牵引供电系统外部电源与供电方式ppt课件

电气化铁道牵引供电系统 西南交通大学电气工程学院 一 电气化铁道概述二 牵引供电系统对外部电源的要求三 牵引变电所实测数据分析四 牵引供电系统供电方式 一 电气化铁道概述 一 电气化铁道概述 目前世界上运行的交流电力牵引供变电系统主要有工频 50 Hz或60 Hz 单相交流电力牵引供变电系统和低频 162 3 Hz 单相交流电力牵引供变电系统两种制式 它们都由外部供电线路 牵引变电所 牵引网 分区所 开闭所等装置和环节组成 1 交流牵引供电制式 单相工频交流制的牵引供电系统的优点 结构简单 不需要在变电所设置整流和变频设备 牵引供电电压增高 既可保证大功率机车的供电 提高机车的牵引定数和运行速度 又可使变电所之间的距离延长 导线截面减少 建设投资和运营费用显著降低 地中电流对地下金属的腐蚀作用小 一般可不设专门防护装置 一 电气化铁道概述 1 单相工频交流制 1950年法国在埃克斯 累 班 里亚罗什休尔伏龙区段试建的25kV工频单相交流电气化铁路成功 25kV工频单相交流制在世界广泛推广 我国电气化铁路全部采用25kV工频单相交流制 一 电气化铁道概述 从电力系统接受电能 通过变压 变相或变频后 向电气化铁道电力机车 动车组 负荷提供所需电压 频率制式的电能 并完成牵引电能传输 配电等全部功能的专用电气系统 2 单相低频交流制 许多西欧国家如奥地利 挪威 瑞典和德国等都采用这种电流制 低频单相交流电力牵引供变电系统有两种构成形式 一种是早期欧洲部分国家所采用的电气化铁路专用低频电力系统 建立完全独立的电力牵引专用的低频供电系统 由发电厂发出单相低频电流 经高压输电线输送到牵引变电所 在牵引变电所降压馈送到牵引网 一 电气化铁道概述 另一种低频单相交流电力牵引供变电系统 由三相工频交流电力系统获得电能 经牵引变电所降压变频后 再经过升压变压器将电压升至 15 kV 后馈送至牵引网 一 电气化铁道概述 低频单相交流制牵引系统的优点 电力机车或动车组可采用牵引特性良好的单相整流子牵引电动机驱动 因为在低频 162 3Hz 情况下 这种电动机的换向条件较工频 50 60 Hz 时更为有利 但由于设备复杂 大大限制了其经济性 在 20 世纪中期以前电力电子和传动控制技术尚不发达 这种技术选择在当时应属可取的 一 电气化铁道概述 交直型电力机车电力机车从接触网取得25kV工频单相交流电 经车载变压器降压为1500V 整流后向牵引电动机供电 1 电力机车的电气特性 2 牵引供电系统的负荷特性 一 电气化铁道概述 交直型电力机车采用半控桥式整流 通过晶闸管控制导通角来控制机车出力 所以 交直机车在整流过程中会产生谐波 功率因数较低 SS4型货运电力机车 SS8型客运电力机车 一 电气化铁道概述 交直交型电力机车 动车组 1979年德国开发了世界首台大功率干线交流传动电力机车 克服了交直型电力机车的缺点 一 电气化铁道概述 一 电气化铁道概述 交流牵引电机功率大 过载能力强 噪声小 调速范围宽 0 5000r min左右 再生制动力巨大 交直交机车采用四象限整流 通过GTO或IGBT控制导通和关断角来控制机车的出力 可分别控制导通和关断机车主变压器的若干个低压绕组的整流 使电流波形逼近正弦波 且电流与电压的相位基本同步 交直交型电力机车的谐波含量很小 功率因数高 我国于1991年开始进行交流传动电力机车的研究 先后研制成功了交直交动车组和交直交货运电力机车 铁路计划逐渐全面推广交直交型电力机车和动车组 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 列车负荷与牵引重量的关系在运行速度 线路坡度相同的情况下 列车负荷与牵引重量成正比 列车负荷与运行速度的关系列车运行速度越高 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 高速时 列车主要克服空气阻力运行 持续受流时间长 一 电气化铁道概述 2 列车的负荷特性 负荷与线路坡度的关系列车爬坡的情况下克服重力运行 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 