（电力系统及其自动化专业论文）电气化铁路供电电源电压等级的研究.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 缸o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt o o lo ft r a n s p o r t a t i o ni nc h i n a , e l e c t r i f i e d r a i l w a yh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sl o wp o l l u t i o n , h i g hp o w e ra n dh i e , h e f f i c i e n c yo fe n e r g yc o n v e r s i o n w h i c ha l s og a i n e l e c t r i f i e dr a i l w a yw i d e a p p l i c a t i o ni nm a n yo t h e rc o u n t r i e s i nr e c e n ty e a r st h e m sb e e nar a p i dg r o w t ho fe l e c t r i f i e dr a i l w a y , w i t hi t s m i l e a g eo v e r2 0 ，0 0 0 k ma n dt r a f f i ca b o u t5 0 o fa l lt h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n i n t h em e a n t i m e ，t h es p e e d yd e v e l o p m e n tb r i n g sf o r w a r dn e wr e q u i r e m e n tt ot h e p o w e rs u p p l yo fe l e c t r i f i e dr a i l w a y t h ed r a s t i ci n c r e a s ei nb o t ht r a c t i o np o w e r a n dt a r g e ts p e e do fl o c o m o t i v em a d er e q u i r e df o rt r a c t i o ns u b s t a t i o n st oh a v e g r e a t e rd e m a n do f c a p a b i l i t ya n dq u a l i t yf r o mp o w e rs y s t e m t h i st h e s i ss t a r t e df r o mab r i e fi n t r o d u c eo nt h ec h a r a c t e r i s t i co ft r a c t i o n l o a di ne l e c t r i f i e dr a i l w a y s f o l l o w i n gt h a t , t h ev o l t a g el o s sa n dc o r r e s p o n d i n g c a p a c i t yo fs h o r tc i r c u i ti nt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mw e r ec a l c u l a t e da n d a n a l y z e db a s e d h a r m o n i c ，n e g a t i v e s e q u e n c e ，n e tc a p a c i t yo fs h o r tc i r c u i t ， c h a r a c t e r i s t i ca n da d o p t e dm e a s u r e sw i t hh a r m o m c & n e g a t i v e - s e q u e n c eo f t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi no t h e rd e v e l o p e dc o u n t r i e s f r o mt h er e s u l t , t h e d e m a n df o rp o w e rs y s t e ms u p p l yc a p a b i l i t yo ft h ec o m m o ns p e e dr a i l w a ya n d h i g l ls p e e dr a i l w a yw e r eg i v e n , t h eg e n e r a lf o r m u l af o rp o w e rs y s t e mc a p a c i t yo f s h o r tc i r c u i ti nt h eh i g hs p e e dr a i l w a yw a sf i g u r eo u tb yt h ea u t h o r s