高速铁路牵引供电系统相关问题的分析与研究毕业设计

毕业设计摘要高速列车与牵引供电系统直接相关,是进行牵引供电系统研究的最重要的基础。为此，文首先对牵引供电系统组成进行了详细介绍，然后结合牵引供电系统供电方式及牵引供电回路的特点，对牵引供电系统供电分析论证,针对无功功率、谐波电流、负序电流，分析了牵引供电系统存在问题提出了解决办法。然后提出了理想牵引供电系统，根据运行方式与同相供电系统，研究并分析牵引变电所的(最小)补偿容量，并提出研究后的自耦变压器(AT)供电模式，从而进行新型AT供电模式的研究。关键词：牵引供电系统、牵引变电所、供电系统、供电回路目录第1章 绪论11.1 本文研究的目的和意义11.2 国内外研究现状21.2.1 概况21.2.2 日本31.2.3 法国51.2.4 德国61.3 本文主要工作6第2章 高速铁路牵引供电系统系统介绍72.1 牵引供电部分72.2 牵引网供电方式92.2.1 直接供电方式92.2.2 吸流变压器回流线装置BT92.2.3 自耦变压器供电方式(AT)102.2.4 带回流线的直接供电方式(DN)112.3 牵引供电回路12第3章 高速铁路牵引供电系统相关问题143.1 铁道牵引供电系统的组成143.2 铁道牵引供电系统存在的问题143.2.1 无功功率143.2.2 谐波电流153.2.3 负序电流153.2.4 解决方法15第4章 高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题174.1 理想牵引供电系统174.1.1 系统构成174.1.2 运行过程184.2 现行方式与同相供电系统194.2.1 同相供电系统194.2.2 牵引变电所的(最小)补偿容量20致谢21参考文献22第1章 绪论1.1 本文研究的目的和意义随着我国国门经济的持续稳定发展，人口城镇化进程加速，国际交往急剧增加，旅游事业日益兴旺，诱发了大量的困运需求。人民生活水平的提高，时间价值观念的增强，客观上提出了发展高速铁路客运系统的社会需求。之前国家批准铁道部报送的中国铁路发展中，长期规划，规划中，明确了将建设四纵，四横快速客运通道，升级速度喂350km/h的武汉客运专线就是四纵中京广客运通道的重要组成部分。高速客运专线的设计在我国相对完善，单设计中还存在很多没有解决的课题，就牵引供电系统设计而言，也同样存在很多目前国内还未掌握和解决的难题。告诉客运专线速度高，运量大，行车密度，供电系统出送的功率势必很大。如今高速铁路飞速发展，在高铁动车组列车大幅投入运营的同时，对高铁安全可靠性也提出了更高要求。在高铁运行各技术系统中，牵引供电系统尤其重要，因牵引供电系统直接关系高铁的可靠运行。高速铁路之所以受到广泛青睐，在于其本身具有显著优点：缩短了旅客旅行时间，产生了巨大的社会效益；对沿线地区经济发展起到了推进和均衡作用；促进了沿线城市经济发展和国土开发；沿线企业数量增加使国税和地税相应增加；节约能源和减少环境污染。随着京津城际铁路、武广高速铁路、郑西高速铁路、沪宁城际高速铁路等相继开通运营，中国高铁正在引领世界高铁发展.进入本世纪，随着环境问题的日益严峻，专家们认为，交通运输各行业中，从单位运量的能源消耗、对环境资源的占用、对环境质量的保护、对自然环境的适应以及运营安全等方面来综合分析，铁路的优势最为明显。因此欧洲各发达国家在经历了一段曲折的道路之后，重新审视和调整其运输政策，把重点逐步移回铁路，其策略中重要的一环是规划和发展高速铁路。专家们纷纷指出，发展中国高速铁路势在必行。1.2 国内外研究现状1.2.1 概况(1)供电制式电气化铁道最早采用直流和低频交流（以15kV、16 2/3Hz为主），有的也曾采用单项交流供电，后来居上的是单相工频交流供电。低频交流和直流供电电压都较低，变电所间距较短，有多一套变频和整流设备，因而供电设备的投资比单相工频供电要大。单相工频交流供电可以利用公共电力系统，经降压后直接使用，并且由于采用比较高的25kV或225kV电压，在输送相同功率时，接触网的电流减少，接触网上的压损和电能损失也减少，延长了牵引变电所的间距，接触悬挂也可选用轻型结构，支柱容量也可降低，从而大大节省牵引网的投资。目前高速电气化铁路也是以单相工频供电为主。法国、日本、西班牙高速铁路采用了单相工频交流供电方式；德国沿用了15kV，16 2/3Hz低频交流供电；意大利沿用了直流供电方式。