的扩大，尤其是客运专线的迅速发展，这些问题显 得越发突出，促进铁路科研工作者探索一种新的供电方式，解决这些问题。 1 2 高压直流牵引供电系统研究意义和国内外研究现状 ( 1 ) 现有干线铁路供电系统存在的主要问题： 电力牵引负荷为单相非线性冲击负荷，功率大，在运行过程中有较大 的负序电流注入电网，负序电流对电力系统有着相当严重的危害和影响，其 表现为：一是造成系统网络节点电压不对称，降低三相电动机出力；二是负序 电流在电网中产生负序功率损失，降低了电网的运行效益；三是负序电流在 发电机定子中产生和转子旋转方向相反的空间旋转磁场，它以二倍同步转速 切割转子导体，在其中产生感应电势，致使转子附加发热，严重时导致转子 绕组烧损p 制。 牵引负荷不仅是负序源，而且也是谐波源。由于牵引负荷的移动引起 谐波网络参数的变化、牵引负荷大小的剧烈变动、受电弓在接触网上移动时 离线引起电流的剧烈变化、电力机车过接触网电分相的突然切除和投入、机 车使用单相二脉冲整流等因素共同作用，使牵引负荷引起的谐波具有随机性、 波动性和不平衡性，表现相当复杂，到目前为止还没有一个合适的治理方案 7 - 1 0 o 电力系统供电时，为求得系统平衡，牵引变电所采取三相进线换相连 接措施，这就导致2 5 k v 侧接触网的电分相环节( 分相绝缘器) 出现，而高 速和重载运输则要求机车受电弓平滑受流，因此这种分相环节由于机械上和 电气上的弱点，不仅成为速度和牵引力损失的主要原因，也是整个系统中最 薄弱的环节之一。自动过分相装置虽然是解决问题的方法之一，但因电压高， 转换动作频繁，使其准确性和可靠性在应用中受到严峻挑战。而且，无论哪 种自动过分相装置在过电分相时总有一个断电过程，机车就必然有速度损失 问题，这为高速电气化铁路的发展带来不利影响【1 卜”j 。 上面提到问题是我国电气化铁路牵引供电网发展道路上的主要瓶颈。对 此，我国铁路科技工作者进行了大量的研究。但每个问题的解决都存在很大 的困难，即使每个方面的问题在不久得到解决，但把各个方面的解决方案集 成在一起，也将是一个非常复杂、庞大的系统，费用也会很昂贵。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 2 ) 高压直流牵引供电系统研究现状和条件 为了解决现有供电系统存在的问题，铁路科研工作者进行了深入的讨论 和开展了大量的研究。目前最主要的方案是同相供电系统，已经取得了一定 的成果。它应用了以负序、无功补偿、滤除谐波为核心的对称补偿技术【lo j ， 采用综合潮流控制器( i n t e g r a t e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ) ，可以消除系统 不平衡，滤除谐波并补偿无功。 另一种解决方案就是高压直流供电制。很早就有人提出了这样的想法， 但是受当时电力电子技术的限制，很少进入实质性研究。随着现代科学技术 的迅猛发展，尤其是电力电子技术的发展，为高压直流牵引供电系统研究提 供了技术上的支持。如： 1 ) 三相异步电机在电力牵引上的应用； 2 ) 晶闸管和大功率可关断器件的不断发展； 3 ) 超高压直流输电技术的深入研究和发展； 4 ) 城市轨道交通在越来越多地方得到应用； 这些都为高压直流牵引供电系统的实现提供了很好的借鉴。 1 3 高压直流牵引供电系统组成及优点 目前，我国使用的工频单相交流牵引供电系统流程如图1 1 所示。经过 牵引降压变电站( 所) 降压变换后，形成2 5k v 单相工频交流电，通过接触网 传输，电力机车用受电弓从接触网获取电流，经过车载变压器降压并整流为 直流，再把直流逆变为三相交流电供给三相异步电动机使用【1 1 。 蕊h 牵斧h 撼啪张h 车鬻器h 交絮h 异荔 图1 1工频单相交流牵引供电系统流程图 由于我们采用高压直流牵引供电系统流程如图1 2 所示。