（电气工程专业论文）电力牵引系统供电方式及其负荷对电能质量影响的分析研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 电气化铁路牵引供电系统是一种复杂的单相网络系统，随着社会及经济的发 展，追求高速、高密度、重载运输的目标对电气化铁路建设提出了更高的要求， 也给我们提出了在高速电气化铁路中如何选择供电方式及如何减少单相非线性 的电牵负荷影响等课题。 有鉴于此，本文围绕目前浙江省第一条客运专线铁路一甬台温铁路工程的实 施建设，针对电力牵引供电系统d n 和a t 两种供电方式的不同特点进行了分析 比较，并对电力牵引负荷产生的负序和谐波对电能质量的影响进行了分析，探讨 了治理措施。 一 本文首先结合国内外相关电气化铁路供电方式的应用情况，研究d n 和a t 两种不同供电方式的的基本原理和特点，并对两者进行经济技术比较。同时针对 甬台温客运专线铁路特点，提出了选择d n 还是a t 方式作为甬台温铁路电力牵 引的供电方式。其次文章研究了电力牵引负荷的性质特点，对电力机车产生的负 序和谐波进行了理论分析，并针对甬台温电气化铁路电牵负荷产生的负序和谐 波，提出了减少对电力系统影响的相应措施。 关键词：电力牵引供电方式负序谐波 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et r a c t i v ep o w e rs u p p l ys y s t e mo fe l e c t r i f i e dr a i l w a yi sas i n g l e p h a s e c o m p l i c a t e dn e t b i o s ，w i t ht h er a p i ds o c i o e c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，i tm a k e s h i g h e rd e m a n df o re l e c t r i f i e dr a i l r o a d i n gb e c a u s eo fp u r s u i n gh i g h 。s p e e d ， h i g h - d e n s i t y , a n dh e a v yh a u l a g et a r g e t i ta l s op u tf o r w a r dt h es u b j e c tf o ru s o nh o wt oc h o o s et h ep o w e rs u p p l ym o d ea n dh o wt or e d u c et h ee f f e c t so f s i n g l e - p h a s en o n l i n e a re l e c t r i ct r a c t i o nl o a di nh i g h s p e e de l e c t r i f i e dr a i l w a y f o rt h i sr e a s o n i nt h i sp a p e ra g a i n s tt h eb a c k g r o u n do ft h ef i r s tb e i n g c o n s t r u c t e dh i g h - s p e e ds p e c i a le l e c t r i f i e dr a i l w a yi nz h e j t a n gl i n ep r o j e c tf o r p a s s e n g e ro f t h ey o n g t m n e nr a i l r o a d c u r r e n t l y a c c o r d i n gt od i f f e r e n t s p e c i a l t yt h ep o w e rs u p p l ym o d eo fd na n da to fe l e c t r i ct r a c t i o ns y s t e ma r e a n a l y s e d ，t h ee f f e c t so ft h en e g a t i v e - s e q u e n c ea n dh a r m o n i cg e n e r a t e db y t h ee l e c t r i ct r a c t i o nl o a do nt h e q u a l i t y o fe l e c t r i c e n e r g y a r e a n a l y s e d ，m e t h o d so fi m p r o v e m e n ta r ep u tf o r w a r d t h i s t e x tt h r o u g ht h ea p p l i e dc i r c u m s t a n c eo fr e l a t e dp o w e rs u p p l y m e t h o do ft h ee l e c t r i f i c a t i