高速铁路牵引供电系统概论

1、高速铁路牵引供电系统概论概述国外牵引供电系统概况 牵引供电方式和牵引变电所 高压电器与开关设备牵引供电系统继电保护综合自动化和远动系统 高速铁路接触网 检测与运营维护电磁兼容问题十. RAMS评估与维修计划的优化1.1 牵引供电系统发展概况1879年，在柏林的世博会上，西门子公司制作了约550m 的电气化铁道进行展览，在当时引起轰动。轨距1m，电力机车重954kg，安装了约2.2 kW串激式2极直流电动机，采用齿轮传动。机车由DC150V外部电源经敷设在线路中间的第三轨供电，两走行轨回流。牵引了三辆敞开式“客车”，每辆可坐6人，最大时速可达13km。4个月的展览期间共运送8万多乘客。德国（德国

2、（Siemens 和 Halske） 在柏林近郊的利希特菲尔德修建了一条长2.45km的电气化铁道，1881年5月投入运行，这是世界上第一条商业运行的电气化铁道。机车采用钢缆传动，车辆可载26名乘客，时速可达30英里，供电电压为DC100V，由敷设在绝缘轨枕上的两根走行轨供电和回流。一、概述1881年，法国巴黎国际电工展览会上展出了一条长500m用两条架空线授电的电车线路。1885年，英国在伦敦修建了第一条用架空线供电的电车线路，作为市内交通工具。1885年，美国的Daft 制作了标准轨距的电力机车，运行在纽约州的高架铁路上。1893年，英国设计了利物浦高架电气化铁道（机场附近）。1893年，

3、瑞典在斯德哥尔摩以北11km区段修建了采用DC500V的电气化铁道。1895年，日本在东京的下京区修建了6.7km采用DC500V的电气化铁道。1898年，德国在塔什特至埃格里堡修建了三相交流电气化铁道。1902年意大利在瓦尔切里纳线上修建了三相交流电气化铁道。1890年伦敦地铁改用电力牵引，采用DC600V，由第三轨供电。牵引供电的供电制式：1915年以前，主要使低压直流制（DC750V及以下），采用直流串激电动机。进行了三相交流制的初步试验。1915-1930年 直流电压提高到1200V和1500kV； 发展了11kV（15kV）的低频25Hz （16 2/3Hz）单相交流制，采用交流整流

4、子式电动机； 个别国家试用了3.6kV 的三相交流制，采用三相异步电动机。1930-1950年 引入3kV直流制； 1932年匈牙利进行了16kV工频单相交流制的试验。1950年以后 1950年法国在埃克斯.累.班里亚罗什休尔伏龙区段试建了25kV工频单相交流电气化铁道，获得成功； 1954年日本在仙山松岛间试建了一条20kV工频单相交流电气化铁道； 1955年前苏联在奥热列利耶巴维列兹修建了一条20kV工频单相交流电气化铁道。 1972年日本山阳新干线引入225kV自耦变压器（AT)供电方式。干线铁路的主要制式：（1）15kV 16 2/3Hz低频单相交流制 德国 瑞士 瑞典 奥地利 挪威。

5、（2）3kV直流制 俄罗斯 南非 意大利 波兰 捷克 西班牙 巴西 斯洛伐克 比利时 智利等。（3）25kV工频单相交流制 俄罗斯 中国 日本 印度 英国 前南斯拉夫 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 刚果等。我国电气化铁路发展宝成铁路宝凤（宝鸡凤州）， 1961年8月15日试运营1975年7月1日，676km长的宝成电气化铁路全线建成通车。 1973年9月阳安线，1975年9月襄渝线襄樊至安康段，1978年3月石太线石家庄至阳泉段，1979年10月宝兰线宝鸡至天水段也相继动工修建。 到1980年底，共建成电气化铁路1679.6km（世界第21