经过牵引降压 整流变电站( 所) 降压整流变换后，形成高压直流，直流电经过接触网传输， 电力机车通过受电弓从接触网获取电流，由车载逆变器把高压直流逆变为三 相交流，然后通过车载变压器降压，最后供给三相异步电动机使用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 麓箍h 裂h 熟h 期耽h 鬻h 车帮h 翥机 图1 2 高压直流牵引供电系统流程图 高压直流牵引供电系统与工频单相交流牵引供电系统相比，带来几个显 著变化：一是把整流环节从车上放到了牵引变电所( 站) 内；二是牵引网上 电能传输由工频单相交流变为直流；三是逆变器由低电压大电流工作方式变 为高电压小电流工作方式；四是车载降压变压器由单相变为三相。 高压直流牵引供电系统与城市轻轨和地铁中使用的直流牵引供电系统最 显著的区别就是电压等级的提高，因而其电路结构和性能都有显著的差异。 由于高压直流牵引供电系统是基于三相异步电机而提出来的，如果是使用直 流牵引电机，机车电路结构就变得更加复杂。但是从我国和世界其它国家都 已经逐步淘汰直流牵引电机，把三相异步电机作为主要的牵引电机的趋势， 尤其是世界各国高速列车都使用了三相异步电机的事实看出，高压直流牵引 供电系统符合我国电气化铁路未来的发展方向。 同时电力机车可以借鉴欧洲的模式，既可以在直流制下运行，也可以在 交流制下运行，以满足交、直流牵引供电系统运营的兼容性。 高压直流供电系统的优点： 无负序电流对公共电网的影响；谐波在变电所( 站) 集中处理，消除 了谐波对铁路沿线通讯线路的影响； 无电分相，保证机车受流的连续性，消除了过分相产生的过电压、电 弧，机车速度损失等现象： 所有供电臂均可连为一体，保证了供电质量。由于直流电的单方向性， 不会产生交流双边供电那样的环流； 直流供电系统电流和功率调节容易、迅速：短路电流小【1 4 】； 离线电弧对弓网系统、开关触头的损耗小。在相同电弧能量的情况下， 直流电弧对弓网系统、开关触头的损耗仅占交流的三分之一【1 5 】； 产生的电磁干扰很小【16 1 ，因此采用直供方式给牵引网供电。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 4 本论文的主要工作 牵引供电系统电压等级是指接触网上电能传输的额定电压大小，确定这 一电压等级是，是研究高压直流牵引供电系统首先要解决的问题之一。而影 响电压等级的因素很多，既有技术上的，又有经济上，并且它们相互作用和 影响。本文的主要工作包括： 1 ) 首先提出了确定电压等级的三种方案；然后确立在不同直流电压等级 下接触网的结构形式；最后以京津高速铁路为例，在满足相同运输能力的条 件下，计算了在不同直流电压等级下供电臂长度和牵引网功率损耗。 2 ) 分析了杂散电流的形成和腐蚀机理，在双边供电系统杂散电流模型的 基础之上分析了杂散电流的分布规律和钢轨电位的变化趋势，以及它们和电 压等级的关系。 3 ) 分析了弓网系统的特点，研究了电流大小在弓网系统滑动摩擦中对电 腐蚀的影响，在列车功率一定的情况下，确定了电压等级与弓网系统电腐蚀 大小的关系。分析了双弓受流对弓网系统滑动摩擦电腐蚀影响的变化，提出 了减小弓网电腐蚀的相关措施。 4 ) 分析和比较三种方案各自的优、缺点，并将具有比较优势的方案同全 并联系a t 供电相比较，得出了d c 3 5 k v 牵引供电系统具有经济和技术上的 优势。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章直流供电系统电压等级方案的选择 2 1 高速铁路全并联a t 供电简介 目前的电气化铁道供电系统一般有：直接供电方式、带回流线的直接供 电方式、b t ( b o o s t e rt r a n s f o r m e r ) 供电方式、a t ( a u t o t r a n s f o r m e r ) 供电方式和同 轴电缆( c o a x i a lc a b l e ) 供电方式等几种。 a t 供电方式是在牵引网中增设正馈线和并联自耦变压器，将牵引供电电 压提高一倍，从而使得牵引网的载流能力大大增加，同时减少对通信线路干 扰的一种供电方式。因此a t 供电方式功率输送能力强，供电距离远，可减 少牵引变电所数量，节约电力系统投资，减少电分相数目，同时能有效降低 对通讯线路的干扰。全并联a t 供电方式是在复线a t 供电方式的基础上，将 上、下行牵引网的接触线( t ) 、钢轨( r ) 和正馈线( f ) 在变电所出线处及a t 所处通过横联线并联起来。