电力牵引供电系统概述知识

第一章电力牵引供电系统概述 1 1电力牵引特点及发展概况 略 1 2电力系统简介1 3三相电力系统的中性点运行方式1 4牵引供变电系统的组成1 5牵引供电方式 1 2电力系统简介 一概述 由于电能不能大量储存 电能的生产 传输 分配和使用就必须在同一时间内完成 这就需要将发电厂发出的电能通过输电线路 配电线路和变电站配送 将发电厂和用电设备连接在一起有机地联成一个 整体 我们将这个由发电 送电 变电 配电和用电五个环节组成的 整体 称为电力系统 电力系统是由发电厂 输电网 配电网和电力用户组成的整体 是将一次能源转换成电能并输送和分配到用户的一个统一系统 输电网和配电网统称为电网 是电力系统的重要组成部分 发电厂将一次能源转换成电能 经过电网将电能输送和分配到电力用户的用电设备 从而完成电能从生产到使用的整个过程 电力系统还包括保证其安全可靠运行的继电保护装置 安全自动装置 调度自动化系统和电力通信等相应的辅助系统 一般称为二次系统 一概述 图1电力系统示意图 火力发电厂 110kV220kV330kV500kV 一次降压变电站 35kV 二次电压变电站 10kV 10kV 工厂 变压器台 220V 住宅 380V 220V 二电力系统的组成 发电厂是实现把其他形式的能源转化成电能的场所 现在我国的发电厂主要有火力发电厂 水力发电厂 核能发电厂等 此外 还有利用地热资源 再生资源 太阳光能 太阳热 风力 潮汐 波浪 海流等 其他形式的能源进行发电 1 火力发电厂2 水利发电厂3 核能发电厂4 地热发电厂5 潮汐发电厂6 风力发电厂 已接近常规电厂的造价 上网电价可降到4角左右 7 太阳能发电厂 高耗能 低效率 1 发电厂 发电机基本工作原理 2 电力网 电力系统中连接发电厂和用户的中间环节称为电力网 它由各种电压等级的输配电线路和变电站组成 电力网按其功能可分为输电网和配电网 输电网是电力系统的主网 它是由35kV及以上的输电线和变电站组成 配电网是由10kV及其以下的配电线路和配电变压器组成 就我国目前绝大多数电网来说 高压电网指 110KV 220KV电网 超高压电网指330KV 500KV和750KV电网 特高压电网指的是以1000KV输电网为骨干网架 超高压输电网和高压输电网以及特高压直流输电 正负800KV 高压直流输电和配电网构成的现代化大电网 电力网按电压等级分为 低压电网 电压1KV以下中压员网 电压1 10KV高压电网 电压高于10KV 低于330KV超高压网 电压高于330KV 低于750KV特高压网 电压1000KV及其以上 输电网是电力系统中最高电压等级的电网 是电力系统中的主要网络 简称主网 起到电力系统骨架的作用 所以又可称为网架 在一个现代电力系统中既有超高压交流输电 又有超高压直流输电 这种输电系统通常称为交 直流混合输电系统 配电网是将电能从枢纽变电站直接分配到用户区或用户的电网 它的作用是将电力分配到配电变电站后再向用户供电 也有一部分电力不经配电变电站 直接分配到大用户 由大用户的配电装置进行配电 1 输电线路 电力输送设备是由输电线路 变电站和配电线路等组成 输送电能通常采用三相三线制交流输电方式 采用高压 超高压远距离输电是各国普遍采用的途径 目前我国常用的输电电压等级有35kV 110kV 220kV 330kV 500kV等多种 输电过程中 一般将发电机组发出的6 10kV电压经升压变压器变为35 500kV高压 再利用降压变压起将35kV高压变为6 10kV高压 通过输电线可远距离将电能传送到各用户 2 变电站 变电站有升压变电站与降压变电站之分 根据供电的范围不同 变电站可分为一次 枢纽 变电站和二次变电站 一次变电站是从110kV以上的输电网受电 将电压降到35kV 110kV 供给一个大的区域用电 二次变电站 大多数从35 110V输电网络受电 将电压降到6 10kV 向较小范围供电 3 配电线路 配电的作用是将电能分配到各类用户 常用的配电电压有10kV或6kV高压和380 220V低压 由10kV或6kV高压供电的用户称为高压用户 由380 220V低压供电的用户称为低压用户 低压配电线路是指经配电变压器 将高压10kV降低到380 220V等级的线路 三用户 一级负荷 指中断供电将造成人身伤亡者 