高速列车的空气阻力较大 列车主要克服空气阻力运行 线路坡度对牵引负荷的影响较小 一 电气化铁道概述 牵引变电所的负荷大小 与供电臂中运行的列车数量 铁路线路坡度及列车运行速度等因素有关 实测牵引变电所负荷曲线实例 一 电气化铁道概述 3 牵引变电所的负荷特性 牵引变电所负荷具有如下特点 负荷波动频繁每一条铁路沿线线路条件千差万别 列车在运行时速度和线路坡度随时都在变化 且列车在铁路上按信号运行 在铁路运输状态发生变化时 在供电臂内列车数量疏密不等 所以 牵引变电所两供电臂内 列车的数量及每一列车的负荷状态随时都在变化 牵引变电所的负荷呈现出频繁波动的状态 一 电气化铁道概述 牵引变电所负荷具有如下特点 负荷大小不均衡牵引变电所的负荷随着两供电臂内列车的数量及每一列车的负荷状态随时波动 有时轻载 甚至空载 有时负载较重 在节假日 铁路故障后恢复行车等情况下 会出现列车紧密追踪情况 在军运 煤电油运 农运等特殊运输期间 也会出现列车紧密追踪情况 此时 牵引变电所会出现负荷高峰值 一 电气化铁道概述 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 列车运行时受流状态随时都在发生变化 平均负荷较低 但牵引变电所供电能力必须适应短时出现的高峰负荷的需要 所以 牵引变电所的负载率很低 一 电气化铁道概述 二 牵引供电系统对外部电源的要求 1 牵引供电系统与电力系统的关系 二 牵引供电系统对外部电源的要求 1 牵引供电系统与电力系统的关系 二 牵引供电系统对外部电源的要求 高压输电网 500 220 110kV低压配电网 35 10 0 38kV 牵引供电系统 牵引网 单相工频交流 25kV 牵引变压器 三相工频交流 二 牵引供电系统对外部电源的要求 2 牵引供电系统外部电源供电方式 单电源双回输电线路供电方式 牵引变电所电源进线来自一个电源点 需要双回路输电线 为保证电压水平 输电线路距离较短 牵引变电所数目不应超过两个 供电的可靠性和灵活性较差 变电所为双T接线 二 牵引供电系统对外部电源的要求 2 牵引供电系统外部电源供电方式 双电源环网单回路供电方式 牵引变电所电源进线来自两个不同电源点 地区变电所 变电所接入数目在2个及以上时应采用桥形接线 可靠性较高 用于电力系统的非主要功率传输线上 电力系统向牵引变电所专门供电时采用 二 牵引供电系统对外部电源的要求 2 牵引供电系统外部电源供电方式 双电源环网双回供电方式 牵引变电所电源进线来自两个不同电源点 地区变电所 且若干变电所的一次侧进 出 线与电力系统连成环形网 可靠性高 不影响系统的功率传输 用于WL2为电力系统的主要功率传输线不能破口另需另设线路2为电气化铁路专用线时 二 牵引供电系统对外部电源的要求 2 牵引供电系统外部电源供电方式 多电源混合供电方式 它由多电源环网供电 双回输电线路和辐射供电 电源G3直接终端牵引变电所供电 等方式综合构成 用于电力系统电源点较多的情况 二 牵引供电系统对外部电源的要求 优质的供 用电应具有以下特征 1 供电电压具有稳定的标称频率 幅值和波形 2 保持三相电压和电流的平衡 保证电网最大传输效率 3 持续稳定和充足的电能供应 4 低廉的电价 5 对环境的不良影响较小 3 电力系统电能质量的基本要求 二 牵引供电系统对外部电源的要求 GB T12325 2008电能质量供电电压偏差GB T15945 2008电能质量电力系统频率偏差GB T15543 2008电能质量三相电压不平衡度GB T12326 2008电能质量电压波动和闪变GB T14549 1993电能质量公用电网谐波GB T24337 2009电能质量公用电网间谐波GB T18481 2001电能质量暂时过电压和瞬态过电压 电能质量国家标准 二 牵引供电系统对外部电源的要求 牵引供电系统 牵引网 25kV 电力系统 牵引变压器 电能质量 公共连接点 PCC 或供用电协议规定的电能计量点 牵引供电系统与其电源 即三相电力系统 公用电网 之间通过PCC点的电能质量相互约束 二 牵引供电系统对外部电源的要求 电能质量 电压偏差 GB T12325 