e c o n d l y , t h e a u t h o ra n a l y z e dt h ee f f e c to nt h ep o w e rs y s t e mb yh a r m o n i c & n e g a t i v e s e q u e n c e w i t he l e c t r i f i e dr a i l w a yi nd i f f e r e n t s u p p l yv o l t a g er a t i n g a n dt h e n ，t h e h a e r b i n - d a l i a ne l e c t r i f i e d m f l w a y a n dt h e c o n s t r u c t i n gj i n g j i n p a s s e n g e r - d e d i c a t e dr a i l w a yw e r ei n t r o d u c e da n dt h e i re f f e c t so np o w e rs y s t e m w e r ea n a l y z e db yt h ea u t h o r f i n a l l y , t h ea u t h o rh a sg i v e nt h es u g g e s t i o na b o u t t h er a t i o n a lv o l t a g er a t i n gs u p p l y i n gt ot r a c t i o ns u b s t a t i o n si nd i f f e r e n ti n s t a n c e t h ee x t e r i o rp o w e rs u p p l yo fe l e c t r i f i e dr a i l w a yi sa ni n t e g r a t e da n d c o m p l i c a t e ds y s t e ms u b j e c t s ，t h i st h e s i sh a sj u s tm a d et h ep r i m a r ys t l l d yi nt h e p r e s e n to ft h ep o w e rs u p p l i e ra n dc o n s u n l e r m a n yo t h e rp r o b l e m sa r et ob e s o l v e db yt h ed e p a r t m e n to f p o w e ra n dr a i l w a yw i t hh i g hc o o p e r a t i o n k e yw o r d se l e c t r i f i e dr a i l w a y ；p o w e rq u a l i t y ；e x t e r i o rp o w e rs u p p l y ；v o l t a g e r a t i n g ；p o w e rs y s t e mc a p a e i t yo fs h o r tc i r c u i t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 铁路是我国重要的运输工具之一，电力机车和内燃机车是现在我国使用 的两种铁路牵引装置。随着我国国民经济和社会的不断高速发展，铁路的运 输能力已经成为日益紧张的“瓶颈”制约。和传统的内燃机车相比，电力机 车牵引有很多优势，如运输能力强、污染小、行车安全等，电气化铁路将是 未来铁路的发展方向。铁路电气化可以提高铁路运输能力、改进铁路运营， 同时也有利于实现资源的合理分配、降低运营成本、保护生态环境等，因此， 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。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可 持续发展的关键和必然之路。 铁路电气化的飞速发展在拓展运输能力、促进经济发展的同时，也暴露 出一些问题和弊端，尤其是在我国现行电网条件下，电力机车运行时，对供 电电网产生了很大的影响。电铁所带来的电能质量问题，对电网及电网其他 用户、包括电铁自身都产生了不利影响。随着电气化铁路在全国的逐步发展， 如何使其对电力系统的影响降为最低，成为了必须认真思考和努力解决的问 题。 1 1 课题研究的背景、意义及国内外现状 现有交流电气化铁路机车负荷是一种变化急剧，随机性强的单相负荷， 电力牵引负荷波动范围大，功率因数低、负序功率大、谐波含量丰富是电气 化铁路的主要技术特征。目前我国电气化铁路广泛使用的交一直型电力机车 均采用单相整流电路，这就不可避免地带来谐波、负序和功率因数等问题。 此外，由于机车运行受到运输组织、线路条件、供电条件以及人为操纵等因 素的影响，牵引负荷剧烈波动，进而引起供电电压波动，这又进一步恶化机 车运行。在高速、重载条件下，这些问题会更加突出。随着人们对电能质量 重视程度的不断提高，许多国家和有关国际组织都制订了电能质量有关标准 或规定，我国也不例外。但由于电铁牵引负荷是谐波源，具有不对称性、时 变性、渗透性、奇次谐波、热效应、邻所间补偿效应等特点。