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Part4电气化铁道牵引网BT与AT供电方式 4 1吸流变压器 BT 供电方式4 2自耦变压器 AT 供电方式4 3高铁全并联AT牵引网 本章重点 BT AT供电方式原理本章难点 AT牵引网电流分布计算 1 4 1吸流变压器 BT 供电方式 BT 吸流变压器 F 回流线 T 接触网 R 轨道 A 吸上线 吸流变压器 BoosterTransformer 供电方式 简称BT供电方式 在牵引网中 每相距3km 4 5km间隔 设置一台1 1的吸流变压器 其一次线圈串入接触网T中 二次线圈串入回流线F中 回流线一般装设在接触网支柱外侧的横担上 吸上线A一端接回流线 另一端接轨道 以提供从机车到轨道的返回电流到回流线中去的通路 2 回流线 负馈线 悬挂位置示意 3 4 1 1工作原理 1 BT供电方式的电路原理 吸流变压器的作用是在接触网和回流线间集中地加强了互感耦合 即 由于所以理想情况下轨道和地中的返回电流被全部吸入回流线 实际上I1 I2差别在于I1含有吸流变压器的激磁电流I0 所以I0仍流经轨道和大地 但数值很小 R F A T 4 2 BT供电方式对通信的防护作用 由于返回电流沿回流线流回牵引变电所 而不经轨道和大地 从而把本来距离很大的接触网 轨道大地回路 改变成距离相对很小的接触网 回流线回路 而且回流线和接触网中的电流大小相等 方向相反 两者的交变磁场基本上可以相互抵消 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减小 3 长回路电磁感应 影响 当机车运行于吸上线处时 牵引电流可立即通过吸上线回流 轨道中几乎无电流 这时对邻近通信线路的影响大大减小 剩余电磁感应影响主要有 激磁电流的影响 接触网与回流线对通信线的相对位置差异的影响 二次感应 的影响 这三种因素对通信线引起的剩余电磁感应影响约为直接供电方式下牵引网对通信线电磁感应影响的5 称为 长回路电磁感应 影响 5 4 影响吸 回装置对通信线的防护效果的主要因素 电力机车的运行位置 当电力机车位于吸流分段吸上线位置处时 吸 回装置具有最佳的防护效果 此时牵引网对通信线只有 长回路电磁感应 影响 当电力机车运行于吸流分段的其它位置 从机车到邻近吸上线之间的长度内 牵引网仍然是以接触网 轨道地或轨道地 回流线不对称回路向电力机车供电 这种因电力机车位置变化致使供电回路仍按不对称方式工作所产生的电磁感应影响 称作 半段效应 影响 当机车运行于a b之间 回流线ab段无电流 正 半段效应 6 当机车运行于c d之间 接触线cd段无电流 负 半段效应 可见 在一个吸流分段内以吸流变压器为分界点 近半段可能产生正 半段效应 远半段可能产生负 半段效应 随着运行的电力机车位置由吸上线处向吸流变压器逐渐接近 半段效应 影响逐渐增大 当电力机车运行于吸流变压器附近时 吸 回装置对通信线的防护效果最差 当电力机车驶过吸流变压器处时 半段效应 发生正 负突变 所以 实际装置是在供电分区内设置长度不大的许多吸上分段 每个分段长3 4 5km 每个分段中央设置一台吸流变压器 分段以吸上线为界 使 半段效应 影响大大缩小 7 半段效应 在半个BT区间长度内失去防护作用 每个BT段一般3 4 5km 8 实际电磁感应的影响是 长回路 与 半段效应 的叠加 综合感应电压 9 其它主要影响因素 通信线平行接近距离 通信线 回流线 接触网相互位置的差异 回流线的架设高度及是否分相 牵引网短路 10 4 1 2BT供电方式下牵引网阻抗及牵引网电压损失计算 1 单线牵引网阻抗 BT供电方式的牵引网阻抗与直接供电方式的牵引网阻抗有很大不同 它不再是均匀分布 而是在某些特定位置阻抗值发生突变 R A F A T B C D 当负载处于首BT之前 l x 11 当负载处于B位置 当负载处于C位置 当负载处于D位置 在一般场合下 通常BT供电方式的牵引网单位阻抗为 其中 zj zh zjh分别为接触网单位自阻抗 回流线单位自阻抗 接触网与回流线间单位互阻抗 ZB为吸流变压器阻抗 L为线路长度 