在全并联a t 供电方式下，上下行牵引网虽然都 有各自的断路器，但在正常情况下均为一主一备用的运行方式，即上下行牵 引网共用一台断路器。全并联a t 供电方式如图2 1 所示。为适应供电负荷增 大的需要，保证安全、可靠、高质量的供电，减少牵引网上电气分段对机车 速度和受流的影响，降低钢轨电位，我国已建成或在建高速铁路均采用全并 联a t 供电方式。但a t 供电方式接触网结构复杂，供变电设施较多，运营维 护难度较大。 s sa t p a t p s p 图2 1 全并联a t 供电方式示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1 1 京津高速铁路接触网配置 图2 1 是复线牵引网的典型配置【1 7 】，由图2 1 可以看出，该牵引网接触 线、承力索、吊索、正馈线、回流线、钢轨等导线组成。京津各导线的参数 型号见表2 1 。 表2 1 京津高速铁路接触网线型 名称接触线承力索回流线正馈线走行轨 线型r i m1 2 0 b z l l1 2 0e a l1 2 0e a 12 4 0u i c6 0 其中r i m l 2 0 是铝铜合金接触线，主要用于准高速、高速铁道牵引网中。 表2 2 各个导线的基本参数 名称计算截面( m m 2 )计算半径( i t l n l 2 )等效半径( m )电阻( q k i n ) i u m1 2 01 1 6 9 95 3 10 2 4 b z l l1 2 0l1 6 9 90 2 3 7 e a 11 2 011 6 9 97 0 05 3 10 2 5 3 e a l2 4 02 3 6 3 47 6 7 2 2o 11 8 u i c6 07 7 0 81 0 9 11 2 7 90 0 3 4 2 1 2 牵引网阻抗 牵引网阻抗，主要参数是导线的有效电阻尸和等效半径r 。导线对流过 交流电流所呈现的电阻值比流过直流电流时的电阻值要大。一是由于交流电 流的趋表效应，使导线的实际有效截面减小，等效电阻值要大；二是由于交 流电流在铁磁材料中的磁滞及涡流造成损失，使导线中的电能损失加大，从 而也使导线的等效电阻增大。相应的导线对直流电流的电阻称为欧姆电阻。 有效电阻电阻厂等于直流电阻乘上于l 的有效系统数善，即，= ( t o 。对于工 频和牵引网中应用的截面不太大的铝、铜等非磁性导线，有效系数fz1 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ，z 。等效半径尺叼是用来计算导线内感抗的一个参数【i 8 】。 在交流电气化铁路中牵引网的等效阻抗由电阻和电抗两部分组成，它们 是自感和互感相互作用的结果。 图2 2 复线接触网典型配置图 丑陌p匾卜畸 i ia t 所 叫ol r1 1r i 正馈线 i l 一 1ii i i i i i 一 一 i i - r 一 i i 接触网系统 j iji ( )( ) 图2 3a t 系统的回流回路 西南交通大学硕士研究生学位论文舅9 夏 a t 供电系统中的运行电流如图2 3 所示。即电流从2 7 5 k v 母线经馈 线和接触网系统向电力机车提供电流。牵引回流自机车经回流电路至自耦变 压器的中心抽头。 根据文献 2 0 和 2 l 】，可将图2 3 转化成如图2 4 的等值电路模型。 z 3 图2 4 全并联a t 供电等值电路 则其阻抗曲线如图所示： a ta ta t l ( k m ) 图2 5全并联a t 牵引网阻抗曲线 2 2 】 1 一t - f 间短路阻抗2 | t - r 间短路阻抗 2 1 3 全并联a t 供电的相关参数 1 ) 供电系统电压 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 在我国京津高速铁路网规划中规定，接触网标称电压设定为2 5 k v ，长期 最高电压设定为2 7 5 k v ，短时( 5 m i n ) 最高电压为2 9 k v ，设计最低工作电压 为2 0 k v ，即电压允许变化范围为+ 1 0 2 0 。 2 ) 负荷要求 目前，国内高速铁路均按平均运行速度3 0 0 k m h 设计，牵引供电系统需 要满足长编组( 1 2 0 0 人列) 3 分钟追踪的负荷供给要求。 