(2)减少负序和通信干扰的主要措施高速电气化铁路牵引负荷为大容量单相负荷，其产生的不平衡电压和电流对公共电力系统构成危害，供电臂上不稳定的负荷，更加重了不平衡度；以钢轨为回流通路的地中电流对沿线通信和信号设备产生电磁干扰，危及设备和人身安全，影响通信质量；电力机车整流产生的高次谐波对电力系统和通信线路也产生严重的影响。减少单相交流供电的不平衡电压和电流，有以下方法：1 改变主变压器接线采用Scott和变形伍德桥接线，实现三相-两相平衡交换。当两供电臂负荷电流和功率因数相同时，电力系统中三相电流平衡。即使在两供电臂电流不同的情况下，不平衡度也大大降低。2 无功补偿实现三相-单相平衡在列车高速运行情况下，为克服不平衡电压和电流的影响，应增大电力系统的短路容量，但这往往需要加长输电线的距离，增加建设费用。而高速电动车组的再生制动的采用，使原理降低不平衡电压和电流的方法变得更加困难。采用任何接线变压器都做不到三相-单相的平衡对称变换，必须辅以适当的并联无功补偿设备。日本研究开发了一种静态不平衡馈线补偿装置。该装置是在Scott接线变压器的M座和T座接上电容器和电抗器组成的平衡补偿装置，借助并联无功补偿方法，实现三相-单相对称变换，从而降低牵引供电系统对电力系统锻炼容量的要求，以利用附近较弱的电源，并且不必考虑馈线负荷的不平衡问题。1.2.2 日本(1)牵引供电系统概况日本1964年东海道新干线开通时，采用BT供电方式，变电所间隔20km左右，最大供电电流1000A。但BT供电方式存在很多问题，如在通过接触网电分段时产生很大的电弧，极易烧坏滑板及解除导线，加之牵引网单位阻抗很大，在大负荷情况下磨损很大，牵引网电能损失很大。1972年山阳新干线正式采用日本铁道研究所开发的AT供电方式，在这之后的其他新干线均采用AT供电方式，变电所间距约60km左右，最大供电电流约20003000A。日本东海道新干线供电电压为25kV、60Hz，山阳新干线供电电压25kV、60Hz，东北，上越新干线供电电压25kV、50Hz，山形新干线供电电压20kV、50Hz，北陆新干线供电电压25kV、60Hz。新干线AT供电方式的变电所容量在100150MVA，供电电压的允许波动范围为：1927.5kV，额定电压为25kV，瞬时最低17.5kV，在22.527.5kV列车可满功率运行。为了提高功率因数，变电所端设置了并联电容，容量约为6000kVar/单位电臂，为了增强供电能力，变电所还设置了静止无功率补偿装置（SVC），进行综合补偿。(2)高次谐波、功率因数、再生制动对牵引供电设备的影响300系、700系、500系、E1系、E2系、E3系、E4系及300X、STAR21型试验车等均采用PWM变流器和VVVF逆变器。该变流回流的特点是：采用再生制动、次数较高的谐波含量高、功率因数高。1 高次谐波的特点和减少影响的措施交直交传动与交直传动相比，由于采用的主元件性能有很大的改善，以及动力分散型列车各单元之间采用不同相位、保持一定的相角差来补偿一部分谐波，总体上谐波是比较低的。但由于采用PWM技术，15001800Hz的高次谐波含量明显增加。采用AT供电方式，供电臂增长，电源阻抗增加，电源电感L和馈线回路电容C在较低频率时会产生共振，当与机车输出频率接近时，产生高次谐波放大。新干线供电回路的共振频率约为10002000Hz。高次谐波共振的危害有：a、恶化系统电气设备的绝缘能力；b、车辆主回路和辅助回路误动作；c、通信杂音干扰；d、设备烧损。通过模拟分析和现场测试，认为共振主要是高次谐波在供电臂末端反射形成的，为了抑制高次谐波共振，在供电臂末端安装HMCR装置；在供电臂21.5km的复线区间实验结果为：共振频率为1550Hz，放大倍数为14.66倍，在分区亭设置HMCR装置后，共振频率移至500Hz。为了防止高次谐波放大，协调并减少车辆、供电设备和环境设备的干扰，日本制定了高次谐波含有率标准，具体如表1.1所示。表1.1 日本新干线高次谐波含有率标准级数35711131719232529综合供电系统343221.51.5115220kV侧22.521.51.5110.50.532 功率因数特点与减少影响的措施交直交传动机车功率因数牵引时接近1，再生制动时接近-1，STAR21型实验车实际测量的结果为：牵引时0.951，再生制动时0.9.