6、位）。平均每年修建电气化铁路不到100km，而且以坡道大、隧道多的山区铁路为主。改革开放后：京秦线、成渝线、贵昆 线、陇海线、京广线、鹰厦线、大秦线、南昆线 、干武线、宝成二线、广深线、包兰线、襄渝线、成昆线、外福线、西康线、哈大线、朔黄线、内昆线、秦沈线等等。2005年底，我国电气化铁道将达2万公里。特点：山区平原单线复线、三线、四线支线繁忙干线、运煤专线、客运专线常速准高速高速机车型号SS4SS6BSS7SS7ESS8SS9SS3B轴列2(Bo-Bo)Co-CoBo-Bo-BoCo-CoBo-BoCo-Co2(Co-Co)轴数86664612轴重t23232321222123功率kW640

7、0480048004800360048008700轴功率kW800800800800900800725最高速度km/h1001001001701701701001996年6月完成了中国首台干线交流传动原型机车AC4000的试制。2002年，装备最新国产变流系统的“中华之星”高速动车组研制成功，并于11月创造了试验速度321.5km/h的中国铁路第一速。1.2 高速铁路概况1.2.1 高速铁路的定义： 到目前尚没有一个明确的定义，不同的国家在不同的历史时期，对“高速”的解释也是不一样的。“高速”一词，起源于1964年日本东海道新干线的子弹头列车，时速250km/h1970年5月：日本“列车在主要

8、区间以200km/h以上速度运行的干线铁道”到了80年处，指欧洲的第一代高速列车（ICE/TGV/ETR），时速300km/h1985年，联合国欧洲经济委员会：客运专线300km/h，客货混线250km/h现在，高速铁路强国的“高速列车”运营时速为300km/h，日本和法国还宣布不久将运营时速提高到350360km/h目前，国际上公认列车最高速度达200km/h及其以上的铁路，可称“高速铁路”目前世界高速列车的“世界记录”：1964：210km/h(日，东海道新干线)1972/1975：300km/h(日，山阳新干线)1981/2/11:380km/h(法，TGV)1989年：482.4km/

9、h（法，TGV）1996/1/26：443km/h（日，300X）日本最高1990/5/18：515.3km/h（法，TGV）世界记录2002/11：315.5km/h（中华之星）中国国产车最高日本：7000km的高速铁路网欧洲：3750km的高速铁路网，每年新增170km的新线路到2010年：欧洲：新建6000km高速线亚洲：中国（十一五规划5000km），台湾，印度，伊朗等高速铁路：高速铁路网高速动车组日本新干线，1964年以来的40多年，运送旅客40亿人次，无一次重大人身事故世界第一条也是最繁忙的高速铁路每天36万人次，每年1亿3千万人次欧洲之星：完成了伦敦巴黎的70的客运量 法国，TG

10、V，1981年以来，12亿人次2005年7月的一个最繁忙的周末，1000 TGV西班牙：AVE， 马德里塞尔维亚间一个周末，136对AVE，47000人次1.2.2 高速铁路的主要技术特征：高速铁路是当代高新技术的集成 计算机技术及其应用； 微电子技术、电力电子器件； 新材料的推广高速度是高速铁路高新技术的核心系统间的相互作用发生了质变系统动力学问题更加突出1.2.3 高速铁路的主要技术经济优势（1）运行速度高小汽车200航空1000高速铁路210300-500高速铁路250250-600高速铁路300200-800高速铁路350180-1100各种交通工具的优势距离（2）运输能力大（3）安全

11、性能好（4）全天候运行（5）能量消耗少普通铁路每人公里能耗为1，高速铁路1.3，公共汽车1.5小汽车8.8，飞机9.8（6）占地省（7）工程投资低（8）环境污染轻（9）乘坐舒适（10）社会效益好二、国外牵引供电系统概况2.1 日本2.1.1 新干线概况JR东日本公司JR西日本公司JR东海道公司JR九州公司新干线东北上越长野山阳JR西日本公司JR东日本公司JR东日本公司秋田山形东海道JR东海公司九州JR九州公司东北新干线新庄新泻山形长野仙台秋田盛冈福岛八户高崎大宫上野东京上越新干线长野新干线秋田新干线山形新干线25万人次/天利用人数307列/天运行列数1052.9km客运公里（2002年12月统