3 ) 供电臂长度及a t 所距离 供电臂长度一般为2 5 3 0 k m ，a t 所距离由于受地形的限制一般为8 1 6 k m 不掣2 3 1 。 2 2 选择直流供电系统电压等级的方案1 2 2 1 原理及电压等级 将接触网电压与现有动车组车辆整流电压保持相同，将直流电逆变成三 相交流直接供三相异步电机使用。 客运高速列车动车组有德国西门子、法国阿尔斯通、日本川崎( k a w a s a k i ) 和三菱( m i t s u b i s h i ) 等公司的技术，动车上每个牵引变流器的容量一般在 1 2 0 0 k v a 到2 0 0 0 k v a 之间，直流环节电压在1 8 k v 到3 8 k v t 渊。 图2 6i g b t 变流器拓扑结构【2 5 1 欧洲有直流、a c1 5k v 和2 5k v 等三种电流制。电网受地域的限制，有 时即在一个国家内也会有多种电流制。为了列车能在整个欧洲自由运行，采 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 取了适应这三种制式的措施，牵引电机能正常运行，其直流区段采用i g b t 牵引逆变器，较好地满足了列车运行的需要【2 5 1 。图2 6 为d c 3 k v 变流器拓扑 结构。而意大利高速铁路采用d c3 k v ，接触网采用双式链形悬挂，即两根 索力索、两根接触导线【2 6 】。 国此我们选取的电压等级为d c 3 k v 。 城市轨道交通电压允许波动范围为+ 2 0 3 0 2 7 ，但高速铁路为保证 列车的平稳运行，与铁路干线电压波动范围要求一致，参照京津高速铁路网 的规定，允许电压变化范围为+ 1 0 2 0 ，则： 【，= 3 l1 0 = 3 3 k v( 2 - 1 ) u l i l i 。= 3 8 0 = 2 4 k v ( 2 - 2 ) a u = u 一一u 。i 。= 0 9 k v( 2 3 ) 2 2 2 牵引网电阻率 参照动车组c h r 2 ( 6 m + 2 t ，额定载6 1 0 人) ，牵引功率只= 7 2 0 0 k w ，小 编组列车受流电流 j ，= 墨= 旦：2 3 5 3 a ( 2 - 4 ) 8 5 u3 0 8 5 如果采用长编组，受流电流最大时将达到5 0 0 0 a ，超过接触网的载流限 制。因此我们选取小编组，2 分钟追踪负荷需求。则列车间距 ，- 3 0 0 0 = 1 0 k m 。意大利高速铁路变电所间距为1 0 1 5 k m ，即供电臂只 有5 7 5 k m t 2 8 1 ，因此设定一个供电臂内只有能有- - y u y u 车通过。 为了提高接触网的载流能力，需要仿意大利架设双接触网，将a t 供电 牵引网的正馈线改作辅助馈线( 每相距8 0 - - - 1 0 0 m 用横向电连接将辅助馈线、 承力索和接触网相连接) ，将回流线改作架空地线，通过轨回流，并将回流轨 并联。所用线材与京津高速铁路相同，见表1 1 和表1 2 。 则其单位电阻 r r | ，扣= j 二2 = 0 0 5 9 6 2 3 d k m ( 2 5 ) ” r i + r 。| 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ，：垒：2 + 主：0 0 4 8 10 9d k m( 2 6 ) l i c y f a 由于导线电阻是随温度的增加而增加的，标准电阻线圈电阻温度公式 2 9 - 3 0 为： r t = r 2 0 【l + 口o 一2 0 ) + p ( t 一2 0 ) 2 j ( 2 7 ) 式中：r 2 0 为导体2 0 0 c 电阻率；口、卢为导线2 0 0 c 时电阻温度系数，分 另取3 8 5 x 1 0 。3 ，0 5 x 1 0 - 6 ；t 导线温度。 影响导线度的因素有： 1 ) 风速是影响导线温的主要环境因素，如图2 7 t 3 1 1 所示。 2 ) 高速列车运行时，速度超过8 0 m s ，空气流动大，有利于导线热在传 导。 3 ) 日照和天气温度变化。 