n为L线路长度内吸上分段段数 12 2 复线牵引网阻抗 由于BT供电方式的复线区段上行 或下行 牵引网基本上是一平衡供电电路 所以上 下行回路间互感忽略不计 上行 或下行 牵引网自阻抗的计算与单线牵引网阻抗相同 3 牵引网电压损失计算 BT供电方式下单线区段供电分区牵引网电压损失的计算条件和计算方法与直接供电方式相同 单线区段 注意 13 4 1 3吸流变压器的容量计算 一个吸流分段的等效电路 U1为一个BT段牵引网的电压降 当接触网电流I1为吸流变压器额定电流时 吸流变压器副边电压 U2为 其中 l为吸流分段长度 ZBT为变压器漏电抗 所以 U2就是吸流变压器的额定电压UB 吸流变压器的额定容量 14 吸流变压器数据 例 某时刻电流为350A 计算吸流变压器端电压 15 4 1 4BT方式对牵引供电系统的不利影响 1 牵引网阻抗增大 以链形悬挂牵引网为例 牵引网单位等效阻抗会增大约50 2 牵引网电压损失增大 3 牵引网电能损失增大 4 对接触网运行产生不利影响 机车过BT时易产生电弧 串联系统 可靠性差 总之 BT供电方式虽然对邻近通信线防护是一种有效措施 但对牵引供电系统的技术经济指标有较大影响 只有在经过全面的技术经济比较后 确认为利大于弊时才可以采用 16 4 2自耦变压器 AT 供电方式 AT供电方式 自耦变压器 AutoTransformer 供电方式 简称AT供电方式 它不但是电气化铁路减轻对相邻通信线路的干扰影响的有效措施之一 而且对牵引供电系统有较好的技术经济指标 能适应高速 大功率电力机车运行 我国北京 秦皇岛 大同 秦皇岛 郑州 武昌等电气化铁路 均采用AT供电方式 在结构上 AT方式中自耦变压器并联接入电路 而BT方式的吸流变压器串联接入电路 所以AT方式消除了因加入变压器对接触网造成的分段 两台AT之间的距离一般为8 15km 17 4 2 1工作原理 1 AT供电方式原理电路 T为接触网 R为轨道 F为正馈线 AT为自耦变压器 变比为2 1 设AT变压器阻抗为零 机车位于AT2处运行 机车电流为I 如图所示 电流I从钢轨流入AT2 上下绕组各流一半电流 该电流由牵引变电所沿接触网流出I 2 沿正馈线流回牵引变电所I 2 轨道中的电流为零 由于接触网和正馈线中的电流大小近似相等 方向相反 两者之间的距离也相对很小 两者的交变磁场基本可相互平衡抵消 18 2 AT供电方式电流分布 19 长回路 感应影响 实际上AT存在很小的阻抗 因此在全供电分区内将有部分牵引电流流经轨道 大地返回变电所 如图 在AT漏抗不为零情况下 除相邻两个AT供给电流外 供电分区上的其它AT也要向该机车供给部分电流 i1 i2 i3 i4 但由于AT漏抗很小 短路电压多在1 以下 所以电力机车所在AT区间以外的AT向机车供给的电流很小 从而流经轨道 大地返回变电所的电流很小 故对邻近通信线的电磁感应影响很小 由变电所至负荷前面AT处的TF平衡回路造成的影响称为 长回路 感应影响 20 短回路 效应 在AT漏抗为零情况下 机车在某一AT区间取流时 仅仅是左右两个相邻的AT向机车供给电流 由于AT1和AT2的副边回路引入了阻抗 其数值分别与电力机车至AT1 AT2的距离成正比 s所以 电力机车电流I在轨道 大地中的分路电流I1 I2的数值分别与两分路的长度成反比 电磁感应影响同电流与回路长度的乘积成正比 由于两个短回路对通信线产生的电磁感应影响大小相等 方向相反 对平行长度延及这个AT段全长的通信线将不产生电磁感应干扰影响 这被称作 短回路 效应 21 3 AT供电方式的特点 与BT供电方式比较 AT供电方式具有以下特点 AT供电方式的馈电电压高 所以供电能力大 电压下降小 AT供电方式的网络电压是BT方式的两倍 供电能力为BT方式的4倍 AT回路的电压下降率仅为BT回路的1 4 从而牵引变电所的间距可增大4倍 实际增大2 3倍 AT供电方式能有效地减弱对通信线的影响 计算表明 对于同一电气化区段 当AT供电分区长度为BT方式的两倍时 AT间距在15 20km的防干扰特性大致与BT间距为2km的结果相当 同时AT供电方式所用的自耦变压器容量较大 在短路时不会造成自耦变压器的铁心饱和 