电气化铁道牵引供电系统

1、电气化铁道牵引供电系统 一、电气化铁道概述二、牵引供电系统对外部电源的要求三、牵引供电系统供电方式一、电气化铁道概述轨道交通电力牵引是利用电能作为牵引动力，将电能转化为机械能，驱动铁路列车、电动车组和城市轨道电动车辆等载运工具运行的一种运输形式。轨道交通（电力）牵引供变电系统主要包括电气化铁道交流牵引供电系统和城轨交通（地铁与轻轨等）直流牵引供电系统两大部分。取决于机车的供电制式。1、轨道交通的供电制式一、电气化铁道概述1900年1915年低压直流制 500750V 直流串激电动机1915 年1930年低频单相交流制 16 2/3Hz或25Hz11kV或15kV 整流子电动机直流制 1.2kV

2、或1.5kV 直流串激电动机三相交流制 3.6kV 三相异步电动机 供电制式发展一、电气化铁道概述19301950年 低频单相交流制直流制 1.5kV 直流制 3kV1932年 匈牙利 布达佩斯黑基也什霍洛姆铁路工频单相交流制 16kV1950 年 法国埃克斯.累.班里亚罗什休尔伏龙区段工频单相交流制 25kV 供电制式发展一、电气化铁道概述1954年 日本 仙山松岛间工频单相交流制 20kV1955年 前苏联 奥热烈利耶巴维列兹工频单相交流制 20kV 从此以后, 工频单相交流制在俄罗斯、法国、日本、印度、南斯拉夫、保加利亚等国家得到了广泛采用。 供电制式发展一、电气化铁道概述 供电制式采用

3、国家25kV工频单相交流制（日本旧20kV）俄罗斯、中国、日本、印度、英国、南斯拉夫、罗马尼亚、保加利亚、匈牙利、芬兰、乌克兰、土耳其、澳大利亚、葡萄牙、巴基斯坦、南非、刚果3kV直流俄罗斯、南非、意大利、波兰、捷克、西班牙、巴西、 斯洛伐克、比利时、智利当前干线铁路主要供电制式一、电气化铁道概述 当前干线铁路主要供电制式供电制式采用国家11kV，15kV低频单相交流制16 2/3Hz德国、瑞士、瑞典、奥地利、挪威 低压直流制和25Hz单相交流制在干线铁路已逐渐淘汰，前者被广泛用于城市轨道交通和城市无轨电车。 1972年日本山阳新干线引入225kV自耦变压器（AT）供电方式，在世界许多国家的长

4、距离繁忙干线上得到了推广使用。一、电气化铁道概述一、电气化铁道概述380/220V电源车站与区间机电设备照明负荷通信信号电力系统牵引变电所降压变压器整流机组牵引网电动车组直流负荷直流电力牵引供变电系统（1）直流制：最初采用直流电力牵引制的出发点有以下几方面：（1）直流串励电动机机械性能好、调速方便。电动车辆应用直流牵引电机调速方便且易于实现，借助传统的电阻调节控制，改变牵引电机端压或调节励磁即可调节速度；（2）利用直流电向直流电机供电可以极大地简化机车设备；（3）直流供电相对交流供电的牵引网电压损失和功率损失要小得多，有利于保持网压稳定，确保列车频繁启动下的电压质量，从而有利于保证列车的运行速

5、度。一、电气化铁道概述直流电力牵引制的缺点：（1）受直流牵引电动机额定电压的限制，直流制供电电压较低，通常只有1500V；（2）供电电压较低，要保证电力机车足够的功率，供电电流就比较大，线路损耗也大，送电距离较短，一般不超过2030 km，变电所的数目相对增加；又由于电流较大，需要导线的截面大，金属消耗增加；（3）三相整流装置，会产生较大的谐波。（4）杂散电流对沿线地下金属设施的腐蚀比较严重。一、电气化铁道概述一、电气化铁道概述 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

6、相交流制。单相工频交流电力牵引供变电系统一、电气化铁道概述电力系统牵引变电所降压变压器牵引网电力机车交流单相负荷一、电气化铁道概述单相工频交流制的牵引供电系统的优点： （1）结构简单，不需要在变电所设置整流和变频设备；（2）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；（3）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。 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

7、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、电气化铁道概述单相低频交流电力牵引供变电系统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15kV后馈送至牵引网。一、电气化铁道概述一、电气化铁道概述低频单相交流制牵引系统的优点：（1）电力机车或动车组采用牵引特性良好的单相整流子牵引电动机驱动；（2）整流子牵引电动机换向困难，在低频（16 2/3Hz）情况下，换向条件较工频（5060Hz）时更为有利；低频单相交流制牵引系统的缺点：（1）单相整流

8、子牵引电动机设备复杂；（2）牵引变电所需要变频装置，结构复杂。 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。牵引供电系统直接接入高压系统 电气化铁道牵引供电系统接入110kV电网，随着铁路客运高速和货运重载的不断发展，高速铁路均拟直接接入220kV电网。单相负载 牵引负载是接入三相电力系统的单相负载，相对三相电力系统而言，牵引负荷具有不对称性，将在电力系统中造成三相不平衡。2、牵引供电系统负荷的特殊性一、电气化铁道概述负载波动频繁，负荷大小不均衡 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。铁路线路条件千差万别，线路坡度随时变化，列车速

9、度随时变化；列车按信号运行，铁路运输状态随时发生变化，供电臂内列车数量疏密不等；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、电气化铁道概述功率因数取决于机车类型 交-直（AC/DC 整流）电力机车功率因数低、谐波含量大；交-直-交动车组，功率因数在0.95以上，谐波含量低。高速铁路列车负载率高，受电时间长，运行密度大，单相负载的冲击性更大 空气阻力随速度呈几何级数增长。高速时，空气阻力成为列车运行的主要阻力，持续从接触网取得电能；高速列车单车电流可达600100