它不同于一般 恒定电力负荷的谐波源，宜作为一个特殊问题而制订相应的技术标准。国外 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 英国、美国、德国、南非、加拿大等国家对电铁都有专门规定，如英国电气 委员会于1 9 8 4 年颁发的e 2 4 向英国交流电气化铁路供电工程建议书中 就明确承认电铁谐波具有一定的特殊性，其限值规定可以比一般电力谐波规 定更灵活、更高一些。然而我国电气化铁道的用电，统一由国家电力系统供 给，并且电铁对电网的影响( 主要包括：电气化铁路注入电网的谐波电流， 负序对发电机的影响。负荷波动，电铁谐波与负序对继电保护的影响，电铁 谐波功率对电能损耗的影响，电铁谐波功率对电能计量的影响等) 又不容小 视，亟待解决。根据电力法，电铁谐波应按国家标准治理，不能在公用 电网中搞双重标准，谐波与负序应该坚持“谁污染，谁治理”的原则，应由 铁路部门将它的谐波与负序量降到国标允许范围内，但这需要一个过程。这 期间，电力部门也应当采取一些措施。 我国既有线路很多地方都存在电能质量问题，如成昆线，南昆线，内昆 线等，其根本原因之一是电网容量较小，铁路负荷比重过大，甚至有的线外 部电源极为薄弱。由于公共联结点( p c c ) 的电压畸变率、电压不平衡度、 电压波动与短路容量成反比，故将电铁接到短路容量大的变电站母线，可以 降低其对电网的干扰。虽然我国牵引变电所一次供电系统多采用传统l l o k v 电压等级，但在实际工程中，哈大线和浙赣线部分电网较发达的路段已经采 用了2 2 0 k v 进线。随着电铁外部电源逐渐被电力部和铁道部所重视，相关专 家作了一定的论证分析，其中清华大学、电科院在电铁正常运行时所需系统 短路容量上进行了相关大量研究，基本上较统一的认为2 2 0 k v 电网较之 l l o k v 电网系统阻抗小，短路容量大，牵引负荷所引起的谐波、负序和电压 波动问题可望得到较大缓解。并且在国外相关研究和实际工程应用中，考虑 到牵引负荷大，可靠性要求高，国外牵引供电系统大部分从2 2 0 k v 或以上的 电力系统受电，个别采用1 3 2 k v 或1 5 4 k v 时，也都要求系统有较大的短路容 量。因此有必要对电气化铁路的外部电源采用何种电压等级进行一定的研究 和探讨。 1 2 论文研究目标及主要内容 本文研究的目标为在现行相关标准下，为保证电铁正常运行，牵引变电 所根据不同的实际情况而接入电压等级不同的电力系统，并力求得出为满足 高速电铁正常运行时所需系统短路容量的一般公式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 本文研究的内容主要包括国内外电铁特别是高速铁路牵引供电系统特 点，各国牵引供电系统的特点和针对谐波和负序对电力系统影响所采取的措 施，在采用不同电压等级进线时电铁注入的诣波和负序电流对电力系统的影 响，牵引供电系统综合电压降，不同情况下电铁对电力系统短路容量的需求 等方面。 1 3 课题的可行性研究 随着电力建设事业的不断发展，我国国土上基本形成了以5 0 0 k v 线路为 骨架、省问2 2 0 k v 线路为主干通道的四通八达的输变电网络，并且在“十一 五”规划中已经明确今后将大力发展7 5 0 k v 和1 0 0 0 k v 特高压输电线路和 5 0 0 k v 超高压省际、地区环网，这为牵引变电所采用2 2 0 k v 进线客观上提供 了条件。根据东北电网的实际情况，采用2 2 0 k v 进线、单相带回流直供方式 的哈大线电气化铁路于2 0 0 1 年的投入运营，整个系统中的施工参数、运行 参数，以及沿线1 7 个牵引变电所的实测数据，都对本课题的研究有着重要 的指导意义。其他一些国家和地区，诸如法国、德国、西班牙等国家和香港 等地区，其电气化铁路一次供电系统的工程资料和经验参数，尤其是采用专 线向铁路牵引变电所送电的模式和采用高电压等级进行一次供电的高速铁 路模式将对本课题的研究有着重要的参考借鉴价值。 并且本文采用的研究方案主要通过对电铁牵引供电系统综合压损的分 析，基于电铁对供电电压的要求由电力系统向牵引供电系统的计算，并通过 对计算结果的统计分析和经验数据的比较，得出为满足高速电铁正常运行时 所需系统短路容量的一般公式，进而推导出不同的系统短路容量相应的电压 等级。该研究方案具体采用的计算公式及方法等，根据相关标准及设计手册 都有据可依，且采用的经验数据都是经过现场测试和运营验证的，是切实可 行的。 1 4 本文的主要工作 本文首先在第二章对电气化铁路牵引供电系统进行了简要介绍，阐述了 电铁供电系统原理及其供电方式，引入了牵引负载的三相等效模型，分析了 牵引供电系统负荷特性，并对国外电铁的牵引供电系统进行了一定介绍。其 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 次在第三章介绍了电铁谐波、负序等对电力系统的影响，并结合具体实例加 以了说明，简要的阐述了电铁电能质量治理相关措施。然后在第四章从牵引 负荷的谐波与负序、供电电源电压等级、系统短路容量、牵引变压器容量、 牵引变压器接线方式、经济性指标等因素着手，分析了由接触网压损、牵引 变压器压损和电力系统压损合成的牵引供电系统综合电压降与相应的系统 短路容量需求，并分别对典型结线的普通电铁和高速铁路进行了计算和分 析，分别得出了普通电铁和高速铁路对电力系统供电能力的需求。