重大的政治影响 重大的经济损失或公共场所秩序严重混乱的负荷 对一级负荷应有两个或以上独立电源供电 二级负荷 指中断供电将造较大的经济损失 如大量产品报废 或造成公共场所秩序混乱的负荷 如大型体育场馆 剧场等 对二级负荷尽可能要有两个独立的电源供电 三级负荷 不属于一 二级负荷者是三级负荷 三级负荷对供电没有什么特别要求 可以非连续性地供电 如小市镇公共用电 机修车间等 通常用一个电源供电 1 3三相电力系统的中性点运行方式 基本概念 1 电力系统的中性点 发电机 变压器的中性点且指变压器Y形接线 2 运行方式共三种 中性点不接地运行方式中性点经消弧线圈接地运行方式中性点直接接地运行方式前两种接地系统统称为 小接地电流系统 后一种接地系统又称为 大接地电流系统 3 分析中性点运行方式的目的 运行方式的不同会影响运行的可靠性 设备的绝缘 通信的干扰 继电保护等 目录一中性点不接地系统二中性点经消弧线圈接地系统三中性点直接接地系统四中性点不同接地方式的比较和应用范围 一中性点不接地系统 一中性点不接地系统 1正常运行情况 简化等值电路 图2 1正常运行时的中性点不接地的电力系统 a 电路图 b 相量图 假设条件 C 各相对比地之间是空气层 空气是绝缘介质 组成分散电容 图2 1为了方便讨论 认为 1 三相系统对称2 对地分散电容用集中电容表示 相间电容不予考虑3 当导线经过完全换位后 Cu Cv Cw C 分析 图2 1 1 三相系统对称时 三相电压对称 即2 由于Cu Cv Cw C 则IcA IcB Icc Ux Xc 也对称 即 结论 正常运行时 地中没有零序电容电流流过 中性点对地电位为零 2单相接地故障 简化等值电路假定C相完全接地 如下图 图2 2单相接地故障时的中性点不接地的电力系统 a 电路图 b 相量图 分析 图2 2 电流情况 电压情况 结论 接地故障相对地电压降低为零 非接地故障相电压升高为线电压 倍 且相位改变 绝缘水平按线电压设计 35KV及以下 中性点对地电压升为相值 方向与故障相电压相反 即 c 相对中性点电压和线电压仍不变 三相系统仍然对称 可以继续运行2h 供电可靠性提高 接地点流过的电容电流是正常每相对地电容电流的 倍 即 c co 故在接地点有电弧 单相接地时接地电流危害 单相接地时的接地电流将在故障点形成电弧 当出现稳定电弧时可能烧坏电气设备 或引起两相或三相短路 尤其是电机或电器内部因绝缘损坏而造成一相导体与设备外壳之间接触产生稳定电弧时 更容易烧坏电机 电器或造成相间短路 接地电容电流的经验算法 Ic 中性点不接地系统地单相接地电容电流 A U 电网额定线电压 Kv L 同一电压U具有电气联系的架空线路或电缆线路总长度 km 返回 架空线路 电缆线路 习题 1 中性点不接地的电力系统发生单相接地故障时 各相对地电压有什么变化 单相接地电流有什么变化 性质如何 1 中性点不接地的电力系统发生单相接地故障时 各相对地电压有什么变化 单相接地电流有什么变化 性质如何 答 故障相电压等于0 非故障相电压升高倍 单相接地电流为一相对地电容电流的3倍 为容性电流 2 单相接地时接地电流可能产生的危害 2 单相接地时接地电流可能产生的危害 单相接地电流为一相对地电容电流的3倍 单相接地时的接地电流将在故障点形成电弧 当出现稳定电弧时可能烧坏电气设备 或引起两相或三相短路 二中性点经消弧线圈接地系统 问题的提出 为什么要采用中性点经消弧线圈接地系统 中性点不接地电力网发生接地时 仍可继续运行2h 但若接地电流值过大 会产生持续性电弧 危胁设备 甚至产生三相或二相短路 二中性点经消弧线圈接地系统 1消弧线圈的工作原理 图2 3中性点经消弧线圈接地的电力系统 a 电路图 b 相量图 1消弧线圈的工作原理 1 正常运行时 中性点对地电位为零 UN 0消弧线圈中无电流 IL 0流过地中的电容电流为零 IC 02 单相接地时 中性点电位升高为相电压 消弧线圈中出现感性电流 与相差1800流过接地点电流 相互抵消 消弧线圈不起作用 实现补偿 2补偿方式及选用 1 全补偿 L C即 接地点电流为零缺点 XL Xc 网络容易因不对称形成串联谐振过电压危及绝缘2 欠补偿 L C即 接地点为容性电流缺点 易发展成为全补偿方式 切除线路或频率下降可能谐振 3 过补偿 L