符合的阻抗特性也发生变化，不再分布于第I象限40左右，而是在第I、II象限内随机出现，这样容易引起保护误动作。推出的交流电气化贴到用保护范围转换继电器，该继电器仍为四边形特性，但R、X可以进行分别整定，在任意R、X整定值下，保护都有两个动作范围，小范围对应于正常运行状态，大范围对应于馈线故障状态，保护灵敏度高，高阻保护性能好。这两种方式成功的解决了新干线供电保护设备与车辆的协调。3 再生制动对牵引供电设备的影响a、 自动过分相的切换开关故障当牵引工况的车辆位于中性区时，供电臂恰有一列车处于再生工况，而此时，自动过分相切换开关正处于向备用开关切换的状态，如果开断与切换真空断路器串联的隔离开关，就有可能产生大的电弧。b、变电所供电臂停电，再生产不能及时撤除再生制动供电臂中只有一列车时，如果供电臂停电，通过检测竭诚为电压和换流装置的电压，可立即中断再生。但如果同一供电臂中，再生车与牵引车的功率发生平衡时，供电臂停电，再生车不能马上检测出，此时对停电的反应时间是0-100ms。c、再生工况电路系统故障战场牵引变压器已座过电压再生工况，电力系统故障，以此侧断路器跳开后而馈线断路器未跳开，再生车尚未停止再生前，经由主变的一次线圈，对另一座产生过电压。SCOTT变压器如T座车辆再生时发生以此相间短路，M座将产生3倍的过电压。1.2.3 法国(1)牵引供电系统概况法国TGV东南线的运行速度为270km/h，追踪间隔时分为5min，大西洋的运行数的为300km/h，追踪间隔时分为3min，英吉利还写谁的客货混运，追踪间隔时分为2.5min。法国TGV告诉铁路在东南线第一次采用AT供电方式，而后大西洋高速线、北方高速线等高速铁路均采用AT供电方式。(2)东南线供电系统东南线的牵引变电所是法国电力公司通过双回225kV供电，主要供电设备均采用100%备用。主变压器全部为单相牵引变压器，低压次侧设有电压自动调整装置，该装置具有一定的延时性，当母线电压持续60s低于26kV时，可自动调整电压并班车电压在26kV以上，因此，仅一列动车组通过时不动作，当动车组交会时才动作。电压调节共分20级，每级350V，具有补偿高压变化的作用。牵引变压器容量均为60MVA。东南线共设有8个牵引变电所，其中2/3/4变电所为AT变电所，其余变电所均为直供变电所。AT变电所间平均距离为90km左右，直接变电所为40km左右。AT主变压器二次侧绕组中点引出并接地，这样可不必在变电所馈线上安卓自耦变压器，简化了变电所的接线。全线总安装容量为800MVA，检修在夜间，为了检查和简易维护，白天也有80min天窗。AT供电区段AT变间距约为15km。主变压器采用油浸自冷变压器，变压器电抗较高，可使短路电流限制在12000A以下。每个变电所通过4个断路器向架空接触网供电。变电所25kV侧采用六氟化硫断路器，断路器的额定电流为1250A，断流能力15000A。为了限制电梯对电流系统的负序影响，法国采取了如下措施：1 牵引变电所由225kV供电，以确保变电所与系统联结点有足够的短路容量；2 所有牵引变电所通过相序轮换接入电力系统；3 在电力系统薄弱、大密度行车时，单相负荷对系统影响可能超标的牵引变电所，变电所按可以单相与“V”接相互转换设计；4 电网短路容量不足的地区，牵引变电所设置补偿装置。1.2.4 德国德国高速铁路采用15kV、16 2/3Hz供电，铁路有自营的专用单相16 2/3Hz的发电厂，给牵引变电所供电，也有部分采用公共电力系统，静电气化铁路的变频站供给牵引网。汉诺威-维尔茨堡ICE高速线有4个既有线和7个新建的牵引变电所供电；曼海姆-斯图加特ICE高速线由2个既有和3个新建牵引变电所供电。在新建和既有线的联接处，设有分区亭。为高速线供电的既有线牵引供电设备都根据符合的增加和短路功率的提高进行了加强和现代化的改造。高速线上的新建牵引变电所和配电室都是统一规格的。每个牵引变电所都装有2台15MVA的变压器，实行双边供电，变电所间距约为30km。为了将新建村的或经过现代化改造的高速线牵引供电设施接通到原来的供电系统上，对电力调度、美茵河畔的法兰克福中心调度所以及有关的遥控装置的日常控制设备进行了适当的改造。1.3 本文主要工作本文针对高速铁路牵引供电系统，对牵引供电系统做了详细的介绍。从各供电制式，供电方式入手，发现并研究了供电系统中从在的诸多问题，做出了解决办法。结合我国多年来的经验，详细分析了牵引供电发展的问题，并做出了理想牵引供电系统.