所以在事故下具有较好的防护效果 AT供电方式中自耦变压器是并联连接在接触悬挂和正馈线之间 相比BT供电回路吸流变压器串入接触网中提高了供电可靠性 特别有利于高速和大功率电力机车的运行 22 4 2 2牵引变电所接线方式的特点 AT供电方式牵引变电所 按牵引变压器接线型式可分为三相 两相平衡接线 三相十字交叉接线 V X接线和二次中抽式单相接线 1 三相 两相平衡接线 Scott接线 1为三相系统 2为Scott接线变压器 3为自耦变压器 4为AT供电方式牵引网 T为接触网 R为轨道 F为正馈线 牵引变压器副边的T1绕组和T2绕组分别与室外两组55kV牵引母线连接 两组牵引母线通过馈电线分别向变电所两侧供电分区供电 每路馈电线出口皆装设一台自耦变压器 23 2 三相十字交叉接线 由两台三相YN d11接线的牵引变压器构成 两台原边接线绕组分别接ABC相序和ACB相序 两台副边d11接线绕组对顶 c a 接成十字交叉方式 副边端子a c 和b b 分别接到两组55kV牵引母线 两组牵引母线通过馈电线分别向变电所两侧供电分区供电 副边对顶点端 c a 与轨道连接 因此 可省去变电所内的AT 三相双绕组十字交叉接线 24 3 V X接线和二次中抽式单相接线 单相组合式V X接线 由两台副边带中点抽头的单相牵引变压器构成 两台的原边绕组分别接三相电力系统的AC相和BC相 两台的副边出线端a1 x1和a2 x2分别接到两组55kV牵引母线 两组牵引母线通过馈电线分别向变电所两侧供电分区供电 两台的副边中点抽头o1 o2分别与轨道连接 25 二次中抽式单相接线 采用副边绕组带中点的单相变压器构成 原边绕组接入电力系统AB相 副边绕组出线端a x分别接到两组55kV牵引母线 两组牵引母线通过馈电线分别向变电所两侧供电分区供电 副边绕组的中点抽头o与轨道连接 二次中抽式Scott接线 2013年7月开通的杭甬客专 在新上虞变电所采用了两台二次中抽式Scott接线变压器 是我国用于高铁的首台220kV平衡变压器 系我校发明专利 26 4 2 3牵引网的特点 1 AT供电方式牵引网的构成 T R F a b T R F ATP ATP ATP SS CPW CPW CPW CPW PW 55kV 27 d 图中 ATP 自耦变压器所 SP 分区所 T 接触线 R 轨道 F 正馈线 PW 保护线 SS 变电所 CPW 轨道与保护线间的辅助联接 28 a b 为单线AT牵引网 c d 为复线AT牵引网 a c 中AT牵引网仅由接触悬挂 轨道 正馈线构成 b d 中AT牵引网除了接触悬挂 轨道 正馈线外 还有保护线 横向连接线 辅助连接线等 保护线 PW 与轨道 R 并联 同时在AT处采用横向连接实现轨道 保护线和AT中点的连接 设置保护线的目的 当牵引网发生短路故障时 使短路回路阻抗减小 便于继电保护动作 29 4 2 4AT供电方式的优缺点 优点 它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小一半 AT供电方式牵引网单位阻抗约为BT供电方式牵引网单位阻抗的1 4左右 大大减小了牵引网的电压损失和电能损失 牵引变电所的间距可增大到90 100km 不但变电所需要数量可以减小 而且相应的外部高压输电线数量也可以减少 由于AT供电方式无需在AT处将接触悬挂实行电分段 故当牵引重载列车运行的高速度 大电流电力机车通过AT处时 受电弓不存在产生强烈电弧 能满足高速 重载列车运输的需要 同时 AT供电方式对邻近通信线的综合防护效果也优于BT供电方式 缺点 变配电装置结构复杂 AT供电方式的接触网工程投资要大于BT供电方式 相应的施工 维修和运行也比较复杂 30 4 3 1高铁牵引供电系统方案 1 高速正线通常采用2 25kVAT供电方式 2 客运专线列车密度大 单车功率大 AT牵引变电所的间距一般为50 60km 3 一般每个供电臂内设置一处自耦变压器所 位于变电所和分区所之间 AT所间距通常为12 15km 4 牵引变电所接引电力系统两回独立220kV可靠电源 并互为热备用 5 牵引变压器的联结组别通常采用V x结线 4 3高铁