2008电能质量供电电压允许偏差交流50Hz电力系统供电电压偏差定义为实测电压与额定电压之差 以额定电压的百分数表示 35kV及以上供电电压正 负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10 二 牵引供电系统对外部电源的要求 机车受电点电压 牵引变压器空载电压 牵引变电所压损 牵引网压损 在牵引供电系统的设计中要求牵引网电压水平不低于19kV 需要考虑最小短路容量 即在系统短路阻抗较大的情况下 能否满足列车牵引的需要 电气化铁路牵引供电系统的电压水平受电力系统电压损失 牵引变压器电压损失和牵引网电压损失三方面制约 二 牵引供电系统对外部电源的要求 牵引变电所 牵引变电所 25kV 二 牵引供电系统对外部电源的要求 电压损失概念及计算方法 压降 压损 矢量差 算数差 很小 近似 工程上 二 牵引供电系统对外部电源的要求 计算到负荷端口 系统电压损失表达式如下式中 XS为负荷端口看出的电网等值相电抗 Q为该相线路传输的无功功率 kvar UN为线路额定相电压 kV 为负荷功率因数角 感性负荷取正值 忽略电阻 或 二 牵引供电系统对外部电源的要求 按三相负荷 系统电压损失表达式如下 式中 UN为线路额定相电压 kV Sk为负荷端口的系统三相短路容量 MVA ST为负荷三相容量 kVA 负荷功率因数角 二 牵引供电系统对外部电源的要求 进一步 计算电压偏差式中 Sk为负荷端口的系统三相短路容量 MVA ST为负荷三相容量 kVA 负荷功率因数角 二 牵引供电系统对外部电源的要求 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80MVA 高速客运专线牵引变远期规划容量达120MVA 对应不同容量的牵引变压器 为保证供电臂未端电压不低于20kV 系统短路容量如下 二 牵引供电系统对外部电源的要求 牵引供电系统 牵引网 牵引变电所 牵引变电所 负荷的变化使PCC点电压幅值在额定值附近变化 减小系统等值阻抗 即选择短路容量大的电源 25kV 减小无功功率在系统的传输 即提高功率因数 采用交 直 交型电力机车 无功就地补偿 二 牵引供电系统对外部电源的要求 电能质量 谐波 牵引供电系统 牵引网 牵引变电所 牵引变电所 电源为工频 基波 50Hz的正弦波 机车为非线性负载 是谐波电流源 25kV 负载的非线性使得系统的电压 电流波形发生畸变 二 牵引供电系统对外部电源的要求 根据GB T14549 93 电网公共连接点第h次谐波电压含有率HRUh按下式计算式中 Ih为注入电网公共连接点的总h次谐波电流 A h为谐波次数 Sk为公共连接点的三相短路容量 MVA UN和UL分别为公共连接点的额定相电压和线电压 kV 二 牵引供电系统对外部电源的要求 牵引供电系统 牵引网 牵引变电所 牵引变电所 减小系统等值阻抗 即选择短路容量大的电源 25kV 减小注入系统的谐波电流 采用交 直 交型电力机车 装设滤波器 二 牵引供电系统对外部电源的要求 电能质量 电压不平衡度 牵引供电系统 牵引网 牵引变电所 牵引变电所 三相对称电源 正序 负载的不对称使得系统电压 电流不再对称 机车为单相负载 25kV 二 牵引供电系统对外部电源的要求 大功率单相负荷对系统的冲击 要求系统有足够的承受能力 采用单相牵引变电所的负序功率等于牵引负荷功率 GB T15543 2008三相电压允许不平衡度电力系统公共连接点处的电压不平衡度应满足国家标准 GB T15543 95 的要求 正常电压不平衡度允许值为2 短时不得超过4 电压不平衡度 二 牵引供电系统对外部电源的要求 式中 I2为注入电网公共连接点的A相负序电流 A Sk为公共连接点的三相短路容量 MVA UN和UL分别为公共连接点的额定相电压和线电压 kV 二 牵引供电系统对外部电源的要求 牵引供电系统 牵引网 牵引变电所 牵引变电所 三相对称电源 正序 负载的不对称使得系统电压 电流不再对称 机车为单相负载 减小系统等值阻抗 即选择短路容量大的电源 25kV 减小负载的不对称性 各牵引变电所的循环换相 平衡变压器 补偿装置 二 牵引供电系统对外部电源的要求 电力系统短路容量大小是反映该点短路时短路电流的大小 