第2章 高速铁路牵引供电系统系统介绍由于电力机车功率大，拉的多，跑的快，世界各国的高速铁路几乎都采用电力机车牵引。电力机车与蒸汽机车和内燃机车不同，它本身不带能源，必须由外部供应电能。为了给电力机车供应电能，需要在铁路沿线架设一套牵引供电系统。高速铁路的牵引供电系统，与常速铁路的牵引供电系统不同，它的供电能力和供电可靠性必须满足高速列车运行的要求。自1964年10月1日，日本建成世界上第一条高速铁路以来，经过几十年的实践和发展，各国高速铁路的牵引供电系统都有了很大的改进，达到了很高的水平，而且都各具特色。最具有代表性的是日本、法国和德国高速铁路的牵引供电系统。高速铁路的牵引供电系统主要包括牵引供电和接触网两大部分。下面就其采用的主要技术标准做一简单的介绍。2.1 牵引供电部分(1)牵引供电方式高速铁路要求接触网受流质过高，分段和分相点数量少。目前各国大多采用自耦变压器（AT）供电方式和带回线的直接（RT）供电方式。自耦变压器（AT）供电方式是每隔10km左右在接触网与正馈线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供电电压提高一倍，而供给电力机车的电压仍为25kv，如图所示。带回线的直接（RT）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，如图所示，利用接触网与回流线之间的互感作用，使钢轨中的电流尽可能地由回流线流回牵引变电所，因而能部分抵消接触网对邻近通信线路的干扰。日本、法国采用AT供电方式；德国、意大利和西班牙采用RT供电方式。AT供电方式的优点是：供电质量高,变电所数量少,便于牵引变电所选址和电力部门的配合,牵引变电所间距大、分相点少。因此，便于高速列车运行，防干扰效果也好。我国京沪高速铁路牵引供电优先采用225kV（AT）供电方式。(2)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也大。为了减少对电力系统的影响，高速铁路一般都采用较高的电源电压。日本采用154kV、220kV和275kV三种电压等级，法国采用225kV电压等级，德国采用110kV电压等级，意大利采用130kV电压等级，西班牙采用132kV和220kV两种电压等级。(3)接触网电压接触网的电压对电力机车功率发挥及机车运行速度有很大影响，而且直接关系到牵引供电设备技术参数的选定和供电系统的工程投资，各国都非常重视这一技术标准。日本接触网的标准电压为25kV，最高电压为30kV，最低电压为22.5kV。法国分别为25kV、27.5kV和18kV。德国分别为15kV、17kV和12kV。西班牙分别为25kV、27.5kV和19kV。意大利采用直流供电，分别为3kV、3.6kV和2kV。我国京沪高速铁路接触网的标称电压为25kV，长期最高电压拟定为27.5kV，短时（5min）最高电压为29kV，设计最低工作电压为20kV。(4)牵引变压器接线形式牵引变压器是牵引供电系统中最重要的设备。它对牵引供电系统和工程投资起决定性的影响，不同类型的牵引变压器对电力系统产生不同的不平衡影响。日本采用斯科特接线和变形伍德桥接线三相变压器。法国、德国、意大利和西班牙采用单相变位器。单相变压器的优点是变压器容量大、利用率高、经济效果好，最适合在高速铁路上应用。我国京沪高速铁路应优先采用单相变压器。(5)牵引变电所继电保护和自动控制装置日本、法国、德国及西班牙高速铁路的牵引变电所均按无人值班设计，采用运动装置在电力调度中心监控。牵引变电所的继电保护和自动控制系统仍采用传统的控制保护盘方式，微机控制保护和全部自动化等技术都还没有采用。但在保护系统的配置、继电器的特性、控制回路的联动等方面比较先进，系统的安全性和可靠性也比较高。(6)电力调度和运动系统日本列车运行指挥中心集列车、车辆、信号、牵引供电、防灾报警、旅客服务等多种业务调度为一体，构成一个综合调度处理系统。电力调度及运动是其中的一个子系统。法国高速铁路的综合调度系统由行车调度和电力调度组成。德国和西班牙高速铁路的牵引供电调度及运动系统则是一个设在调度中心的独立系统。由调度所对高速线上所有开关设备和接触网柱上开关进行遥控。为了便于列车调度指挥，电力调度和运动系统集中设在行车调度室内。