o nr a i l r o a da th o m ea n da b r o a df r s t s t u d y i n gd n a n da tt w ok i n d so fd i f f e r e n tp o w e rs u p p l ym e t h o d so fo fb a s i cp r i n c i p l ea n d c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dc a r r yo na ne c o n o m i ct e c h n i q u ec o m p a r i s o nt ob o t h s i m u l t a n e o u s l ya c c o r d i n gt ot h ey o n g t a i w e nr a i l r o a do fb e i n gc o n s t r u c t e d h i g h s p e e ds p e c i a le l e c t r i f i e dr a i l w a yl i n ep r o j e c tf o rp a s s e n g e r t h ea r t i c l e p u tf o r w a r dt h ec h o i c ea st h ep o w e rs u p p l ym e t h o df r o mm e t h o do fd no r a 瓦s e c o n d t yt h ea r t i c l es t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb u r d e no fe l e c t r i c t r a c t i o nl o a d ，t h ep r i n c i p l eo ft h en e g a t i v e s e q u e n c ea n dh a r m o n i cc r e a t e d b yt h ee l e c t r i cl o c o m o t i v ea r ea n a l y s e d ，b a s e do nt h en e g a t i v e s e q u e n c ea n d h a r m o n i cw h i c hi sc r e a t i v eo fy o n g t a i w e nr a i l r o a do fb e i n gc o n s t r u c t e d e l e c t r i f i e dr a i l w a y , c o r r e s p o n dm e t h o d so fr e d u c i n gt oi n f l u e n c et ot h e e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma r ep u tf o r w a r d k e yw o r d s ：e l e c t r i ct r a c t i o n ；p o w e rs u p p l ym o d e ：n e g a t i v e - s e q u e n c e ；h a r m o n i c i 儿 浙江大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 电气化铁路发展概况 铁路的牵引动力设备是机车。目前，我国铁路实际使用的机车主要有内燃和 电力机车两种，与此对应的铁路牵引方式为内燃牵引和电力牵引，所谓电力牵引， 就是外部电源供给动力车电能的牵引方式。作为电气化铁路牵引动力的电力机 车，本身不带能源，它必须从外部电源和牵引供电系统获得电能，经过变换后， 输送到牵引电动机，使牵引电动机旋转，来驱动车轮转动进而牵引列车运行。 自1 8 9 7 年5 月3 1 日，在德国柏林举行的世界贸易博览会上，西门子公司和 哈尔斯克公司展出了世界上第一条电气化铁路以来，迄今已经历了1 2 0 多年。2 0 世纪6 0 一7 0 年代，电气化铁路在全世界发展迅速，平均每年修建5 0 0 0 多公里。 7 0 年代末，西欧、前苏联、东欧及日本的主要铁路干线均已完成电气化并逐渐 成网。若干发展中国家也纷纷兴建电气化铁路。目前，世界电气化铁路总里程已 有6 8 个国家建有电气化铁路，总里程已达2 5 8 5 6 6 公里，约占世界铁路总里程的 2 2 5 ，承担世界铁路总运量的5 0 以上，也就是说世界铁路总营业里程不到四 分之一的电气化铁路承担着世界铁路总运量一半以上的运输任务。现在，世界铁 路已进入建设高速电气化铁路的新时期，特别是欧洲己经突破了国界，向路网化、 国际化发展。 我国电气化铁路起步于2 0 世纪5 0 年代末，经过4 0 多年的发展，电气化铁 路在数量和技术装备都有了巨大的变化，特别是到了上世纪8 0 年代以后，随着 我国改革开放的不断向前推进，我国电气化建设更有了飞速的发展。电力牵引供 电系统结构也从单一的供电方式发展成了d n 、b t 、a t 多种供电方式。 