同时也就反映了该点至恒定电压点之间总电抗的大小 短路容量值越大 说明该点与电源联系越紧密 电气量越稳定 短路容量是估计电力系统供电能力的重要依据 电力系统发电容量越大 短路容量越大 负载点距离电力系统电源越近 短路容量越大 一方面 电力系统短路容量越大 电能质量越好 高速铁路普遍采用高电压 大容量电源供电 二 牵引供电系统对外部电源的要求 三 国外高铁外部供电电源 世界主要高速铁路国家电铁供电电源电压等级 世界主要高速铁路国家电铁供电电源电压等级 高速铁路普遍采用高电压 大容量电源供电 三 国外高铁外部供电电源 三 国外高铁外部供电电源 随着电网发展 系统短路容量呈日益加大的趋势 则系统的短路阻抗减小 对牵引供电系统的影响 使得系统电压损失降低 从而牵引变压器出口电压水平提高 牵引网电压水平提高 负序电压 谐波电压畸变对系统的影响相对减小 系统结构发生变化 使得负序电流和谐波电流在系统中的渗透发生改变 牵引变压器进线短路容量增大 牵引变电所高 低压侧的各种电气设备 开关电器等将承受更大的短路电流 系统短路容量不可能无限制变大 目前部分地区已经因为短路容量太大导致开关选择的困难 二 牵引供电系统对外部电源的要求 主要有两种方案 一 源头控制 在干扰负荷主电路上改进 如改交直型机车为交直交机车或动车组 可以从根本上解决诸如功率因数 谐波等问题 二 综合补偿技术 综合作用 提高功率因数 滤除谐波 减少负序电流 另一方面 作为用户 牵引供电系统本身要采取措施减小对电力系统电能质量的影响 二 牵引供电系统对外部电源的要求 牵引变电所换相连接在减小负荷不对称造成的负序电流方面 欧洲各国大都采用单相变压器 为减小单相牵引负荷在电力系统中的电流不平衡 各变电所采取按相序轮换方式接入系统 使全区达到平衡的措施 法国为改善不平衡状态 最初采用Scott平衡变压器 但没能解决电压不平衡对电力系统的影响 后来 随着电网的发展 全部以单相变压器代替 并且使用轮换相序接入电力系统 使不同变电所产生的负序电流部分抵消 削弱了电铁产生的负序电流 二 牵引供电系统对外部电源的要求 单相牵引变电所换相连接方案1 由3台单相变构成相别循环 电分相上承受电压为 二 牵引供电系统对外部电源的要求 方案2 由6台单相变构成相别循环 电分相上承受电压为 二 牵引供电系统对外部电源的要求 Vv接线变压器换相连接 1 按对称要求规定供电分区电压顺序为 等 两相邻变电所间分区所的供电分区的电压相同 2 所有变电所变压器副边以同名端接地 二 牵引供电系统对外部电源的要求 二 牵引供电系统对外部电源的要求 YNd11接线 AA B BCC A 25kV Vv接线 ABAB BC BCCACA AB 单相接线 AB BC BCCACA AB AB 牵引变电所的换相连接 二 牵引供电系统对外部电源的要求 采用平衡变压器与法国不同 日本采用Scott接线或变形WB接线的平衡变压器 变压器一次侧不换相接入电源 当两个供电臂上的负荷完全相同时 一次侧就不会产生负序电流 利用这种特殊接线方式的变压器来消除电气化铁路负荷不对称对电力系统所造成的影响 日本RPC 平衡变次边电流 两供电臂负载电流 二 牵引供电系统对外部电源的要求 三 牵引变电所实测数据分析 GB T159451995 中华人民共和国国家标准电能质量电力系统频率允许偏差 简介电力系统频率偏差 系统频率的实际值与额定值之差 频率偏差允许值 电力系统正常频率偏差允许值为 0 2Hz 当系统容量小于3000MW时 偏差值可以放宽到 0 5Hz 冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过 0 2Hz 根据冲击负荷性质 大小以及系统的条件也可适当调整限值 但应保证电网发电机组和用户的安全稳定运行 三 牵引变电所实测数据分析 电网频率实测案例 图为成 都 达 州 铁路大英牵引变电所110kV电网频率实测结果 其偏差远小于 0 2Hz 表明我国主网有功功率比较充足 三 牵引变电所实测数据分析 但在弱小电网 负荷较小的变动都可能导致电网频率较大波动 下图是青藏线安多35kV配电所的频率测试情况 当雄 安多297km铁路专用输电线路退出时 那曲 