10、0A，而普速列车电流一般不大于300A；高速列车追踪间隔一般为34分钟。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。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，整流过程中会产生谐波，功率因数较低。（1）电力机车的电气特性 一、电气化铁道概述 交直交型电力机车（动车组） 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

11、、功率因数高。一、电气化铁道概述二、牵引供电系统对外部电源的要求电气化铁道的外部电源电力系统（公用电网）中小型电厂电气化铁路牵引供电系统二、牵引供电系统对外部电源的要求电力系统优质的供、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。二、牵引供电系统对外部电源的要求GB/T 12325-2008电能质量 供电电压偏差 GB/T 15945-2008电能质量 电力系统频率偏差 GB/T 15543-2008电能质量 三相电压不平

12、衡度 GB/T 12326-2008电能质量 电压波动和闪变 GB/T 14549-1993电能质量 公用电网谐波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变电所牵引供电系统牵引网单相工频交流25kV馈线回流线接触网钢轨牵引变压器220kV或110kV发电机升压变压器高压输电线路降压变压器用电设备降压变压器三相工频交流二、牵引供电系统对外部电源的要求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牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨电力系统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。25kV二、牵引供电系统对外部电

13、源的要求电能质量 供电电压偏差 GB 12325-2008 实际运行电压对系统标称电压的偏差相对值，以百分数表示。大容量波动性负载；整流型机车功率因数低供电电压偏差电力系统牵引供电系统25kV馈线回流线接触网钢轨牵引变电所二、牵引供电系统对外部电源的要求电能质量 三相电压不平衡度 GB/T 15543-2008 三相电力系统中三相不平衡的程度。用电压、电流负序基波分量或零序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比表示。三相-两相的结构电压不平衡度电力系统牵引供电系统25kV馈线回流线接触网钢轨牵引变电所二、牵引供电系统对外部电源的要求电能质量 公用电网谐波 GB/T 14549-1993 对周期

14、性交流量进行付立叶级数分解，得到频率为基波频率大于1整数倍的分量。整流型机车谐波含量丰富谐波电力系统牵引供电系统25kV馈线回流线接触网钢轨牵引变电所二、牵引供电系统对外部电源的要求电能质量电压偏差GB/T 123252008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20kV，需要考虑最小短路容量，即在系统短路阻

15、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馈线回流线接触网钢轨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

16、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牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨负荷的变化使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 当前我国电气化铁路的

17、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馈线回流线接触网钢轨电源为工频（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/T 14549-93，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

18、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馈线回流线接触网钢轨减小系统等值阻抗，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馈线回流线接触网钢轨三相对称电源（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。

19、GB/T 15543-2008 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/T 15543-95）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馈线回流线接触网钢轨三相对称电源（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

20、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世界主要高速铁路国家电铁供电电源电压等级 国名铁路名称最高速度(km/h )供电电压( kV )附注日本东海道新干

21、线300275个别站154kV山阳新干线300275个别站154kV北陆新干线300275东北新干线260275个别站154kV上越新干线275275法国巴黎里昂3002251个站400kV巴黎图尔3002251个站400kV巴黎加莱3002251个站400kV里昂瓦朗斯300225瓦朗斯马赛350225巴黎斯特拉斯堡3502251个站400kV二、牵引供电系统对外部电源的要求世界主要高速铁路国家电铁供电电源电压等级 西班牙马德里塞维利亚2502203个站132kV，短路容量不小于2000MVA马德里巴塞罗那3504003个站220kV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

22、外部电源的要求韩国电铁接入系统的短路容量 韩国电力变电所短路容量(MVA)高速铁路变电所陵谷10,140高阳一洞8,418安山秋八4,003平泽清原12,286新清州沃川7,504沃川金泉4,325金泉凡川7,611釜山韩国电力系统最高电压354kV，下一级是154kV，没有220kV的电压等级。由于354kV不能直接给用户供电，所以电铁的电力系统接入电压等级为154kV，但其系统短路容量很大。 二、牵引供电系统对外部电源的要求随着电网发展，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

23、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

24、、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

25、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：A A -B -B C C -A25kV电分相电分相Vv接线： AB AB -BC -BC CA CA -AB单相接线：AB -BC -BC CA CA -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，

26、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、牵引供电系统供电方式1、直接供电方式（TR）三、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。25kV2、BT(吸流变压器)供电方式三、牵引供电系

27、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IIIIIBT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。III25kV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25kV三、牵引供电系统供电方式2、BT(吸流变压器)供电方式三、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

28、接触网钢轨吸流变压器吸流变压器IIIII25kVIII3、带回流线的直接供电方式(TRNF)三、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；电磁干扰一定程度上有所减小。IIII25kV3、带回流线的直接供电方式(TRNF)回流线与钢轨并联牵引网阻抗减小供电臂电压损失减小供电臂末端电压水平提高供电臂的距离增长约30%25kV三、牵引供电系统供电方式3、带回流线的直接供电方式(TRNF)三、牵引供电系统供电方式带回流线的直接供电方式实现的目标：具有更强的供电能力（更小的牵引网电压损失和电能损失），变电所数量更少，减小分相数量。IIII25kV4、AT(自耦变压器)供电方式三、牵引供电系统供电方式nn自耦变压器器两端绕组匝数相等；理想变压器正馈线与接触线同杆架设。I/2I/2自耦变