并在此计 算结果基础之上，推导出了适用于高速铁路正常运行所需系统短路容量的一 般公式。其次对接入不同电压等级下由电铁牵引负荷引起的谐波、负序等电 能指标及其对电力系统的影响进行了一定分析计算。在第五章中对我国已采 用2 2 0 k v 非传统电压等级进线的哈尔滨至大连电气化铁路和在建的京津城 际轨道交通工程( 已确定采用2 2 0 k v 进线方案) 进行了相关实例计算分析。 最后提出电铁接入系统电压等级的建议。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章电铁供电系统概述 1 8 2 5 年英国人修建了世界上第一条铁路，开创了人类轨道交通新纪元。 我国于1 8 8 1 年修建第一条铁路一唐山至胥各庄煤矿铁路，1 9 0 9 年由詹天 佑工程师主持的我国第一条自主设计修建的铁路京张铁路通车，拉开了 我国铁路发展的序幕。1 8 7 9 年，在柏林的世博会上，西门子和哈尔斯克制作 展出了约5 5 0 m 的电气化铁路，人类第一次采用电力来牵引列车。1 8 8 1 年5 月，德国在柏林近郊的利希特菲尔德修建的一条长2 4 5 k m 的电气化铁路投 入运行，这是世界上第一条商业运行的电气化铁路，开启了铁路电力牵引的 新时代。2 0 世纪初期，电气化铁路在世界各地得到迅速发展。到2 0 0 0 年底， 全世界电气化铁路总里程已达2 6 2 。1 7 9 k m ，占世界铁路总营业里程 1 ，2 0 8 ，8 4 3 k m 的2 1 7 ，承担世界铁路总运量的5 0 以上。欧洲等发达国家电 气化率约在5 0 ，承担的运量比重在8 0 以上。 铁路电气化的飞速发展在拓展运输能力、促进经济发展的同时，也暴露 出一些问题和弊端，尤其是在我国现行电网条件下，电力机车运行时，对供 电电网产生了很大的影响。电气化铁路的供电是在铁路沿线建立若干个牵引 变电所，经牵引变压器降为2 7 5 k v 或5 5 k v 后通过牵引网向电力机车供电。 目前牵引变电所一般采用l l o k v 电网进行供电，哈尔滨一大连线由于东北电 网的自身原因采用了2 2 0 k v 进行供电。电力机车采用2 5 k v 单相工频交流电 压，经全波整流后驱动直流牵引电动机，在架空接触导线和钢轨之间行驶。 电力机车的性能与电网水平紧密相关，速度越快，运载量越大，运行越频繁， 对电网的要求也就越高。而且由于电力机车的负载能力和运行速度的不断提 高，牵引负荷的功率水平也会大幅度提高。 2 1 中国电气化铁路概况 我国第一条电气化铁路一宝成铁路宝鸡至风州段，于1 9 6 1 年8 月1 5 日建成通车。初期主要局限在隧道多、坡度大的山区铁路。到1 9 8 0 年底， 全国共建成电气化铁路1 , 6 7 6 k m ，其发展十分缓慢。改革开放后，电气化铁 路开始从山区向平原，由低标准的边远地区铁路向主要长干线、重载、高速 发展。到2 0 0 5 年底，我国电气化铁路已达到2 0 ，1 3 2 k i n ，电气化率2 7 ，承 担运量近5 0 。电气化总里程排名世界第三( 仅次于俄罗斯4 1 ，0 0 0 k m 和德 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 国2 1 ，0 0 0 k i n ) 。 根据国务院批准的中长期铁路网规划，到2 0 2 0 年，我国铁路总里程 将达到1 0 0 , 0 0 0 k i n ，其中电气化5 0 ，0 0 0 k i n ，主要干线铁路将实现电气化。铁 路电气化率约为5 0 ，承担8 0 以上的运量。其中，将建成以京沪、京广、 京哈、沪涌深及徐兰、杭长、青太及沪汉蓉“四纵四横”客运专线( 高速铁 路) 1 2 ，0 0 0 1 a n ，客货混跑快速线路2 0 ，0 0 0 k i n ，形成我国铁路快速客运网。 到目前为止，铁道部已开工高速铁路项目1 2 个，总里程3 , 2 8 2 k m 。计划 新开工项目2 6 个，总里程7 , 4 2 0 k m ，项目总投资8 ，1 9 5 9 亿元。项目需建设 牵引变电所1 8 8 座，近期牵引变压器安装容量8 , 9 2 5 m v a ，远期达到 1 3 ，0 7 7 m v a ，近期用电量3 3 8 2 0 亿度，远期8 2 6 4 0 亿度。近期每座牵引变 电所牵引变压器的安装容量平均4 7 5 m v a ，远期每座牵引变电所牵引变压器 的安装容量平均6 9 6 m v a ，远期最大牵引变电所牵引变压器的安装容量 9 0 0 m ：、硝。 2 2 电铁供电系统的原理及其供电方式 电力牵引负荷，一般都由国家统一的电力系统供电。这样，不但可以提 高供电的可靠性，而且可以确保供电电能质量，提高电源对牵引负荷的承受 能力。 电铁供电系统由电力供电系统与牵引供电系统两部分组成，其中，牵引 供电系统是指电气化铁路从电力系统接引电源，降压转换后给电力机车供电 的电力网络，牵引供电系统由牵引变电所和牵引网两部分组成。 电气化铁路的牵引变电所在其牵引侧一般采用两种方式进行供电，直流 连接方式与交流连接方式。 其一是采用直流连接方式，即在牵引变电所安装6 脉冲或者1 2 脉冲的 三相整流装置，将交流电整流成1 5 0 0 v 的直流电，再通过直流电缆向电气机 车的牵引电机供电。这种方式一般接入到较低电压等级的电网，而且直流连 接的供电距离一般比较短，因此主要适用于城市轨道交通，本文对此方式不 做讨论。 