1 2 我国电气化铁路发展面临形势及主要目标 我国人口众多，地域辽阔，客货运输需求潜力巨大，同时我国资源短缺，能 源结构煤多油少，土地资源十分有限，资源与环境约束日趋突出。合理规划和建 设与我国国情和资源禀赋相适应的交通运输体系至关重要。同时随着我国对外开 放进一步深化，以及全球经济一体化进程的加快，外贸运输量继续保持快速增长。 浙江大学硕士学位论文 据有关部门预测，2 0 1 0 年沿海港口吞吐量将超过4 5 亿吨，陆路口岸进出境运量 也将加速增长，港口、口岸集疏运体系将更加重要。并且随着中长途区域旅客运 输需求与能源、原材料等大宗货物运输需求的快速增长，预计2 0 1 0 年铁路旅客 发送量、货物发送量将分别达到1 5 亿人次、3 5 亿吨左右，旅客、货物周转量将 分别达到8 0 0 0 亿人公里、2 7 0 0 0 亿吨公里。在此背景下，具有运力大、成本低、 占地少、节能环保、安全性高的电气化铁路将面临难得的发展机遇。 2 0 0 4 年1 月7 日，温家宝总理主持召开国务院常务会议，讨论并原则通过 了中长期铁路网规划，明确了我国铁路网中长期建设目标和任务。规划到2 0 2 0 年，全国铁路营业里程达到l o 万公里，主要繁忙干线实现客货分线，电化率均 达到5 0 。根据国家“十一五”规划纲要总体要求和中长期铁路网规划，铁 道部编制并发布了铁路“十一五”规划，在规划中指出，在“十一五”期间 将建设新线1 7 0 0 0 公里，其中客运专线7 0 0 0 公里；建设既有线复线8 0 0 0 公里， 既有线电气化改造1 5 0 0 0 公里。2 0 1 0 年全国铁路营业里程达到9 万公里以上， 电化率达4 5 以上，快速客运网总规模达到2 0 0 0 0 公里以上，煤炭通道总能力达 到1 8 亿吨，铁路网总规模达到3 5 0 0 0 公里，形成覆盖全国的集装箱运输系统。 在规划中明确指出，要大力发展电力牵引，电力机车承担运输工作量的比重达到 8 0 以上，尽快实现交流传动机车的国产化，配套发展适应时速2 0 0 公里的内电 机车。在研制开发时速2 0 0 公里及以上动车组关键技术的基础上，结合少量动车 组引进，尽快实现时速2 0 0 公里及以上动车组的国产化，积极推进时速3 0 0 公里 及以上动车组关键技术的开发、研制，期末形成高速动车组制造、检修、运营国 产化配套能力。2 0 1 0 年动车组将配置达到1 0 0 0 列左右。 1 3 本文所做的工作 电气化铁路牵引供电系统是一种复杂的单相网络系统，随着社会及经济的发 展，追求高速、高密度、重载运输的目标对电气化铁路建设提出了更高的要求， 也给我们提出了在高速电气化铁路中如何选择供电方式及如何减少单相非线性 的电牵负荷对电能质量影响等课题。 有鉴于此，本文围绕目前浙江省第一条客运专线铁路一甬台温铁路工程的实 施建设，对电力牵引供电系统供电方式选择以及电力牵引负荷对电能质量的影响 2 浙江大学硕士学位论文 进行分析和讨论。针对性提出一些防范措施和建议，以保障高速铁路牵引供电系 统以及电力电网安全可靠运行。 1 结合国内外相关电气化铁路供电方式的应用情况，研究d n 和a t 两种 不同供电方式的的基本原理和特点，并对两者进行经济技术比较。 2 研究电力牵引负荷的性质特点，对电力牵引负荷产生的负序和谐波进行 理论分析，并提出减少负序和谐波对电力系统影响的措施。 3 针对甬台温客运专线铁路特点，分析选择d n 供电方式还是a t 供电方 式作为甬台温电力牵引的供电方式。 4 根据电牵负荷对电力系统影响的理论研究，对如何改善甬台温电气化铁 路电牵负荷产生的负序和谐波影响进行分析，并提出相应措施。 1 4 本章小结 随着我国对外开放进一步深化，以及全球经济一体化进程的加快，外贸运输 量继续保持快速增长，具有运力大、成本低、占地少、节能环保、安全性高的电 气化铁路将面临难得的发展机遇。本章首先回顾了世界各国电气化铁路的发展概 况，接着阐述了我国电气化铁路发展面l 临形势及主要目标，最后介绍了本文主要 的研究工作，结合甬台温客运专线铁路特点，围绕电力牵引供电方式选择及如何 减少电牵负荷对电力系统影响等问题展开分析研究将是本文的主要工作。 浙江大学硕士学位论文 第二章甬台温客运专线电气化铁路概述 2 1 高速铁路概述 2 1 1 高速铁路列车负荷的特点 世界各国的高速铁路，几无例外地采用了电力牵引的方式，高速列车有动力 分散型( 电动车组) 和动力集中型( 机车牵引) 两种。 高速铁路是铁路客运大动脉，其突出特点是列车速度高、密度大，列车功率 大。目前，列车最高运营速度已达3 0 0 - 3 5 0 k m h ，伴随着速度的提高，列车功率 也显著增加( 参见图2 1 ) 。列车功率最大已达1 8 0 0 k w 左右( g r 国高速列车电气 参数见表2 1 ) ，列车电流最大达9 0 0 a 以上。( 参见图2 - 2 ) 。 列车密度也是高速铁路的特点之一，目前最小列车运行间隙已达3 分钟以 内。 4 0 0 乏3 0 0 魁2 0 0 瑙 舢 蘸1 0 0 0 一 = 3 5 0 ：v 一。