C即 接地点为为感性电流注意 电感电流数值不能过大 10A 不采用 少采用 采用 中性点经消弧线圈接地系统U相金属性接地 电压变化特点 故障相对地电压变为零非故障相对地电压升高倍系统各相对地的绝缘水平也按线电压考虑 3消弧线圈 1 消弧线圈结构特点 为了保持补偿电流与电压之间的线性关系 采用滞气隙铁芯 气隙沿整个铁芯均匀设置 以减少漏磁 为了绝缘及散热 铁芯和线圈都浸在油中 为适应系统中电容电流变化特点 消弧线圈中设有分接头 5 9个 2 补偿容量的选择 h e 1 35 c x3 消弧线圈的安装地点发电厂的发电机或厂变的中性点 变电所主变的中性点 4 适用范围 广泛应用在不适合采用中性点不接地的以架空线路为主体的3 60kV系统 个别雷害严重的地区110kV系统不得已采用 返回 三中性点直接接地系统 1简化等值电路假定C相完全接地 如下图 图2 4单相接地故障时的中性点直接接地的电力系统 2 3 2单相接地时1 电压情况 C相 接地相电压降低 为0非接地相电压不变 为相电压中性点对地电压不变 为02 电流情况形成短路 危害大 装设继电保护 跳闸切除故障 供电可靠性降低 避免接地点的电弧持续 分析 优点 1 不外加设备即可消弧2 降低电网对地绝缘 节省造价缺点 1 供电可靠性降低改进 装自动重合闸装置 加备用电源2 电流很大且单相磁场对弱电干扰改进 中性点经电抗器接地 仅部分中性点接地3 不产生过电压 设备绝缘水平低20 造价低 结论 返回 中性点经小阻抗 小电阻或电抗器 接地 着眼点是为了增大零序电抗 以限制单相短路电流 四中性点不同接地方式的比较和应用范围 1 供电可靠性经消弧线圈接地 不接地 直接接地2 过电压与绝缘水平大接地 相电压小接地 线电压3 继电保护大接地 灵敏 可靠小接地 不灵敏4 对通信的干扰大接地 电流大 干扰大小接地 电流小 干扰小5 系统稳定性 1中性点不同接地方式的比较 小接地系统优先 小接地系统优先 小接地系统优先 大接地系统优先 大接地系统优先 110kv及以上 直接接地20 60kvI10A 中性点经消弧线圈接地10kvI20A 中性点经消弧线圈接地3 6kvI30A 中性点经消弧线圈接地1kv及以下 直接接地 2中性点运行方式的应用范围 返回 1 消弧线圈的补偿运行方式有三种 运行方式和 方式和 方式 一般应采用 运行方式 2 在35KV系统中 电容电流大于 A 在10KV系统中 电容电流大于 A 应采用中性点 接地系统 全补偿欠补偿过补偿过补偿 1 消弧线圈的补偿运行方式有三种 运行方式和 方式和 方式 一般应采用 运行方式 2 在35KV系统中 电容电流大于 A 在10KV系统中 电容电流大于 A 应采用中性点 接地系统 10 20 经消弧线圈或电阻 1 4牵引供变电系统的组成 1牵引供电系统的构成 电力系统向牵引供电系统供电示意图 牵引变电所 核心元件为变压器 1 三相YNd11接线 2 单相Ii接线 3 单相Vv接线 4 Scott接线 牵引网 由馈线 接触网 轨 地 回流线组成 1 直接供电方式 2 带回流线的直接供电方式 3 吸流变压器 BT 供电方式 4 自耦变压器 AT 供电方式 牵引变电所把电力系统供应的电能变换成适合电力机车牵引要求的电能 牵引变电所 把电力系统供应的电能变换成适合电力机车牵引要求的电能 馈电线 连接牵引变电所和接触网的导线 它将牵引变电所变换后的电能送到接触网 接触网 是一种悬挂在轨道上方 沿轨道敷设的 和铁路轨顶保持一定距离的输电网 通过电动车组的受电弓和接触网的滑动接触 牵引电能就由接触网进入电动车组 从而驱动牵引电动机使列车运行 轨道 在非电牵引情形下只作为列车的导轨 在电力牵引时 轨道除仍具有导轨功能外 还需要完成导通回流的任务 因此 电力牵引的轨道 需要具有良好的导电性能 回流线 是连接轨道和牵引变电所的导线 通过回流线把轨道中的回路电流导入牵引变电所的主变压器 电气化铁路三大技术课题 负序电流 动态单相取流 产生负序电流输入电力系统 措施 三相 两相变压器 变电所换向连接 高次谐波机车整流器产生高次谐波 对通信产生干扰 措施 BT AT供电方式功率因数低措施 并联电容补偿 对电气化铁道供电系统的基本要求 安全 可靠 不间断供电 保证必须的电压水平 19 29KV 额定27 5kv 提高功率因素 