12、计）JR东日本公司预测运行图 晚点运乘状况显示 轨道电路数据 JR东日本的新干线运行本部运行管理系统运送计划系统维修作业管理系统设备管理系统电力系统控制系统集中信息监视系统车辆管理系统站场内作业管理系统列车计划车辆分配 车辆运用计划计划传达 乘务员运用计划统计 运行管理进路控制运行图管理旅客指南维修作业计划维修作业的开始结束维修用车辆控制终端检测车数据管理检查数据故障数据管理设备监视变电所控制设备监视防灾信息装备管理故障管理履历管理车辆基地作业计划车辆基地进路控制新干线综合调度系统（COSMOS）2.1.2 牵引变电所与供电（1）采用AT供电方式1964年东海道新干线开通时，BT供电方式，变电

13、所间距20km，最大电流1000A问题较多（通过电分段电弧大，牵引网阻抗大，电能损耗大）1972年，山阳新干线采用AT供电方式，变电所间距60km，最大电流20003000A1991年，东海道新干线全部采用AT方式，AT间距10kmAT方式结构简单，经济性和可靠性好，成为新干线的标准供电方式新干线变电所容量100150MVA供电电压：1927.5KV，额定25KV，瞬时最低17.5KV 在22.5KV时可不降功运行谐波对策：变电所内80%漏抗补偿，串联电容补偿和放电 间隙组成谐波抑制装置功率因素对策：单边6000KVA的并联电容，串联电抗12%（2）主接线及设备选择以北陆新干线高崎长野为例。新

14、萁乡和新大阪变电所，一次侧采用双回275KV主供电源，进线不设跨线采用线路变压器组方式，2台80MVA WB变压器，100%备用设备均采用GIS组合电器，可靠性高，检修时间长属JR东日本公司调度中心CTC，采用COSMOS综合调度系统 负责1000km新干线的运行调度集行车调度、电力调度（牵引供电及电力供电）、通信调度、 设备调度于一体北陆新干线成功的经验：单相负荷补偿装置（SFC）：适用于负序要求严格的场合长大隧道内设分段开关站，保证供电灵活和可靠性自动过分相装置设在SS和SP内采用COSMOS综合调度系统设备均考虑防震、防火、防盗和环保要求变频、变压（VVVF）设在机车内（3）牵引供电系统

15、与车辆的绝缘配合新干线25kv过电压值：开关操作过电压2-2.5倍，受电弓离线过电压倍，感应雷过电压倍，直击雷11-88倍新干线设计采用额定电压33kv绝缘等级，电气设备的冲击绝缘强度200kv污损对策：选用对应一定盐密度的绝缘子（4）高次谐波、功率因素、再生制动新干线的机车均采用PWM变流器和VVVF逆变器的交直交传动，特点是：高次谐波多，低次谐波少（18%-2.5%），功率因素高；采用再生制动技术为抑制高次谐波共振现象，在供电臂末端采用HMCR装置（5）再生工况与系统负序为减小负序，新干线牵引变压器多采用平衡变压器，如Scott但当一臂再生，一臂牵引时，不平衡系数在1到2之间，平衡变压器的

16、平衡效果被严重恶化。不得不此用昂贵的SVC补偿装置，这一教训值得吸取。12345列车接近切换段轨道电路检测到列车进入中间段使中间段瞬时停电（300ms）将中间段与列车前方的区间连接列车通过中间段后，回到最初状态切换段的动作2.1.3 新干线的接触网悬挂东海道新干线：带弹性组合吊弦的复链形悬挂，210km/h山阳新干线：带Y形弹性吊索的重形复链形悬挂，260km/h东北新干线：简单链形悬挂，300km/h张力：14.7KN-19.6KN波动传播速度：355km/h-525km/h吊线架：St180 24.5kN辅助吊架线：Cu150 11.8kN接触网线：GT170 17.6kNMax:50m1