8 0 06 0 是 制 齑4 0 2 0 0 5 l 1 522 533 54 风速( 聊s 一) 图2 7 不同风速下的导线计算温度 综合以上因素，选取，= 7 0 0 c ，设钢轨温度与接触网温度变化相同，则 r m 戤= 0 0 5 7 3 7f 2 k m 2 2 3 变电所间距 由于直流线路电阻与线路长度成正比例关系，最大电压降发生在供电臂 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 末端，也就是双边供电系统中点。设供电臂长度为厶采用双边供电，则有： a u = + r l r t i m i n 一 ( 2 - 8 ) 式中：r 为裕量系数，取1 1 。 把前面计算的参数代入式( 2 7 ) 则有： 三，= 2 x o 9 x 2 4 x o 8 5 ：8 0 8 k i n ( 2 9 ) ， = 一= 、z - 7 ， 一一0 0 5 7 3 7 x 7 2 x 1 1 7 则变电所最大距离可以达到1 6 k m 。 2 2 4 牵引网平均功率损失 设列车保持受流功率不变。则通过供电臂的平均电流【3 2 】 ，彳= 去o ，+ 之+ + ) = 丢( 西= = ：+ v o , - 晏o 8 5 = 3 。4 8 a ( 2 - ，。， 式中：屯表示所有时刻列车受流电流值。 则双边供电牵引网平均功率损失鳓为： ”孚( + 塑m jj 式中：k ，= 1 1 5 a p ，驴为列车电流间断系数，缈= 一t ( f 为列车走行时间， z g t g 为列车带电走行时间) ，取驴= 1 ；聊为供电区段列车数。 每公里牵引网功率损失为： 砺：竽= 4 6 9 。9 k w k m ( 2 1 2 ) 2 2 5 牵引供电系统流程 由于电压等级较低，传输环节采用与城市轨道交通相同的结构形式f 3 3 】， 在铁路沿线间隔一定距离设置一座主降压变电站，将电压等级由a c l l o k v 降压成a c 3 5 k v ，供给牵引变电所，经降压整流输送给接触网，电力机车通 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 过受电弓从接触网获取电流，经过车载逆变器把直流变换为三相交流，供给 三相异步电动机使用。变电所供电示意图和系统流程图分别见图2 8 和图2 9 。 图2 8 牵引变电所典型供电接线示意图 卜主降压变电所僻引变电所 徽黥h 蒜慧h 谶h 器h 蝴蹴h 喜鬻h 晶 图2 9d c 3 k v 牵引供电系统流程图 2 3 选择直流供电系统电压等级的方案2 2 3 1 原理及电压等级 保持现在变电所间距不变，确定直流电压的等级。即直流牵引供电系统 的供电臂长度与现有客运专线a t 供电臂长度保持一致。现有客运专线a t 供电形式的变电所距离为5 0 6 0 k m ，即供电臂长度为2 5 - 3 0 k m ，我们选取 该电压等级下供电臂长度为3 0 k m 。 接触网结构保持与d c 3 k v 相同，即双承力索，双接触导线和一根辅助 馈线。 牵引降压牵引降压 末端 1 5 k m ,1 5 k r n1 5 k n ,1 5 砌 图2 1 0 区间列车数量及间距示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 直流供电系统需要保持与现有高速铁路( 客运专线) 设计要求相同的行 车密度，即列车间距为1 5 k i n ，在上行或下行同一区间列车共3 列，如图2 1 0 所示，则有： u = 7 7 ( 2 1 3 ) 参照动车组c h r 2 ( 6 m + 2 t ) ，额定载6 1 0 人) ，牵引功率舅= 7 2 0 0 k w ，按 长编组考虑，尸：丝：1 6 9 4 0 k w 。 o 8 5 按铁路干线电压波动范围要求，参照京津高速铁路网的规定，允许电压 变化范围为+ 1 0 2 0 ，则： u m 懿= 1 1 u ( 2 1 4 ) u l i l i 。= o 8 u ( 2 1 5 ) a u = u m 。- u m i n = 0 3 u ( 2 - 1 6 ) 把式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) 代入式( 2 - 1 3 ) ，并解方程可得： u 一11 7 7k v 则选取u = 1 2 k v 。 