减少负序电流和高次谐波 减少对邻近通信线路的干扰 1 5牵引供电方式 按分区所运行状态分类 1 单边供电 2 双边供电 3 上 下行并联供电 按牵引网设备类型分类 1 直接供电方式 TR供电方式 2 BT供电方式 Booster Transformer 吸流变压器 3 AT供电方式 Auto Transformer 自耦变压器 4 带回流线的直接供电方式 DN供电方式 5 CC供电方式 CoaxialCable 同轴电缆 单边供电 分区所开关打开 只由一端供电 双边供电 钢轨 变电所 变电所 馈线 分区所 分区所开关闭合 由两端供电 上 下行并联供电 1 直接供电方式 特点 投资小 钢轨电位高 对通信线感应干扰大 法国 英国 前苏联广泛使用 2 BT供电方式 特点 变比为1 1的BT串入接触网 间隔为1 5 4km 用以吸回地中电流 减少通信干扰 优点 钢轨电位低 抑制通信干扰效果好 缺点 增加牵引网结构的复杂性 提高造价 阻抗增大 使供电臂长度减小 存在BT分段 火花间隙 不利于高速 重载等大电流运行 BT供电方式在牵引网中 每相距1 5km 4km间隔 设置一台变比为1 1的吸流变压器 吸流变压器设在分段中央 其原边串入接触网 副边串入沿铁路架设的回流线 回流线通常就悬挂在铁路沿线的接触网支柱外侧的横担上 1 接触网 2 为轨道 3 为回流线 4 为吸流变压器 变比1 1 一次线圈串接入接触网 二次线圈串接入回流 5 为吸上线 一端接回流线 另一端与轨道或吸流变压器线圈中点连接 以提供从电力机车到轨道的返回电流流到回流线中去的通路 6 为位于远端的吸上线处的电力机车 这种装置的防护作用在于 把本来是尺寸很大的接触网 轨道大地回路改变成尺寸相对很小的接触网 回流线回路 当牵引电流流经吸流变压器原边时 副边在回流线中产生很大的互感电势 吸流变压器的作用也就是在接触网和回流线之间集中地加大互感 即 设吸流变压器原边电流为I1 匝数为 1 副边电流I2 匝数为 2 根据磁势平衡关系 I2 2 I1 1又因为变比为1 1 则 1 2 所以I2 I1说明 采用吸流变后 只有变压器原边的激磁电流仍流经轨道和大地 且电流数量很小 如果不设吸流变 单凭接触网和回流线之间的分布互感 仅约10 20 牵引电流经回流线流回 同时回流线和接触网中的电流基本上大小相等 方向相反 两者的交变磁场基本上可互相平衡 抵消 显著地减弱了接触网和回流线周围空间的交变磁场 使牵引电流在邻近的通信线路中的电磁感应影响大大地减小 缺点 1 电力机车处于吸流变压器附近时防护效果差 机车电流经轨道与大地 然后经回流线流回 接触网在a b段中没有电流 而回流线中有电流 则在ab段的长度内等于没有防护 回流线cd中无电流 在接触网cd段的长度内等于没有防护 两种情形都使吸流变压器 回流线在半段长度里失去效用 这种现象叫做半段效应 失效区相当于分段长度之半 所以实际装置是在供电臂内设置长度不大的许多吸上分段 每个分段仅长2 4km 每个分段中央设置一台吸流变压器 分段以吸上线为界 吸上线一端接回流线 另一端焊入钢轨 按照这种安排 半段效应长度大大缩小 且只有处在一个分段中的机车的电流而不是牵引网总电流在该分段产生半段效应影响 2 使牵引网阻抗显著增大 接触网 回流线回路比通常牵引网阻抗要高 应用这种装置的牵引网 其阻抗等于接触网 回流线回路阻抗与吸流变压器短路阻抗之和 由于牵引网阻抗增高 有时可能必要缩短牵引变电所间的距离 或增设串联电容补偿 来保证牵引网电压水平 3 AT供电方式 特点 回流线为正馈线T 供电电压为2x27 5kv 间隔约10km加AT变压器 优点 供电电压成倍提高 牵引网阻抗小 供电远距离长 为直接供电的170 200 网上电压损失和电能损失小 钢轨电位低 抑制通信干扰效果好 缺点 投资大 电流分布复杂 保护算法难度大 日本铁路为防止通讯干扰 在实行交流电气化的前期 在牵引网中普遍应用了BT供电方式 但当高速 大功率机车在这种电路中通过吸流变压器分段时 在受电弓上会产生强烈电弧 为了克服此缺点 后来发展了一种新的牵引网供电方式 自耦变压器供电方式 AT供电方式 T 接触网 R 轨道 F 正馈线 AT 自耦变压器AT供电方式 由接触网T 正馈线F 轨道大地系统R以及每隔一定距离的自耦变压器 AT 构成 AT并