在长距离电气化铁路建设中，一般采用交流供电方式。其连接示意图如 图2 1 所示。在这种方式中，牵引变电所将接入的三相高压交流电通过特殊 变压器转化为单相交流电，然后通过单相交流输电线路向电铁机车供电。这 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 种连接方式一般连接在电网的高压系统，供电距离也比较长，一般牵引变电 所的供电距离可达5 0 k i n 以上。 图2 - 1 电气化铁路的交流供电示意图 在我国已建设的电气化铁路中，大都采用此方式。为保证电铁负荷的安 全可靠运行，一般牵引变电所采用2 路相互独立的电源进线，2 台牵引变压 器，一主一备方式运行。1 1 0 k v 或者2 2 0 k v 高压电经过牵引变压器后，降压 为2 7 5 k v 或者2 x 2 7 5 k v ，然后供给牵引网。牵引网一般由馈电线、接触网、 轨道回路组成，接触网随铁路架设于上空，电力机车通过受电弓与接触网的 滑动接触而受电。 2 2 1 牵引变压器的接线方式 牵引变压器是为满足牵引负荷变化剧烈、外部短路频繁、不对称运行等 要求而设计的一种特殊变压器，是牵引变电所的核心设备。我国牵引变压器 的接线形式主要有以下几种： ( 1 ) y n d l l 接线，y n d l l 接线是一种标准的三相双绕组联接，原边的中 性点可以大电流接地，但是否接地由电力管理部门根据零序网的分布情况确 定。这种接线可方便的供给牵引变电所的三相自用电，主变压器y 接线的原 绕组接入三相电力系统，接线的副绕组一角接地和钢轨。另两角分别接入 接触网的两个相邻区段，当两馈线负荷相同且无任何补偿装置时，这种接线 牵引变压器的理论容量利用率为7 5 。 ( 2 ) v y 接线，由两台单相变压器或三铁心“v ”接双绕组构成，在牵引 侧可方便的提供三相自用电。这种接线的牵引变压器的理论容量利用率达到 1 0 0 。 ( 3 ) 三相一两相平衡接线，主要包括s c o t t 接线、l e b l a n c 接线、 w o o d b r i d g e 接线、阻抗匹配平衡接线等。s c o t t 接线变压器原边联成倒t 型 接入三相电力系统，副边联成相位差为9 0 0 的v 型，当相邻两供电臂上牵引 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 负荷相同时，一次侧三相电流对称。 ( 4 ) 新型y n d l l 不等容接线，用于三相y n d l l 接线中柱容量与两边柱容 量不对称牵引变压器，简称不等容y n d l l 接线牵引变压器 躬】。 “， 蚤惩 斜 图2 - 2 牵引交接线形式简图 ( a ) y n d l1 接线( b ) v v 接线( c ) s c o t t 接线 图2 - 2 给出了广泛应用于我国电气化铁路的两相牵引变压器的常用接线 形式。我国常规电气化铁路牵引变压器的型号，以往多数是用y n d l l 和v v 接线。近年来，在国内部分线路中也有采用单相变压器、t 接( s c o t t ) 变压 器和阻抗匹配平衡变压器。 2 2 2 接触网供电方式 ( 1 ) 直接供电方式 牵引电流通过机车后，直接从钢轨或大地返回牵引变电所。此方式结构 简单，投资少，维护费用低，但其对通讯等弱电系统的电磁干扰大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 接触网 1 r 钢轨 图2 - 3 直接供电方式示意图 ( 2 ) 吸流变压器供电方式( b t 方式) 为了减少直接供电方式对通讯的干扰，沿接触网架设一条回流线，并在 接触网和回流线中串入吸流变压器，使牵引电流通过电力机车后从回流线返 回牵引变电所。该方式抑制干扰效果好，但供电臂阻抗大，电压损失大，牵 引变电所间距小，目前已基本不采用。 t r 图2 4 吸流变压器供电方式供电示意图 ( 3 ) 带回流线直接供电方式 鉴于目前通信系统已经大量采用光缆，其抗干扰特性有很多提高，相应 的对于牵引变电系统而言，吸流变压器的作用已不明显。因此在吸流变压器 供电方式的基础上，取消吸流变压器，但是仍然保持回流线。该方式的基础 建设投资可大大降低，又可以满足通信系统对电磁兼容的要求，是目前国内 大部分电气化铁路采用的供电方式。 吸流线 图2 5 带回流线的直接供电方式示意图 ( 4 ) 自耦变压器供电方式( a t 方式) 在直接供电方式的基础上，引入正馈线和自耦变压器后形成的一种新的 供电方式。其供电臂阻抗小，牵引变压器间距大，供电能力强。由于正馈线 的作用，其对通讯系统的电磁防护效果与b t 供电方式相当。此方式在我国 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 既有部分路段已采用，并将在高速铁路建设中采用。 接舟 图2 - 6 白耦变压器供电方式示意图 2 3 牵引负载的三相等效模型 2 3 1 一般接线电气量之间的关系 从前面的介绍可见实现三相电力系统向牵引网供电的牵引变压器有多 种接线方法，各种接线的牵引变压器都完成各自的电气量变换，并有固定的 电气量变换关系，但牵引供电系统和电力系统有着不同的网络拓扑结构，使 得相互的电气量分析既不方便也不协调。因此有必要给出适用于任意接线方 式的牵引变压器两侧电流等电气量的( 外部) 通用变换关系，这种电气量变换 关系的导出有利于对牵引变电所所联结的两端系统进行有效地研究，如故障 分析、压损计算、谐波分布、负序分布等。 