安多各个35kV铁路配电所由查龙水电站 装机容量8000kW 供电 从安多35kV配电所频率测试结果可以看出 在这一过程中 电网频率出现1 2分钟的较大波动 三 牵引变电所实测数据分析 图为内 昆铁路盐津牵引变电所试运行的测试情况 上图为110kV母线A相电压 下图为A相电流 向该所供电的云南昭通电网较为薄弱 造成空载时变电所110kV母线电压偏高 负荷时偏低 在昭通电网扩能改造之后 这一状况得以改变 三 牵引变电所实测数据分析 测试实例 测试期间 洛阳东牵引变电所110kV电压不平衡度最大值为2 33 95 概率值为1 30 符合国标要求 说明河南电网比较强大 三 牵引变电所实测数据分析 测试实例 江油牵引变电所 测试期间110kV电压不平衡度最大值为1 70 符合国标要求 该所110kV母线三相电压平衡状况良好的原因除其紧邻江油热电厂外 牵引变压器采用平衡接线方式也是一个重要原因 三 牵引变电所实测数据分析 泸沽牵引变电所110kV母线最小短路容量不足400MVA 尽管该所负荷远远小于洛阳东牵引变电所 但从测试结果看 该所110kV母线三相电压不平衡度远远高于洛东变电所 另一案例 成 昆铁路泸沽牵引变电所 装接容量为2 20MVA 日通过能力为22对车 天 西昌电网为小电网 西昌220kV变电所供电设备容量180MVA 110kV公共连接点最小短路容量为613MVA 三 牵引变电所实测数据分析 平果变A相电压总谐波畸变率田东变A相电压总谐波畸变率典型案例 南昆电气化铁道广西境内由南宁电网和百色地区电网供电 南宁电网主要由广西主网供电 百色地区电网则由广西电网一部分以及地方小水电 小火电厂联合供电 平果和田东变电所相邻 地理情况和铁路运量相当 由于百色电网容量较小 所以田东变电所谐波电压情况较平果变电所严重得多 三 牵引变电所实测数据分析 田林变110kV侧A相电压总谐波畸变率 百色变110kV侧A相电压总谐波畸变率 田东变110kV侧A相电压总谐波畸变率 平林变110kV侧A相电压总谐波畸变率 南 昆电气化铁路百色电网谐波电压测试情况 三 牵引变电所实测数据分析 洛阳东牵引变电所谐波测试实例 河南电网较强大 该时段内 最大谐波电压综合畸变率为2 62 95 概率大值为1 89 符合谐波国标要求 三 牵引变电所实测数据分析 谐波治理中值得关注的现象 背景谐波电压 2001年8月15日17时至16日17时 成 昆铁路黄联关 泸沽牵引变电所向西昌北牵引变电所实施24小时越区供电 西昌北变电所背景谐波测试如图所示 可想而知 如果在西昌北变电所设置滤波装置 将无法取得令人满意的谐波电压治理效果 三 牵引变电所实测数据分析 四 牵引供电系统供电方式 1 直接供电方式 TR 四 牵引供电系统供电方式 结构简单 投资最少 维护费用低 直接供电方式的钢轨电位高 对弱电系统的电磁干扰较大 改进供电方式目标 降低钢轨电位 减小对弱电系统的电磁干扰 具有更强的供电能力 更小的牵引网电压损失和电能损失 供电距离更长 变电所数量更少 减小分相数量 25kV 2 BT 吸流变压器 供电方式 四 牵引供电系统供电方式 接触网中串接吸流变压器 间隔约1 5km 4km 吸流变压器变比 1 1 回流线与接触网同杆架设 牵引变电所 回流线 接触网 钢轨 吸流变压器 吸流变压器 I I I I I BT供电方式实现目标 长回路中钢轨电位降为0 长回路磁场完全平衡 电磁干扰降至最低 I I I 25kV 接触网串入吸流变压器 牵引网阻抗增大 供电臂电压损失增大 供电臂末端电压水平降低 为电压水平 缩短供电臂的距离 2 BT 吸流变压器 供电方式 牵引变电所 回流线 接触网 钢轨 吸流变压器 吸流变压器 四 牵引供电系统供电方式 2 BT 吸流变压器 供电方式 四 牵引供电系统供电方式 BT供电方式供电能力最差 BT供电方式不适合高速列车的运行 牵引变电所 回流线 接触网 钢轨 吸流变压器 吸流变压器 I I I I I 25kV I I I 3 带回流线的直接供电方式 TRNF 四 牵引供电系统供电方式 回流线与接触网同杆架设 两组导线之间有互感 钢轨电流部分由回流线回流 带回流线的直接供电方式实现目标 相对直接供电方式 钢轨电位一定程度上有所降低 电磁