娟o ” d 2 84 67 41 3 31 8 62 4 8 单位重量牵引功率( k w t ) 图2 1 牵引功率和列车速度关系曲线 浙江大学硕士学位论文 表2 - 1 各国代表性高速列车特性 数 国名载重( t )电机 额定功率吨功率 营业速度 车型 ( k w )o 【w )( k n v h ) 瓜5 0 0日本7 0 02 8 5 6 41 8 2 4 02 6 13 0 0 7 6 弘 法国 4 7 91 l o o 88 8 0 01 8 43 0 0 粥弘r法国4 1 61 1 0 0 88 8 0 02 1 23 0 0 e u r o s t a r 法国8 1 61 0 2 0 1 21 2 2 0 01 5 o 3 0 0 a 、，e 西班牙 4 2 11 1 0 0 88 8 0 02 0 93 0 0 e t r 5 0 0 意大利 6 3 51 1 0 0 88 8 0 01 3 53 0 0 t g v - k o r e a法韩7 7 4 1 1 0 0 1 21 3 2 0 0 1 7 1 3 0 0 a g v 法国 3 5 96 0 0 1 27 2 0 02 0 13 5 0 i c e 3 德国4 0 05 0 0 1 28 0 0 02 03 3 0 i c e 3 3 5 0德国 4 0 05 0 0 1 28 8 0 0 2 2 3 5 0 设计用车型中国 8 0 03 3 0 4 81 5 8 4 01 9 83 0 0 盆 、一 媾 脚 一 斛 一 。 厶 一， 。 、二- - - 一 o5 01 0 01 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 03 5 0 列车速度( k i n h ) 图2 - 2 高速列车牵引特性曲线 2 1 2 国外高速铁路牵引供电方式 ( 1 ) 比利时高速铁路牵引供电系统 比利时高速铁路网中连接布鲁塞尔南站的西支线，首期线路长1 6 k i n ，线路 为复线，设计最高时速为2 2 0 k m ，该线穿越布鲁塞尔西部工业区，白兰姆毕科村 1 6 k m 处进入新铺设的3 0 0 k m h 区段，供电方式改为单相牵引变电所，并采用2 6 o o o o 0 o 0 o o o o 伯加加 浙江大学硕士学位论文 2 5 k v 的a t 供电方式。新线上采用欧洲之星高速列车和t h a l y s 列车，完全采 用欧洲高速客运铁路标准。图卜3 为比利时高速铁路由主变电站向接触网和典型 a t 所供电的接线示意图。如图牵引电源引自伊莱特拉贝尔的比利时国家电网的 切瑞斯1 5 0 k v 变电站，该变电站1 5 0 k v 电网并接点的短路容量已超过4 0 0 0 m v a 。 图中主变电所中4 路馈线接自6 0 m v a 的主变压器( 图中t 1 和t 2 ) ，主变压器进线 采用v 接方式，第三台变压器作为另外2 台主变压器的支援和备用。 也缝l s k v 聋，哥争 幸鞴离嚣荧 搴断辫辩 ， i o ，一 _ 口。! j： 】f ： i 鲥 ： ；廊i 1 r ， i 2 2 s w 1 2 2 5k 、 j 渊 ，翔 ： 丁2 c m| ，i 彳ac t l 图2 3 比利时高速铁路牵引供电系统示意图 ( 2 ) 日本高速铁路牵引供电系统 日本由于国土狭窄，电气化铁路常常与通信线路处于同一走廊，因此在第一 条高速铁路一东海道新干线( 1 9 6 4 年) 采用了b t 供电方式。但由于b t 方式在 供电能力和b t 变压器处电分段易产生电弧等方面存在严重不足，从1 9 7 2 年山 阳新干线开始采用a t 供电方式。目前日本所有新干线均采用a t 供电方式，东 海道新干线也于8 0 年代改造为a t 方式。 ( 3 ) 法国高速铁路牵引供电系统 1 9 8 2 年，法国第一条高速铁路一，i g v 东南线建成，全线采用直供和a t 混 合供电方式( 8 个直供变电所、2 个a t 变电所) ，采用a t 方式主要是从节省外 部电源费用考虑。 从1 9 9 0 年t g v 大西洋线开始，所有高速铁路采用a t 供电方式。 ( 4 ) 德国高速铁路牵引供电系统 德国高速铁路采用1 5 k v ，1 6 2 - h z 供电，铁路有自营有专用单相1 6 k - - h z 的发 jj 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 7 浙江大学硕士学位论文 供给牵引网。供电方式采用直供方式，全线同相，没有接触网电分相，且牵引变 电所间牵引侧实行双边供电。 2 1 3 国外高速铁路a t 牵引供电系统的发展 自从1 9 7 2 年日本山阳新干线通车，a t 供电方式首次工程应用以来，a t 供 电技术有了很大的进步，a t 供电系统日趋简单。 ( 1 ) 牵引变电所馈线电压 日本a t 方式牵引变电所馈线电压为5 5 k v ，变电所需设a t ，同时馈线设备 均为5 5 k v 电压等级。 以法国为代表的a t 方式牵引变电所馈线电压采用2 x 2 7 5 k v ，变电所取消 a t ，同时馈线设备均为2 x 2 7 5 k v ，降低了电压等级，简化了牵引变电所的接线 和设备。 ( 2 ) 关于辅助分区所( s s p ) 日本在a t 牵引网设有馈电臂分段用s s p ，主要目的是减少事故情况下馈电 臂停电范围，但增加了系统的复杂性，而法国等国家不设s s p 。 ( 3 ) a t 设置密度 日本最设的a t 区段，规定a t 的问隔为1 0 k m ，主要是从防干扰角度考虑， 但随着通信的光缆化，日本最近建成的东北新干线延伸线，a t 间隔已增加到 1 5 k m ，法国a t 区段a t 间隔也在1 5 k m 左右，我国大秦线、京秦线a t 最大间 隙达1 9 k m 。 ( 4 ) 接触网接地保护方式 日本在a t 区段以前一直采用双重绝缘加放电器实现接触网绝缘子闪络保护 接地，但由于接触网结构复杂和放电器不如直接接地更直接可靠，近几年修建的 新干线均取消双重绝缘，改为直接接地方式，欧洲各国的高速铁路接触网也采用 直接接地。 2 1 4 高速铁路牵引变压器接线 高速铁路牵引变压器接线主要有单相、v 型、斯科达和伍德布奇四_ 种。 目前欧洲国家多用单相接线，其优点是变电所接线简单，变电所处接触网可 不设电分相，有利于高速列车的运行，但对电力系统的负序会产生一定影响。 浙江大学硕士学位论文 v 型接线目前在国外个别变电所中采用，主要是考虑负序影响。 斯科达和伍德布奇接线均为平衡接线( 见图2 4 ) ，主要在日本采用，日本对负序 影响有较严格的限制，采用上述接线可以符合电力系统的要求，但对于前两种接 线而言，变电所接线复杂，且需要配置5 5 k v 设备和a t 。 6 3 1 5 4 k v ：2 n li 2 嚏 1 w1 1 一曹 ( a ) 斯科达结线 6 0 k v ( b ) 伍德布奇结线 图2 - 4 日本国铁a t 变电所主变电所主变压器结线型式 2 2 甬台温电气化铁路工程特点 2 2 1 工程简介 甬台温铁路位于浙江省东部沿海地区，全长2 8 2 3 7 7 k m 。线路北起自浙江省 宁波市，经台州市，南至温州市，途经宁波市所辖的奉化、宁海和台州所辖的三 门、临海、台州市区、温岭以及温州市所辖的乐清、永嘉等县市。东临东海，西 靠天台山和雁荡山，北端经萧甬线与沪杭线、浙赣线连通，南端同金温线和建设 的温福线连接。线路路基工程1 0 3 0 8 k m ，占总长的3 6 5 ，桥梁工程桥梁2 1 4 座共9 2 3 3 3 k m ，占线路长度3 2 0 8 ，隧道5 9 座共8 8 0 8 5 k m ，占线路长度3 1 4 2 ， 9 手 n 拳 浙江大学硕士学位论文 计划工期为4 年。 2 2 2 工程建设意义 甬台温电气化工程是国家铁路网规划“八纵、八横”中沿海通道和“四纵、 四横”快速客运网的组成部分。随着温福、福厦、厦深及本线的修建，将形成浙 江通往福建、广东等地的便捷通道，对促进沿海通道的形成具有重要意义。同时， 本线的修建使浙江省内铁路形成环行格局，填补浙江省东部台州市无铁路的空 白，从根本上改变沿线交通运输结构，对加强各地区间的联系，满足沿线客货流 增长的需要，加速沿线港口、旅游资源的开发利用，促进沿线国民经济发展和国 防建设以及实现铁路跨越式发展具有重要意义。 2 z 3 工程建设实施特点 ( 1 ) 地形地貌 线路贯穿浙江省经济发达的甬台温三市。沿线地形复杂，主要表现为低山丘 陵、堆积平原地形，西高东低，山脉与盆地呈北东、北北东向排列。低山丘陵海 拔一般在1 0 0 6 0 0 m 之间，少数山峰在8 0 0 m 以上，自然山坡坡度1 5 5 0 。 堆积平原大多分布在山前、河流两岸及河口和海湾滩涂地带，尤其以宁波、台州、 温州地区分布最广，地势平坦开阔，其他地区零星分布。 ( 2 ) 地质特征 低山丘陵区主要出露侏罗系上统火山碎屑岩、白垩系下统沉积碎屑岩、燕山 期侵入岩等地层，主要岩体为凝灰岩、流纹岩、花岗岩，节理裂隙较发育，地基 工程地质条件较好。桥涵可采用扩大基础，隧道围岩分级一般i i 级，路基边 坡需加强支挡防护。 滨海平原及滩涂区光布着第四系淤泥和淤泥质土，局部地段夹有粉细砂等透 镜体，软塑至流塑状，具有压缩性高和欠固结、承载力低等特点，工程地质条件 较差。路基地基需加固处理，桥涵需采用桩基础。全线软土地区总长4 9 5 4 k m ， 约占线路的1 7 5 。 ( 3 ) 水文特征 本区地下水主要类型有：松散岩类孔隙潜水、基岩裂隙水。除第四系冲洪积 潜水、断层带裂隙水较发育外，一般地下水不发育。 l o 浙江大学硕士学位论文 地区水系发达，主要水系有甬江、灵江、永宁江、清江、瓯江，各水系直接 流入东海。 ( 4 ) 地震动参数 根据g b l 8 3 0 6 2 0 0 1 中国地震动参数区划图： d k 0 + 0 0 0 d k 5 5 + 8 0 0 ，地震地震动峰值加速度o 0 5 9 ； d k 5 5 + 2 0 0 d k 2 1 2 + 4 0 0 ，地震地震动峰值加速度小于0 0 5 9 ； d k 2 1 2 + 4 0 0 温州段，地震地震动峰值加速度o 0 5 9 ； 地震反应谱特征周期为0 3 5 s 。 ( 5 ) 气象特征 沿线属亚热带季风气候区，温暖湿润，雨量充沛，四季分明。冬季多晴寒冷， 遇北方强冷空气南下时会引起剧烈懈温；春季南北气流脚踢加剧，常有沥涟春雨； 初夏有“梅雨”天气，造成洪水；盛夏晴热少雨，降雨多以雷阵雨为主，但经常 受台风登陆侵袭，形成狂风暴雨，造成大洪水及沿海高潮位。 