任意接线方式的牵引变压器两侧电流等电气量的( 外部) 通用变换关系 作如下假定： 牵引变压器的漏抗归算( 变换) 到原边或次边后视为理想变压器： 牵引变压器次边端口负荷不在原边引起零序性电流或电压分量。 牵引变电所次边一般有3 个自然端子，可组成3 个自然端口，因3 个自 然端口电压线性相关，故可用两个独立端口等效表达。记选出的两个独立端 口分别为口、口，那么当参考统一相量并引入零序性自由分量，o 时，牵引变 压器电流变换关系为 2 2 1 如下。 i t ia i c 2 2 万 ( 2 j 压广 压厂 ( 2 d 矗广 k 。c o s w o kc o s 0 2 0 。一虬) k c o s ( 1 2 0 。+ 虬) ( 2 1 ) ，厶l 0 叮0川u 矿y 。一。+ s o o o 2 2 c，ir也 8 s s 足 ， ， k k 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 式中i a ( a x c ) 牵引变压器原边端口电流( a ) ： ，矾加牵引变压器次边口( ) 端口电流( a ) ； 所牵引变压器口( 卢) 端口变压比； y 州所一口( 卢) 端口接线角； d 一不等于零的实数； i o = a ( i _ + f 口+ f c l 一零序电流，即三相电流相量线性相关( a ) 。 为方便描述，定义m 为电流变换阵，为电压变换阵。 五= 击 ( 2 d 压) - 1 ( 2 d 压r ( 2 d 括广 k oc o s p o k oc o s ( 1 2 0 。一虬) kc o s ( 1 2 0 。+ 虬) k b c o s vb k pc o s o z 0 。一) 巧c o s ( 1 2 0 。+ ) ( 2 2 ) 因原次边功率守恒，可导出变换阵及其逆阵之间的关系为 厂、r 1 厂1 、叩 n = lml= lmi ( 2 3 ) llj 由于正如开始假定的那样，牵引供电系统运行中不产生零序性电流或电 压分量( 称为平衡或参数匹配) ，即i o = 0 ，故电气量变换阵中与d 有关的行 或列可略去不计，这样在实际应用中就可将变换阵降阶使用。 既有接线方式牵引变压器的电气量变换阵己被进行过认真、细致的研 究，虽然是针对给定接线给出的，但其结果可通过式( 2 1 ) 变换得到，这充 分说明了式( 2 1 ) 给出的任意接线方式下牵引变压器电流变换关系具有通用 性，且正确、有效。 2 3 2 系统变换的牵引供电系统三相电路模型 牵引供电系统是由牵引变电所及其供电系统组成的。 借助上节给出的变换关系，就可对三相系统和两相系统进行变换，常称 之为系统变换【2 1 1 。系统变换就是a b c 三相系统与口、两相系统间电气量 和网络结构的相互变换。 将电力系统的电气量与网络模型运用变换关系变换到次边两相系统中 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 来，便可得到电力系统的两相等效电路模型，它便于牵引供电系统的直观分 析，如进行其故障分析、压损计算等。当以分析牵引供电系统对电力系统的 综合作用与影响为目标时，追求与三相电力系统的拓扑结构相统一是必要的 和方便的，这就要求将牵引供电系统及其电气量向电力系统变换，从而得到 三相等效电路模型，就牵引系统的影响而言，它便于研究不同故障模式对电 力系统的影响，牵引负荷谐波在电力系统中的分布等。 牵引侧二相系统的电路模型可由图2 - 7 描述。 图中：z r a ( 加、z 聊一端口口( 夕) 绕组等值漏抗和互漏抗( q ) ； z f a ( 所端口口( 卢) 中滤波装置或并联补偿装置的阻抗( q ) ； f m 一端口口( 夕) 中牵引负荷( 或其谐波) ，视为电流源( a ) ； u 。( 却一端口口( 芦) 电压( v ) 。 佻e ，jl u 惟p j 列 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 阱降艺蚪踟 像7 ， u 审= z ，妒l ，审+ ，j l 】舻i ( 2 8 ) 五：( 三脚) 1 矗：舀仰c = 玉z p 聊+ o ) c ：舢 2 4 牵引供电系统的负荷特性 牵引供电系统的任务是向电力机车供电。电铁牵引负荷是移动、幅值交 f 化大而又频繁的特殊负荷，其负荷日波动的特征非常明显，具有一定的冲击 性、随机性、不平衡性，它会引起三相电力系统不对称，产生负序电流，形 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 成负序电压：并含有丰富的谐波，属于谐波电流源。电铁牵引负荷的特性主 要取决于电力机车的电气特性、铁路线路条件和运输组织方案等因素。 2 4 1 电力机车的电气特性 1 交一直型电力机车 我国目前在既有电铁线路上，主要采用交一直型电力机车，电力机车主 要使用的是2 5 k v 、5 0 h z 的单相交流供电。除少数从国外引进的电力机车( 如 日本的6 k 型，法国的8 k 型) 外，绝大多数是我国自行设计制造的s s ( 韶 山) 型单相工频电力机车。如：适用于重载货运的s s 4 型，客货两用的s s 6 和s s 7 型，以及快速客运和准高速客运的s s 5 、s s 8 和s s 9 型。