2.2 牵引网供电方式 2.2.1 直接供电方式 图2.1 直接供电方式牵引供电系统，两个牵引变电所之间将接触网分成两个供电分区（又称供电臂），正常情况两相邻供电臂之间在接触网上是绝缘的，每个供电臂只从一端牵引变电所获得电能的供电方式称为单边供电。若两个供电臂通过开关设备，在电路上连通，两个供电臂可同时从两个牵引变电所获得电能，这种供电方式称为双边供电。双边供电可提高接触网电压水平，减少电能损耗。但馈线及分区亭的保护及开关设备都较复杂，因此，目前采用较少。单边和双边供电为正常的供电方式，还有一种非正常供电方式（也称事故供电方式）叫越区供电。越区供电是当某一牵引变电所因故障不能正常供电时，故障变电所担负的供电臂，经开关设备与相邻供电臂接通，由相邻牵引变电所进行临时供电。这种供电方式称越区供电。因越区供电增大了该变电所主变压器的负荷，对电器设备安全和供电质量影响较大，因此，只能在较短时间内实行越区供电，是避免中断运输的临时性措施。复线区段供电方式与上述基本相同，但每一供电臂分别向上、下行接触网供电，因此牵引变电所馈出线有四条。同一侧供电臂上、下行线实行并联供电，可提高供电臂末端电压。越区供电时，通过分区亭开关设备来实现。2.2.2 吸流变压器回流线装置BT在牵引网中，每相距1.5km4km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。图2.2 BT供电方式在接触网和回流线中串接吸流变压器，让牵引电流通过电力机车后从回流线返回牵引变电所。电磁兼容性能好，对周围环境影响小，钢轨电位低2.2.3 自耦变压器供电方式(AT)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。 图2.3自耦变压器供电方式。 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并联于接触导线与正馈线之间，AT中点与钢轨相连。结构上：AT方式是用自耦变压器代替了吸流变压器，正馈线代替了回流线。自耦变压器是并入电路，这一改变，首先是消除了接触网中的吸流变压器分段。大部分回流流经正馈线，从而降低对邻近通信线的干扰。自耦变压器的工作原理：一次和二次回路共用部分绕组(n2部分)，而n1只有一次电流通过。图2.4自耦变压器工作原理输入电压为输出电压的2倍，也就是说，通过自耦变压器可以输入较高的电压而得到机车所需的低电压。电流则相反，输入电流为输出电流的一半。从牵引变电所看，以两倍接触网电压沿线输送1/2I。送电电压加倍，送电电流减半，送电电路中的电压损失将降低为1/4。利用AT这个特点，可增大变电所间的距离和增大传输功率，减少牵引网损耗。缺点：必须在沿线安设电压较高、容量较大的自耦变压器，牵引网设备的投资相应增加。2.2.4 带回流线的直接供电方式(DN)由于AT方式设备复杂，一次投资高、运营费用高、维护困难，特别在多隧道区段应用更为困难。BT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差。因此，常采用直接供电加回流线(负馈线)。DN供电方式：由接触网、钢轨、沿全线架设的负馈线NF(每隔几公里用P金属线和钢轨相连)组成。由于NF和钢轨并联连接，使得正常运行时钢轨中负荷电流的一部分分流到NF中去，因此，可以减少流入大地的电流，减轻对通讯的干扰危害，降低钢轨电位，减小馈电回路的阻抗。DN方式与AT、BT相比，其馈电回路和设备简单、投资省、运营维护方便。为了能取得最好的防干扰效果，需研究回流线的空间布置(与接触网的磁耦合关系)和设法降低回流线地、钢轨地回路的阻抗，以提高回流率。图2.5带回流线的直接供电方式回流率与各导线地回路自阻抗以及各导线地回路间的互阻抗有关，当回流率=1时，则接触网电流完全由回流网吸上，地中电流为零。2.3 牵引供电回路电力牵引供变电系统是指从电力系统接受电能，通过变压，变相后，向电力机车供电的系统。牵引供电回路是由牵引变电所、馈电线、接触网、电力机车、钢轨、地或回流线构成。另外还有分区亭、开闭所、自耦变压器站等。(1)开闭所（SSP）电力牵引系统中的开闭所，实际上是起配电作用的开关站开闭所就是高压开关站，实际上从严格意义上讲是“高压配电”站，仅仅起配电作用，实现环网供电、双路互投等功能。当枢纽地区的供电，分为“由里向外供”和“由外向里供”两种方式，前者在枢纽内设置牵引变电所。