多年平均气温1 6 1 c 1 6 5 c ，平均雨量1 1 0 0 2 3 0 0 m m ，平均相对湿度约8 1 。 平均无霜期为2 4 0 天左右。最大风速3 4 3 r n s 3 6 8 m s 。 ( 6 ) 交通运输情况 宁波、台州、温州作为浙江省及华东沿海地区的工业重镇和港口城市，交通 十分发达。 铁路运输：北有萧甬线与宣杭、沪杭、浙赣线相连，南有金温线与浙赣线相 连，可作为宁波至温州铁路工程直发料及部分道碴用料提供运输条件，其中宁波 站、温州站作为客运站，庄桥站、宁波东站、宁波北站、温州西站为货站。 公路运输：沿线地区公路交通发达，道路状况良好，已形成以1 0 4 国道、多 条省道、甬台温高速公路为骨架的交通运输网。其他城市路网、县道、乡村公路 标准高、道路状况良好，均将为本段线路的建设提供有利的施工条件。 水路运输：内河主要有杭甬运河、甬江、椒江、瓯江；海运有宁波港，北仑 港，台州的海门港、大麦屿港、健跳港，温州港等。 2 2 4 主要技术标准 铁路等级：i 级； 正线数目：双线； 浙江大学硕士学位论文 旅客列车设计行车速度2 0 0 k m h ，预留进一步提速条件；货车速度不大于 1 2 0 k m h ： 最小曲线半径：4 5 0 0 m ： 限制坡度：6 0 ； 线间距：4 6 m ： 牵引种类：电力； 机车类型：客车采用动车组； 牵引质量：3 5 0 0 t ； 到发线有效长度：8 5 0 m ； 闭塞类型：自动闭塞； 建筑限界：满足双层集装箱列车开行要求，预留旅客列车进一步提速条件。 电气化工程：接触网桩基础施工要求与路基等线下工程衔接实施。接触网支 柱基础由钻孔桩和钢桩基础组成，施工均要求采用机械施工方法，杜绝人工开挖 方式，采用机械化立杆专用设备校正支柱保证基础位置准确，保证路基整体性不 被破坏。接触网柱基础应与站前工程配套施工。 2 3 甬台温电气化铁路牵引供电系统原初步设计方案 2 3 1 牵引网供电方式 甬台温线牵引网供电方式采用带回流线的直接供电方式。其中牵引变电所、 开闭所、分区所、电力调度所的具体分布为： ( i ) 宁波地区 宁波地区新建洪塘乡牵引变电所、宁波东分区所。 ( 2 ) 温州地区 温州地区新建温州南牵引变电所、瓯北分区所。新温州客整所的动车组停车 线( 3 股道) 通过设置柱上式开关站。 ( 3 ) 沿线牵引变、分区所设置 新建云龙、宁海、- - 1 i 、台州、雁荡山、乐清6 座牵引变电所；新建奉化、 上张、东岙、温岭和霞雪5 座分区所。 ( 4 ) 调度中心设置 1 2 浙江大学硕士学位论文 沿海铁路的综合调度中心设在福州南站，调度管理涵盖甬台温线、温福线、 福厦线的牵引供电设施。甬台温线牵引供电调度与行调相适应，全线设两个调度 台，整个远动调度系统设于福州南综合调度中心内。 2 3 2 外部电源对牵引变电所的供电方案 ( 1 ) 外部电源对牵引变电所的供电方案 甬台温铁路沿线地区电网发达，具备向甬台温铁路可靠供电的能力，根据铁 鉴函 2 0 0 5 1 6 2 3 号关于新建铁路甬台温初步设计的批复意见，甬台温铁路牵 引变电所外部电源原则采用2 2 0 k v 进线。 ( 2 ) 沿线外部电源情况 甬台温铁路电力牵引负荷由华东电网所属的浙江电网供电。浙江省地处东南 沿海，为我国经济发达地区，电力资源较为丰富，浙江省电力系统概况及铁路沿 线的电力设施情况如下： 2 0 0 1 年底，浙江省发电装机容量达1 8 8 1 8 9 m w ( 6 0 0 0 k w 及以上装机容量为 1 6 4 4 3 m w ) ，其中：水电5 7 3 2 5 m w ，火电1 2 7 3 6 2 m w ，核电3 0 0 m w 。2 0 0 1 年 底，全省发电量为7 8 8 2 x 1 0 8 k w h ，其中6 0 0 0 k w 及以上电厂发电量为 7 5 3 5 x 1 0 8 k w h ，比2 0 0 0 年增长1 3 2 ，比全国平均增长率高5 2 。其中统调发 电量5 7 3 8 x 1 0 8 k w h ，比2 0 0 0 年增长1 2 9 。 宁波地区有北仑电厂、镇海电厂、湾塘、宁西、新乐、江南、奉化、跃龙等 供变电设旌，其中北仑发电厂二期三台6 0 万k w 机组己全面建成投产，全厂装 机总容量达3 0 0 万k w ；台州地区有台州电厂、临海、桔乡、泽国、龙门等供变 电设施。温州地区现有温州电厂、龙湾电厂、城西、慈湖等供变电设施，温州发 电厂二期工程( 2 x 3 0 万k w ) 已安装调试完毕开始试运行。宁波天一5 0 0 k v 变 电站、温州瓯海5 0 0 k v 变电站、温岭、乐清2 2 0 k v 变电站也相继投入运行，浙 江电网北部也将通过5 0 0 k v 王店变、瓶窑变两个接点与华东电网联结，南部形 成5 0 0 k v 南亭一诸暨一金华一温卅l 一宁波一南亭的大环网，北部5 0 0 k v 电网通 过四回跨越钱塘江线路同南部电网联结，由此构成5 0 0 k v 主网架。 a 相关电厂及其装机容量。 浙江大学硕士学位论文 表2 - 2 相关电厂及其装机容量 名称装机容量( m w )名称装机容量( m w ) 北仑电厂 2 6 0 0 + 3 6 0 0镇海电厂2 x1 2 5 + 4 x 2 0 0 台州电厂 6 1 2 5 + 2 3 0 0温州电厂2 1 2 5 + 2 3 0 0 龙湾电厂 3 1 0 0 b 相关5 5 0 k v 变电站及其容量。 