2 3 2 牵引网平均功率损失 通过供电臂的平均电流，据式( 2 - 1 0 ) 可得： 驴知一+ = 致去+ 赤卜邛7 2 a 式中：表示所有时刻列车受流电流值。 由式( 2 一1 1 ) 可得每公里牵引网电能损失功率为： 砑：竽= 6 1 9 2 k w k m ( 2 - 1 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2 3 3 牵引供电系统流程 由于电压等级已达1 2 k v ，不再设置主降压变电所( 站) ，直接由牵引变 电所( 站) 将a c l1 0 k v 降压整流成d c l 2 k v ，输送给接触网，电力机车通过 受电弓从接触网获取电流，经过车载逆变器把直流变换为三相交流，经再通 过车载变压器降压，最后供给三相异步电动机使用，如图2 1 1 所示。 烘电贮 列变蛹 揣霹 受电弓取流 车蓑逆变器 车载变压器 磷 帔流螺降压蜥 就髓直一她变冁 骷怵 图2 1 ld c l 2 k v 牵引供电系统流程图 2 4 选择直流供电系统电压等级的方案3 2 4 1 原理及电压等级 利用现有接触网的绝缘性能和放电间隙，尽可能高地提高电压等级，则 接触网额定电压等级u = 2 u c = 2x 2 5 3 51 ( v 与干线铁路电压波动范围要求一致，参照京津高速铁路网的规定，允许 电压变化范围为+ 1 0 - - , - 2 0 ，则： u m 戤= 3 5 x l1 0 = 3 8 5 k v u 晌- - - 3 5 x 8 0 = 2 8 k v a u = u m 瓢一u m i 。= 1 0 5 k v 2 4 2 牵引网电阻率 由于电压等级的大幅提高，接触网采用与a t 供电结构形式相同，但是 取消a t 所和正馈线，将回流线改作架空地线，通过轨回流，并将回流轨并 联。所用线材与京津高速铁路相同，见表1 1 和表1 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 则其单位电阻率： 由式( 2 7 ) ，可得： 2 4 3 变电所间距 r = 二丛+ 兰= o 1 2 7 7 4 d k m( 2 1 9 ) r 3 七r c a = o 1 5 2 3 3 d k m ( 2 - 2 0 ) 参照动车组c h r 2 ( 6 m + 2 t ) ，额定载6 1 0 人) ，牵引功率只= 7 2 0 0 k w ，按 ，vd 长编组考虑，尸= 竺= 1 6 9 4 0 k w 。 0 8 5 直流供电系统需要保持与现有客运专线设计要求相同的行车密度相同， 即列车间距为1 5 l m 。设供电臂长度为，当一列列车到达两变电所之间的中 间，此时该区间列车最大数量为： 菲陶表示三除以1 5 取其商的整数。 图2 1 2区间列车数量、间距、电位差示意图 由于直流线路电阻与线路长度成正比例关系，最大电压降发生在两变电 所( 站) 中点。如图2 1 2 所示，则有： 除 滁 鲻 灌 5 一 龇 撇 小 a 爵 刽 + ，卜 务、 ，j 10j，三一劫 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 u = ，7 号 。瓦p + 莘丘嘲，5 ) 热聊= 阿 2 p u m i i l + a u ， l ( 2 - 2 2 ) 解式( 2 2 2 ) ，可得： l = 5 7 1 3k m 则牵引变电所间距达l l o k m 。 由于单一供电臂列车数量达到4 列，受流电流近2 0 0 0 a ，从文献e 3 4 中 得知：1 2 0 删m 2 铜合金导线载流量约为7 5 0 a ，1 2 0i l m 2 铜绞线承力索载流量 约为7 5 0 a 。不满足载流条件。 1 ) 为增加导线的载流量，不将a t 供电的正馈线取消，改作辅助馈线。 e - a 12 4 0 辅助馈线载流量约为1 4 5 0 a ，则接触网总的载流量达2 9 5 0 a ，满足 载流要求。同时可以得到积= o 0 8 0 7 2 d k r n ，其它参数不变，解式( 2 2 2 ) ， 可解得l 7 5 k m ，显然我们不能无限制的增加供电臂的长度，原因是： 供电臂越长，为保持一定的行车密度，供电臂内列车数量就越多，受 流大小会超过牵引网载流量的限制。 