后者在枢纽内不设牵引变电所，为了增加枢纽地区供电的可靠性和缩小事故的影响范围，一般设开闭所。AT供电方式时，供电臂较长，在供电臂中部也设开闭所。开闭所应有来自不同牵引变电所的（单线区段）或同一牵引变电所的不同馈线段（复线区段）的两回进线。开闭所应尽量设置在枢纽地区的负荷中心处，以减少馈线的长度和馈线与接触网的交叉干扰。(2)分区亭（SP）为了增加供电的灵活性，提高运行的可靠性，在两个牵引变电所的供电区间常加设分区亭。分区亭常用于牵引网为双边供电，或复线区段牵引网为单边供电，但上下行接触网在末端并联时。这时，分区亭起到平时将两个供电臂或上下行接触网联络起来的作用，这样，当事故发生时，可缩小停电范围和实现越区供电。(3)自耦变压器站电力牵引供电系统如采用自耦变压器供电方式时，在沿线每隔10-15公里设置一台自耦变压器。设置时尽量将自耦变压器设于沿铁路的各站场上。同时，尽量与分区亭、开闭所合并，以便于运行管理。(4)牵引网牵引网是由馈线、钢轨回流线、接触网组成的双导线供电系统，完成对电力机车的送电任务。BT供电方式时，还要有回流线。AT供电供电方式时，还有正馈线和保护线。馈线：接在牵引变电所牵引母线和接触网之间的导线，即将电能由牵引变电所引向电气化铁路。接触网：一种特殊的输电线，架设在铁路上方，机车受电弓与其磨擦受电。回流线：牵引变电所处的横向回流线，它将轨或与轨平行的其它导线与牵引变压器指定端子相联。分相绝缘器（电分相）：串在接触网上，目的是把两相不同的供电区分开，并使机车光滑过渡，主要用在牵引变电所出口处和分区处。分段绝缘器（电分段）：分为纵向电分段和横向电分段，前者用线路接触网上，后者用于站场各条接触网之间。通过其上的隔离开关将有关接触网进行电气连通或断开，以保证供电的可靠性、灵活性和缩小停电范围等。 供电分区：正常供电时，牵引变电所馈线到接触网末端一段供电线路称为供电区。第3章 高速铁路牵引供电系统相关问题3.1 铁道牵引供电系统的组成铁道牵引供电系统主要是由三大部分组成，即：电气化铁道一次性供电系统、铁道的牵引变电所以及牵引网。其中，铁道的牵引变电所其主要功能就是把三相的交流高压电能通过各种方式转变成较低的电压，三相的交流高压电能主要是从电气化铁道一次供电系统处所输送过来，而这些较低的电压主要适合电力机车使用。铁道牵引网则主要包括五部分，分别为：接触网、馈电线、轨道、大地以及回流线，铁道牵引网的功能主要是将铁道牵引变电所转化的较低电压电能输送到电力机车。铁道牵引供电系统根据为铁道机车提供的电流性质来划分，可以分为直流制以及交流制两种。其中交流制又可以分为两种，即：工频单相交流制以及低频单相交流制。工频主要指的是工业标准的频率，一般就是50赫兹或者60赫兹。而低频则指的是低于工业标准频率（50赫兹或者60赫兹）的频率，在平常的应用中，低频用的最多的是15-20赫兹。不同的电流制，其电力牵引供电系统设备都有极大的不同。3.2 铁道牵引供电系统存在的问题3.2.1 无功功率电力机车是一个具有随机变化特点的感性负载，它的基波电流会滞后电压一定角度，由于变压器、牵引电机这些设备的非线性，加上电力电子器件非线性的调节作用，导致机车的电流中包含大量在三相供电系统中的不对称分布的谐波成分。牵引负载功率大、时间和空间分布随机性强以及三相不对称的特点导致牵引供电系统成为电力系统中主要的无功源。供电系统无功功率产生的危害主要表现在以下方面：使供电线路中无功功率的有功损耗增加，供电线路、变送电设备以及其他用电设备发热程度增加。增加无功功率会使电流增大，从而使得发电机、变压器以及其他电气设备和导线的容量增加。由于变送电设备负荷容量中，增加了无功容量。导致变送电设备有功输出的容量降低。3.2.2 谐波电流电力系统所产生的谐波和其它整流负荷所产生的谐波一样，给电力系统及用户带来巨大的危害。特别是在牵引负荷与波动性方面，具有负荷功率大、波动性强的特点，这些危害表现得尤为突出。主要体现在以下方面:谐波会增加公共电网中各元件的谐波耗损，从而降低用电、输电、发电设备的效率，过量三次谐波还会导致线路过热从而引发火灾。谐波会影响各种电气设备进行正常工作，对电机造成的影响除了产生附加耗损外，还会引起机械振动、噪声及过电压，从而导致变压器局部过热。另外，谐波会对电容器、电缆等电力设备产生过热、绝缘老化、寿命缩短的影响。谐波会使得公共电网中产生局部并联谐振与串联谐振，使谐波放大，甚至引起严重的安全事故。