表2 - 3 相关5 5 0 k v 变电站及其容量 名称规模( m v a ) 天一 2 7 5 0 台南2 x 7 5 0 瓯海+1 7 5 0 + 1 1 0 0 0 。 温南1 7 5 0 c 相关2 2 0 k v 变电站及其容量。 表2 - 4 相关2 2 0 k v 变电站及其容量 名称规模( m v a )名称规模( m v a ) 洪塘4 1 8 0蔡郎 3 1 8 0 跃龙3 1 5 0大田3 1 8 0 临海9 0 + 1 2 0 桔乡 3 1 5 0 健山 3 1 8 0乐清3 1 5 0 象东 4 1 5 0 蒲洲 1 2 0 + 1 5 0 城西3 1 5 0慈湖2 1 2 0 里羊3 1 8 0南白象3 1 5 0 2 3 3 牵引变压器类型与容量 甬台温铁路由于目前尚未明确外部电源供电方案，牵引变压器类型按2 2 0 k v 单相变压器和三相一两相v ，v 牵引变压器的两种考虑，各所主变计算容量依据 t b t 1 6 5 1 1 9 9 6 牵引变电所变压器容量的计算条件和方法计算。根据本线的 初近期客货运量和开行对数，主变校核容量按实际使用( 客车6 分钟追踪) 、并 利用过负荷能力进行校验。初近期各所主变安装容量、2 7 5 k v 相母线电流参见 表2 5 ，表中使用三相一两相v ，v 牵引变压器时，一臂表示宁波方向上下行供电 臂，为一相；二臂表示福州方向上下行供电臂，为另一相； 1 4 浙江大学硕士学位论文 表2 5 不同接线牵引变压器2 7 5 k v 相母线电流 雁荡温州萧江 项目 云龙宁海三门 台州乐清 山 南镇 2 2 2 2 2 2 2 2 主变安装容量 2 02 52 53 1 52 52 53 1 52 5 全日平 初期 2 3 93 0 03 6 43 3 92 8 22 5 42 6 82 5 3 均有效近期 3 0 63 8 2 4 6 64 3 63 6 8 3 3 1 3 4 73 8 7 电流( a ) 远期3 9 74 9 56 0 65 6 24 7 24 2 44 4 14 8 3 9 5 最大 初期 6 4 0 7 4 29 5 77 8 67 1 46 4 97 4 l6 7 3 概率电近期 7 7 59 5 31 1 0 61 0 3 18 8 98 5 48 6 28 6 4 采用 流( a ) 单相 远期 9 0 01 0 7 5 1 3 3 81 1 6 81 0 4 69 5 51 0 0 01 0 3 0 变压 初期 1 2 1 51 6 6 52 0 7 12 1 2 51 7 3 71 5 6 21 7 9 91 6 7 0 器 最大电 流( a ) 近期 1 2 1 516 1 6 52 0 7 12 1 2 51 7 3 71 5 6 21 7 9 91 6 7 0 远期 1 4 5 81 9 9 72 4 8 52 5 4 92 0 8 41 8 7 42 1 5 82 0 0 4 年用电 初期 3 3 8 34 1 5 55 2 0 64 7 6 5 4 0 3 73 5 9 33 6 3 12 6 8 6 量近期 4 6 6 15 7 3 27 1 8 36 6 4 65 6 9 95 0 7 25 1 2 64 7 1 3 ( 1 0 4 k v c h ) 远期 6 0 8 37 4 7 29 3 6 38 5 9 07 2 9 96 4 9 6 6 5 6 56 0 6 0 全日平 初期 1 0 1 2 0 32 0 3 2 1 71 6 5 1 4 11 8 11 3 5 均有效 近期 1 2 92 5 52 6 22 7 52 1 61 8 32 3 01 5 3 电流( a ) 远期 1 5 93 1 23 2 73 3 82 6 52 2 32 7 51 7 8 9 5 最大 初期 4 1 76 2 86 0 9 5 9 55 3 24 7 6 5 3 1 4 6 4 概率电近期4 1 76 8 87 0 77 2 26 1 85 2 65 6 65 8 3 臂 = 流( a ) 远期 5 0 08 2 38 5 28 6 37 4 66 2 67 0 36 7 0 相 一 初期 4 1 79 9 01 0 0 31 1 5 78 9 87 5 01 1 2 58 0 0 两 最大电 相 流( a ) 近期 4 1 79 9 01 0 0 31 1 5 7 8 9 87 5 01 1 2 5 8 0 0 远期5 0 01 1 8 81 2 0 41 3 8 81 0 7 88 9 91 3 5 09 6 0 v 全日平 初期 1 7 21 4 32 1 51 7 31 5 81 5 31 3 11 4 6 v 均有效近期 2 2 21 8 72 7 52 2 92 0 62 0 01 7 41 6 6 变 电流( a ) 远期2 7 62 3 43 3 92 8 22 5 32 4 5 2 1 61 7 1 压 器 9 5 最大 初期 5 4 74 6 26 4 25 1 95 3 65 2 04 