机车从接触 网取得2 5 k v 工频单相电压，经车载变压器降压到1 5 0 0 v ，整流后向牵引电 动机供电。牵引电动机采用独立他励系统，额定电压为1 0 2 0 v ，功率约为 7 0 0 , 曲0 0 k w 。交一直型电力机车的原理结线如图2 8 所示。 图2 - 8 交一直型电力机车工作原理图 交一直型电力机车采用半控桥式整流装置，通过控制晶闸管的导通角来 实现机车出力的调节。这一控制方式，使得交一直型机车的功率因数较低( 0 8 左右) ，并产生较大的高次谐波( 三次谐波电流分量占1 8 以上) 。总的电流 谐波畸变率最高可达3 5 以上，电流不平衡度也高达5 5 以上，这样的冲击， 对电网造成的影响是很严重的【1 4 j 。 2 交一直一交型电力机车 为克服交一直型电力机车在用电上的特点，世界各国竞相开展了交流传 动电力机车的研制，1 9 7 9 年德国就开发了世界首台大功率交流传动电力机 车，此后交流传动电力机车在世界各发达国家迅速推广，目前已经较为普遍 地应用到了高速铁路建设中。高速铁路采用高速列车，要求其起动快，使其 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 能在最短的时间和距离内达到额定最高运行速度。为此，必须加大牵引功率， 以提高起动牵引力。同时，当列车速度达到额定最高运行速度时，为保持其 恒定速度，必须有足够的持续牵引力来克服列车运行阻力。列车运行时的空 气阻力随速度呈几何级数增长，因此，随着列车速度的提高，列车单位重量 所需的牵引力成倍增加，机车额定功率也随之增加。高速列车对牵引动力的 基本要求是：功率大、轴重轻、自重小、黏着利用好、整机控制好等。交流 机车牵引能够同时满足上述技术要求。交一直一交型电力机车的工作原理如 图2 9 所示。 图2 - 9 交一直一交型电力机车工作原理图 交一直一交型交流传动机车，采用四象限整流+ p w m 逆变器( v v v f ) + 三相交流感应电动机的传动方式。通过g t o 或i g b t 器件进行导通和关断 角的控制，给机车提供频率、幅值都可控的交流电源，从而来控制机车的动 力输出。这种供电方式的最大优点在于：在牵引与制动的整个功率范围内， 网侧的功率因数接近1 ( o 9 5 以上) ；采用多重的四象限脉冲整流，可以使网 侧的电流诣波最小( 三次谐波电流小于2 5 ) ；通过控制可以使中间直流回 路的电压比较稳定。 我国于上个世纪9 0 年代初开始进行交流传动电力机车的研制工作，并 先后研制成功了交一直一交动车组和交一直一交货运电力机车。近年来，国 内部分机车生产企业通过引进国外先进技术，合作生产高速动车组，将逐步 淘汰传统的交一直型电力机车，广泛应用于国内方兴未艾的高速铁路建设。 2 4 2 列车的负荷特性 列车的负荷大小，主要与列车牵引重量、运行速度、线路坡度等因素有 关，铁路部门的设计据此选定机车类型及其牵引功率。 ( 1 ) 在运行速度、线路坡度相同的情况下，列车负荷与牵引重量成正 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 比。 ( 2 ) 列车运行速度越高，空气阻力越大，空气阻力随速度呈几何级数 增长。在牵引重量、线路坡度相同的情况下，运行速度越高，牵引功率和能 耗大幅度提高。并且在高速时，列车主要克服空气阻力运行，持续受流时间 长。图2 1 0 为单位重量牵引功率随速度的变化曲线。 列4 0 0 圭3 0 0 速2 0 0 恶t 。o 单位重量牵引功率tk w t ) 图2 1 0 单位总量牵引功率随速度的变化曲线 以图2 1 0 所示数据，按普通电铁1 6 0 k m h ，牵引重量为1 0 0 0 t ，则所需 的列车牵引功率为4 6 0 0 k w 。按货运1 0 0 1 c m l a ，牵引重量5 0 0 0 t 时，所需的牵 引功率将达到1 4 0 0 0 k w 。按高速铁路3 5 0 k m h ，牵引重量1 0 0 0 t 时，所需的 牵引功率将达到2 4 8 0 0 k w 。 ( 3 ) 列车在爬坡时需克服重力运行，在运行速度较低时，空气阻力较 小，线路坡度对牵引负荷的影响较大。高速列车由于速度高，列车运行时的 空气阻力大，列车主要克服空气阻力运行，此时，线路坡度对牵引负荷的影 响较小。 2 4 3 铁路运输组织对牵引负荷特性的影响 铁路根据运量和线路条件编制运输组织计划，列车在行车调度的统一指 挥下，在铁路上按信号运行。单线铁路一般采用站间闭塞方式，一个区间只 能有一列车运行。复线铁路一般采用划分区间段闭塞方式，按固定间隔时间 追踪运行。目前，货车一般追踪间隔8 分钟，最小追踪间隔5 分钟；客运专 线高速列车设计最小追踪时间间隔，近期为4 分钟，远期为3 分钟。 铁路建设时，基础设施均按远期线路能力一次规划建设到位，运输设备 按近期需要配置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 2 4 4 牵引变电所的负荷特性 牵引变电所的负荷特性，除了与牵引变结构、接触网参数以及机车类型 有关外，还与列车负荷、速度、线路坡度以及运输调度等各种因数相关。列 车负荷越大、速度越快，则用电量就大。同理，上坡情况下的列车也消耗更 多的电能。而列车通车流量大，则牵引变电所供电范围内的负荷也大。总体 来说，牵引变电所负荷具有如下特点： ( 1 ) 负荷的冲击性特点。