3.2.3 负序电流 负序电流的产生主要是由铁道牵引变电所在采用不同基本联接方式完成电压等级变换而引起的，负序电流的产生，除了会导致无功功率之外，还会对整个电力系统以及用户造成不可估量的后果。负序电流的产生，会降低变压器的输出功率，使其不能发挥其高效的运转效率。负序电流的产生，会导致相关部件的发热和震荡，从而危及到机器的安全及顺利运行。因为当发电机中有负序电流流过，且各相的电流不超过额定值，那么就必须要降低发电机的出力，这样才能确保发电机的正常运行。负序电流的产生，会导致电力网输电能力的降低，因为当负序电流流过铁道牵引供电系统时，电力系统不仅不能发挥其功效，而且还会造成电能的损失以及占据输电系统的最大容量，从而减少了输电系统容量的利用率。此外，负序电流的产生，还能引起继电保护装置设备的一些误动作，不仅降低电机的工作效率，而且还造成一定的安全隐患。3.2.4 解决方法(1)负序电流的解决对策一是要采用大容量的电源。负序电流产生的影响主要是由于系统自身不能承受巨大的不平衡电流导致的。采用高压，大容量的电源，既是要避免负序电流的产生较为严重的影响，又是在提高系统自身的性能。另外一种方式就是变压器的改善。我们可以通过使用单相、三相V/V结线，斯科特结线，平衡结线变压器等多种形式的牵引变压器来实现负序电流的解决。负序电流的产生主要还是因为三相不平衡造成的，当我们采用这些变压器的时候如果变压器两端的负荷平衡，最终成功降低负序电流的产生。在利用这种方式消除负序电流的时候，我们必须要注意两供电臂的状态对负序电流的影响：当两供电臂平衡时，单相、三相V/V结线等牵引变压器负序功率为正常的百分之五十；斯科特结线，平衡结线变压器负序功率为0。当两供电臂不平衡时，各结线形式的牵引变压器负序功率均是百分之百。(2)采用相序轮换技术 相序轮换技术的主要原理是利用各相所承受的负载及功率因素来达到三相电流的平衡状态，从而解决三相不平衡现象。因为接触网在铁道线路周围被划分为许多供电区域，而每个区域又是由电力系统的三相来供电的，因此，当每个区域供电的负载之和相等，并且其功率因素也相等时，那么电力系统的三相电流就能够达到平衡的状态。尽管如此，在理想的情况下，这种方案是可行的，但在实际情况中，由于各种因素的存在，这种方案实际上很难达到理论上的成功，有时也可能会给列车的正常运行造成诸多的不便及负面影响，给列车带来安全隐患。因此，相序轮换技术不能彻底的解决三相电流不平衡现象，该技术的出现也只是暂时缓和三相电流不平衡带来的诸多负面影响。(3)无功功率和谐波电流的对策 一是通过更新电车的性能，电车性能的好坏是谐波电流产生与否的重要影响因素。目前，我国和谐号动车组8节、16节编组的功率分别是5500KW和11000KW。根据沿海铁路近年的运营情况看，其功率因数已高达0.98以上，即避免了国家电网公司对功率因数的处罚，又提高了电气化铁路对电能的利用率，很好的解决了以往电车无功过高的问题。除尽量选择性能好的机电设备，另一方面在平时设备维护过程中，要及时更换陈旧设备。性能好的机电设备可以有效降低谐波电流的产生，从而降低谐波电流对于系统的影响。另外还可以在机电车上安装功率矫正装置，发现无功功率可以自动校正。这是提高效率的关键措施。 二是可以通过各种手段来进行补偿。在供电系统中，常运用的补偿方法是运用电车上的无源或者有源或者两者相结合的方式来对其进行补偿。另外并联电容的应用也可以有效补偿无功功率。第4章 高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题4.1 理想牵引供电系统绝大多数国家的电气化铁路均取电于公用电网,电气化铁路用电都存在电能质量问题而受到电力系统的限制。理想的牵引供电系统应当是电气化铁路从电力系统取电之同时,把其干扰隔离开来,换言之,把电能质量控制在国家标准或相关标准允许范围内,同时铁路内部使用统一的电压供电并取消电分相。为此,自然会想到以德国为代表的供电模式。由于历史的原因,德国联邦铁路除从公用电网取电外,还有大量的铁路专用电厂和输电系统(集中式),同时与 其他国家不同,采用15kV、1623Hz的供电制式。这 种模式使用范围有限,但在技术上不失为一种/理想牵引供电系统0,值得借鉴,抓紧试验研究。4.1.1 系统构成 随着大功率电力电子技术的发展,功率半导体器件的容量、集成水平大幅提高,价格不断下降,为解决牵引供电系统与电力系统在电能质量上存在的矛盾及铁路自身电分相问题提供了新的思路,并在技术与装备方面提供了可能。