6 54 9 2 二 概率电 近期 5 9 44 9 97 3 76 5 25 9 45 7 55 0 66 1 7 臂 流( a ) 远期 7 3 06 2 99 0 07 6 57 1 16 8 96 1 07 1 6 初期 8 1 66 7 41 0 6 2 9 7 08 3 88 1 26 9 78 6 9 最大电 流f a ) 近期 8 1 66 7 41 0 6 29 7 08 3 88 1 26 9 78 6 9 远期 9 7 98 0 91 2 7 51 1 6 41 0 0 59 7 58 3 61 0 4 3 5 浙江大学硕士学位论文 2 4 甬台温电气化铁路目前建设中面j 临的问题 根据甬台温铁路工程施工组织安排，甬台温铁路计划2 0 0 9 年上半年达到开 通条件，目前桥梁、隧道、路基工程正按计划有序推进，按照施组计划安排，电 气化工程拟于2 0 0 8 年上半年开始施工，2 0 0 8 年要达到竣工验收条件，随着工程 的推进，目前在铁路电气化建设仍有很多问题需要进行分析研究。 2 4 1 牵引供电方式的分析选择 目前电气化铁路建设中采用主要是d n 和a t 供电方式。d n 供电方式具有 供电方式简单、可靠、运营维护方便的优点，通过优化其结构和参数能保证较好 的屏蔽效果。a t 供电方式无需提高牵引网的绝缘水平即可将供电电压提高一倍。 在相同的牵引负荷条件下，接触悬挂和正馈线中的电流大致可减少一半，大大减 少了牵引网的电压损失和电能损失，其牵引变电所数量可以减少。a t 供电方式 在列车的重载和高速运行方面有明显的优点。在干扰方面，a t 供电方式对邻近 通信线路的综合防护效果要优于d n 供电方式。但a t 供电方式的缺点主要是结 构比较复杂，建设及运营维护因难，特别在多隧道区段应用更为复杂。 根据最近印发的铁道部2 0 0 7 年客运专线系统集成工作要点铁集成函 2 0 0 7 1 2 7 3 号文，要求在新建时速2 0 0 - - - 2 5 0 公里、3 0 0 - , 3 5 0 公里客运专线铁路中， 牵引供电系统优先采用a t 方式，由于甬台温铁路原初步设计方案是采用带回流 线的直接供电方式，若要d n 将供电方式改为a t 供电方式，势必会引起牵引变 电所、开闭所位置及桥梁、隧道中接触网预埋基础形式的改变，由于目前甬台温 铁路桥梁、隧道工程正在快速推进，在此情况下，有必要结合甬台温工程特点， 对d n 和a t 供电方式深入进行研讨，选择确定甬台温电气化铁路的供电方式。 2 4 2 负序及谐波对电力系统影响的分析研讨 电铁牵引负荷是移动着的、幅值变化大而又频繁的特殊负荷。无论是分析国 内实测资料，还是参考国外文献，电铁牵引负荷日波动的特征是非常明显的。引 起这种日波动的原因与线路条件、机车类型、牵引重量及其运行状态( 如加速度、 正常运转、滑行与制动) 等多种因素有关，而这些影响因素又具有随机特性。因 此，电铁牵引负荷不同于一般的持续电力负荷，它属于典型的日波动负荷，具有 短时冲击特性。 1 6 浙江大学硕士学位论文 由于单相工频交流电气化铁道牵引负荷的特点，当三相电力系统向它供电 时，它将在电力系统中引起负序电流。同时，电力机车产生的高次谐波进入电力 系统，这些都将对电力系统运行产生不良影响。针对甬台温铁路电气化工程的特 点，十分有必要深入分析研究负序及谐波对电力系统影响和相应的对策，以缩小 电铁负荷对电力系统及周围环境的不良影响。 2 5 本章小结 本章结合甬台温铁路铁路工程的特点，详细介绍了甬台温铁路工程建设的意 义、实施特点、主要技术标准，及原初步设计时对甬台温铁路牵引供电系统的相 关方案。由于甬台温是浙江省第一条客运专线铁路的特点，本章同时阐述了相关 高速铁路负荷特点、国外牵引供电方式及牵引变压器接线的选择应用情况。 本章并根据甬台温工程实际进展情况，提出了目前甬台温电气化铁路建设中 面l 临的主要问题： 1 针对甬台温客运专线铁路特点提出了是选择d n 还是a t 方式作为电力 牵引的供电方式； 2 根据电牵负荷对电力系统影响的理论分析，提出了对如何改善甬台温电 气化铁路电牵负荷产生的负序和谐波影响进行分析研究。 浙江大学硕士学位论文 第三章牵引供电方式的选择分析 牵引供电系统供电方式主要有5 种：t r ( 直接) 供电方式，d n ( 直接供电 方式加回流线) 供电方式，b t ( 吸流变压器) 供电方式，a t ( 自耦变压器) 供 电方式和c c ( 同轴电缆) 供电方式。我国在最初修建的几条电气化铁路上采用 的是直接供电方式。后来随着铁路电气化逐渐向繁忙干线发展，为了减少通信线 路的迁改工程量和降低铁路电气化的工程造价，于7 0 年代中期开始采用b t ( 吸 流变压器一回流线) 供电方式。1 9 8 2 年。根据京秦线运量大、牵引定数高的特 点，首次采用了自耦变压器a t 供电方式，后来大秦线和郑武线都采用了这种供 电方式。t r 供电方式中一部分回流电流由钢轨流入大地，对通信线路产生较大 的电磁感应影响，b t 供电方式由于其半段效应、接触网分段及牵引网阻抗大等 弱点，对高速和重载行车的适应能力较差，c c 供电方式效率最高。但投资过大。 根据我国的铁路实际情况，依照经济技术合理的原则，目前电气化铁路建设中主 要采用d