牵引变电所一般为两侧单相供电，其负荷的 大小与供电区间运行的列车数量、铁路线路坡度以及列车运行的速度等因素 有关。牵引负荷具有如下特点：牵引负荷的波动大、两供电臂负荷不均衡、 功率因数低、无功冲击大。 电气化铁路沿线路况千差万别，而且，在一个牵引变电所的供电臂范围 内，列车在运行时速度、线路坡度、风速等随时发生变化，列车按信号运行， 供电区间内的列车数量疏密不等。这些因素造成列车数量及每一列车的负荷 随时变化，使牵引变电所的负荷呈现波动性。尤其在电力机车从静止启动到 加速、机车爬升坡道以及机车通过无电区的前后，波动尤其明显。 ( 2 ) 两供电臂负荷的不均衡性。牵引变电所的负荷随着两供电臂内列 车数量以及列车负荷而变化，有时轻载甚至空载、有时严重过载，其大小变 化在时间上表现出极不均衡的特性。如在节假日、铁路故障后恢复行车时会 出现列车紧密追踪情况，在军运、煤电运、农运等特殊情况下，也会出现列 车紧密追踪的情况。此时，牵引变电所会出现负荷高峰值。 ( 3 ) 负荷量大。当前我国电气化铁路的已有牵引变电所用电容量最大 达到8 0 m v a ，高速客运专线牵引变远期规划容量达1 2 0 m v a ，且电气化铁 道建设时考虑多达1 0 0 的过载容量。因此峰值负载可能达到1 6 0 2 4 0 m v a 。 这么大的集中负载，在电力系统中是比较少见的，也是对电网造成冲击的主 要原因。 ( 4 ) 负载率低。牵引变电所的负荷是由铁路运量、列车速度、线路条 件等因素决定的。列车运行时的受流状态随时都在发生变化，其平均负荷较 低。牵引变电所供电能力是按照高峰负荷设计的，其供电能力必须适应短时 出现的高峰负荷的需要，而其实际负载量又较之高峰负载差别较大。所以， 牵引变电所的负荷率很低，一般不超过2 0 ，个别达到3 0 。 ( 5 ) 负序特性。由于机车为单相负荷，根据统计数据，无论牵引变压 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 器采取何种结线方式，都将向系统注入较大的负序电流，从而造成系统的三 相电压不平衡。 ( 6 ) 谐波特性。以国内主要使用的韶山型电力机车为例，其谐波含有 率的试验值( 单台) 如表2 1 所示。 表2 1 国产电力机车的谐波电流( ) i 机车型号i 谐波次数 3 5 l 791 1 1 3l s s 4i 谐波含有率i 1 1 1 0 0 l 1 8 852 3 91 9 7 1 3 2 i s s 6 bi 谐波含有率i 1 1 x 1 0 0 l 1 8 i i 6 8 5 i 2 5 9 1 “1 1 1 1 5i is s 9l 谐波含有率i 1 1 1 0 0 l 1 7 6 l 6 1 6 i 2 31 41 1 31 2 ll 由上表可以看出作为谐波电流源的各型电力机车的非线性特性产生的 谐波全部为奇次诣波，且谐波含量丰富削。 此外，应当说明的是，高速铁路作为我国为加大城际客运输送能力而大 力发展的新型交通形式，也是我国未来铁路客运的主要发展趋势。其负荷特 性相比于传统的电气化铁路，还具有有其以下特殊性。 ( 1 ) 单台机车的牵引负荷大，可靠性要求更高。由于客运专线速度快， 运能大，将成为城际客运的主要交通工具，在国民经济和社会生活中，具有 十分重要的作用，其可靠性要求自然很高。 ( 2 ) 列车负载率高，受电时间更长。列车高速运行时，空气阻力成为 列车运行的主要阻力，其负载率基本保持平稳，列车需要持续从接触网取得 电能，从系统取流的时间与取流的大小较之传统电气化机车将大大增加。 2 5 国外高速铁路的牵引供电系统 2 5 1 牵引供电方式 高速铁路要求接触网受流质量高，需尽量减少分段和分相点数量。目前， 各国大多采用自耦变压器( a t ) 供电方式和带回流线的直接( 1 i t ) 供电方 式。自耦变压器( a = r ) 供电方式是每隔1 0 k i n 左右，在接触网与钢轨之间并 联接入一台自耦变压器，其中性点与钢轨相连。自耦变压器将牵引网的电压 提高倍，而供给电力机车的电压仍为2 5 k v 。带回线的直接( r t ) 供电方 式是在接触网支柱上架设一条与钢轨并联的回流线，利用接触网与回流线之 闾的互感作用，使钢轨中的电流尽可能地由回流线流回牵引变电所，从而可 以部分抵消接触网对邻近通信线路的干扰。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 日本、法国均采用a t 供电方式。德国、意大利和西班牙采用r t 供电方 式。两种供电方式比较，a t 供电方式的优点是： 供电质量高； 便于牵引变电所选址和降低对供电能力的需求； 牵引变电所间距大、数量少、分相点少： 防干扰效果好。 由于a t 供电方式的上述优点，我国高速铁路将选用a t 供电方式。 2 5 2 外部电源电压等级 高速铁路负荷电流大，对电力系统的不平衡影响大。为了减少电铁负荷 对电力系统的影响，国外都尽量采用较高的供电电压，个别采用1 3 2 k v 或 1 5 4 k v 时，也都要求系统有较大的短路容量。其中，日本采用1 5 4 k v 、2 2 0 k v 和2 7 5 k v 三种电压等级；法国采用2 2 5 l 【v 和4 0 0 k v 电压等级；德国采用1 1 0 k v 电压等级( 电铁专用电网) ；意大利采用1 3 0 k v 电压等级；西班牙采用1 3 2 k v 和2 2 0 k v 两种电压等级；香港西部铁