可借鉴德国模式,在变电所通过三相交流2直流2单相交流全变换方式实现同相供电,将牵引网互联,利用直流环节的转换与隔离作用,形成独立于公用电网的供电网络。由于采用全变换,电力系统仅与牵引网侧交换有功,且三相负荷平衡,不存在负序问题,同时,铁路供电臂取消电分相,而且变电所之间可进行潮流调度,牵引变压器的容量利用率和负荷率都可得到极大提高。/理想供电系统0结构原理图如图所示。图中,牵引变电所取电于三相电力系统。牵引馈线需加断路器及相关保护,可仿单相牵引变电所馈线予以实现,各断路器对应不同的故障区间。分区所的断路器通常是闭合的,以实现引网的贯通供电。图4.1 理想供电系统结构原理图图4.1为理想供电系统0中牵引变电所的内部原理图。图中,原边三相变压器应适应整流特性,但注意经过正弦调制时谐波含量很低。直流储能环节经三相四线逆变送出所内自用电,经单相逆变环节送出牵引电压,当电力电子器件集成后经济耐受电压足够或者逆变侧采用多重化级联结构时,可省去虚线框中的单相升压变压器,直接馈出27.5kV、50Hz额定电压,直流储能环节还可联结其他可再生能源。由于全部采用四象限变流器,再生制动的电能可存储或反馈给电网,即可由用电转为发电过程。4.1.2 运行过程 可将理想供电系统输出的牵引馈线电压视为电压源,其大小、相角均可调节控制。牵引网送电时,先将任意一个牵引变电所的牵引馈线投入,如牵引馈线1,设其电压为U1;然后将牵引馈线2的电压U2由任意向量Uc2调整至与U1大小、相位相同时投入,实现与牵引馈线1并网,其他牵引馈线的电压依次投入,以实现贯通供电。 牵引网馈线电压的可控性为牵引供电系统负荷潮流的有效调度提供了可能,使原来不可能的事情得以实现。4.1.3 可靠性及其他 随机过程认为系统中两个及以上子系统或元件同时故障或修复的(转移)概率为零。因此,可不考虑两个及以上牵引变电所同时故障。理想供电系统的运行维护可仿照高压直流输电系统,如随机故障的检修,定期检修等。 当一变电所故障时,应退出运行并及时维修。退出的情形可等效为这一变电所正被控制在其馈线电流为0的情形。此时,该变电所的负荷潮流由相邻及其 他正常运行的变电所担当。 修复后牵引变电所的投入过程仍如图3所示。当馈线电压大小、相位与运行中的牵引网电压相同时,即可并网投入运行。 牵引变电所中变流器全部采用相对独立的功率单元组合而成,功率单元采用冗余配置。当一个单元故障时,可以及时替换,并且,该供电系统中各变电所已互为工作备用关系,整个系统的可靠性能够得到保障。4.2 现行方式与同相供电系统 除德国模式外,其他国家无一例外地采用公用电网给工频(50Hz或60Hz)交流电气化铁路供电的标准制式。其中牵引变电所的主变压器把110kV或220kV高压降为27.5kV或25kV的铁路标准用电。它一般采用双绕组或多绕组接线,其中接线方式有I,i(单相)、V,v、YN,d11和Scott等。高速铁路供电的关键主要取决电力系统对负序电流的耐受能力和牵引变电所接线方式对负序电流的抑制能力。 为降低负序电流的影响,除牵引变压器接线方式外,还要把供电臂相位轮流接入电力系统三相中某一相,简称换相 。这都将导致沿线供电臂使用不同相位电压供电,而在变电所出口或分区所处设置电分相装置,又使之成为列车、特别是高速列车运行的薄弱环节。实现同相供电是取消电分相、提高列车安全性和舒适性的唯一途径.4.2.1 同相供电系统 解决现行供电方式存在问题最为有效的方法是在牵引变电所应用以负序、无功补偿为核心的对称补偿技术,实现同相供电,即全线用同一相位的单相电压供电。它与单相牵引变压器一样,都可避免在牵引变电所出口采用电分相。两者最主要的区别在于对负序电流的抑制能力。但即使在同一电力系统中,不同进线处的系统短路容量不同,承受负序电流的能力也不同。因此,为减少不必要的投资和设备浪费,可将同相供电系统中的变电所分为3种:一是全补偿,它要求实现对称补偿,特别对负序有极好的抑制能力;二是半补偿,对补偿负序有适度要求;三是不补偿,只用牵引变压器。对称补偿系统和牵引网组成的同相供电系统示意图如图4.2所示图4.2 3个牵引变电所构成的同相供电系统示意图4.2.2 牵引变电所的(最小)补偿容量 根据不同接线,在变电所实施对称补偿时,也有技术难度和补偿容量大小之分。 理论上可证明:当认为功率因数为1而仅补偿负序