d 由式i m 瓤= 丢二= 6 0 5 a ，则供电臂内列车数量 u m i n r 2 9 5 0 7 聊- i 丽i 。4 供电臂越长，在区间中点钢轨电位就会越高。 2 ) 不增加正馈线，缩短变电所间距。为不超过载流量，一供电臂内只 能有2 列车运行，则变电所间距三m x = 1 5 4 = 6 0 k m 。 3 ) 设修建1 0 0 0 k m 长的高速铁路，两种结构形式的投资比较： 按第一种结构形式，变电所间距取l l o k m ，接触网增设辅助馈线。 变电所数量为： 力：l1 0 0 _ _ _ _ 0 0i + l ：1 0 力2 i 十l = l u l1 1 0 j 按第二种结构形式，变电所间距取6 0 k m ，接触网不增设辅助馈线。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 变电所数量为： 刀= l 1 0 0 0i 十1 = 1 7 刀= il 十l = l ， l 6 0j 则第一种结构形式比第二种结构形式少7 座变电所，但多2 x 1 0 0 0 k m 辅 助馈线。干线铁路一座牵引变电所的造价约为1 2 0 0 万元，每公里e a 12 4 0 辅助馈线的造价约为8 万元，则： s 1 = 8 x 2 0 0 0 = 1 6 亿元 a s 2 = 12 0 0 7 = 8 4 0 0 万元 则第一种结构形式比第二种结构形式的投资大。 2 4 4 牵引网平均功率损失 1 ) 按第一种形式 通过供电臂的平均电流，据式弋2 1 0 ) 可得： 驴扣2 + + 伽文老+ 去卜q 6 5 7 5 a 玎 z u ， u 一： 则由式( 2 1 1 ) 可得每公里牵引网电能损失功率为： 瓦：盟= 5 k w k m 4 4 45 k w k m 卸d = 子产= 2 ) 按第二种形式 通过供电臂的平均电流，据式( 2 - 1 0 ) 可得： 和扣p + 咖教老+ 老卜划如a ，zziu ， u 一二j 则由式( 2 1 1 ) 可得每公里牵引网电能损失功率为： 砑= 竽：3 1 3 k w k m 则第一种结构形式比第二种结构形式的电能损失功率多。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 2 4 5 辅助馈线投资与节省电能损耗的比较 从投资和电能损失功率来看，采用设辅助馈线，变电所( 站) 间距为6 0 k m 的结构形式比较合理。但是否增设辅助馈线呢? 增设辅助馈线，每公里牵引网电能损失功率式( 2 1 1 ) 可得： 石+ ：业= 1 6 5 9k w k m ” 则每公里牵引网节年节省电能【1 8 】为： ，一。、 鲋7 - - 8 7 6 0 x i a p a 一卸d j - 1 2 8 8 6 x 1 0 3k w h ( a k m ) 若每千瓦小时电能的价格以o 3 5 元计算，则安装辅助馈线每公里节约费 用a a 7 = 4 5 1 万元年。 增设辅助馈线则每条公里投资的增量丛，为8 万元。 一次投资增量所需要的回收期【l8 】为： ac z = 竺2 = 0 1 8 年。 。 z k , 4 ，一0 0 5 4 z 父g ， 该回收期限很短，从经济的角度看是很合算的。 当然，前面是以全年所有时刻都保持3 分钟的追踪负荷计算的，与现场 实际会有很大的偏差。但仍能得出这样的结论：增加辅助馈线，减小牵引网 阻抗，能减小能耗，增加投入的回收期也很短。 因此，直流3 5 k v 的结构形式为：变电所间距为6 0 k m ( 与设计时速相关， 列车速度越快，变电所间距越大；正常运行时，一个供电臂内只允许容纳2 列动车) ：牵引网：简单链形悬挂+ 辅助馈线。 2 4 6 牵引供电系统流程 由于电压等级已达3 5 k v ，不再设置主降压变电所( 站) ，直接由牵引变 电所( 站) 将a c l l o k v 降压整流成d c 3 5 k v ，输送给接触网，电力机车通过 受电弓从接触网获取电流，经过车载逆变器把直流变换为三相交流，经再通 过车载变压器降压，最后供给三相异步电动机使用，