17、500mm重型复链悬吊架线吊架线：Cu150 19.6kN接触网线：CS110 19.6kNMax:50m950mmCS简单悬链式架线接触网导线材料截面积张力波动速度运行速度备注带弹性组合吊弦的复链形悬挂接触线承力索辅助承力索硬铜线镉铜绞线镉铜绞线11080609.89.89.8358210东海道重型复链形悬挂接触线承力索辅助承力索铜锡线镀锌钢绞线硬铜绞724.514.7355240山阳新干线加重复链形悬挂接触线承力索辅助承力索铜锡线镀锌钢绞线硬铜绞624.514.7410270新干线改造简单链形悬挂接触线承力索铜包钢线镀锌钢绞线110150

18、19.619.6525300北陆新干线日本新干线接触网参数2.2 法国2.2.1 概况1900年开始发展电力牵引，1920年建成直流1500电气化铁路1950：单相工频电气化试验线1954：东南部干线采用25KV50HZ供电制式，成标准全法国电气化铁路总长15000km，其中直流1500V 5890km交流单相25kv50hz 7625km，高速线1575km电气化里程占40%，承担运量88%到1996年底，525个牵引变电站，377个是直流1500V变电所2.2.2 供电系统TGV东南线运行速度270km/h，追踪间隔5min；大西洋线运行速度300km/h，追踪间隔4min；北方线运行速度

19、300km/h变电所均采用双电源，两台变压器一台工作，另一台备用东南线变电所大多数进线电压为220kv，只有一个63kv，主变为单相变压器。二次侧装有电压自动调整装置，20级调压，每级350v8个变电所，3个AT供电方式，5个直供方式；AT变电所间距90公里，直供方式下40公里馈线保护：平形四边形特性的阻抗保护和电流保护变压器保护：过流保护、瓦斯保护、温度保护和绝缘保护所有变电站均装有故障测距装置，精度1km负序问题：欧洲标准电网出口节点的负序电压不容许超2%。分配给法铁（SNCF）的为1%。但由于负序电压是多部门产生的，无法分辨电气化铁路到底产生多少，因此从未追究过为改善不平衡状态，最初采用

20、Scott变压器，但随着电网的发展逐渐以单相变压器替代法铁的标准：牵引变电所负荷与高压侧母线短路容量之比不大于1.5%为容许的负序电流标准，以2%，1H和4%，短时为负序电压标准法国为限制不平衡采取的措施：(1)牵引变电站由25kv供电，保证足够的短路容量(2)所有牵引变电站必须轮换相序接入电力系统，抵消部分负序电流(3)变电站按可以单相和“V”接相互转换设计。正常时单相运行可能超标时，接电力系统命令，将两台变压器改为“V”接运行此时两个供电臂以不同相供电(4)安装补偿电容器，补偿电网短路容量的不足。英吉利海峡隧道铁路英国端采用3X95MV的补偿电容法铁设计牵引变电所的指导思想是力求简单。原因

21、有：(1)牵引变电所内的设备由法铁和电力公司管理，分界点是变压器。变压器原边的设备均由电力公司管理，法铁只管变压器及其二次侧设备(2)均实现了远动控制，无人值班(3)设备质量高，运行安全可靠2.2.3 接触网直流区段多采用复链形悬挂，交流区段多采用简单链形悬挂和弹性链形悬挂法国东南高速线1981年开通时采用弹性链形悬挂，但在3个月内连续两次刮弓事故。深刻的教训得到如下结论：(1)速度超过250km/h时，受流质量与弹性均匀度关系不大，更大程度取决于接触线的振动。取消Y索，合理布置吊弦，提高接触线的张力，虽然跨中弹性均匀度不是很好，但较大的接触线张力足以保证高速受流的质量(2)可见电弧应控制在1

22、次/160m(3)接触力的标准偏差与平均接触压力的比值应小于0.33(4)结构设计时，定位点处抬高的安全系数为21990年开通的大西洋线，速度提高到300km/h，改进为：(1)将弹性链形悬挂改成简单链形悬挂(2)接触线张力15KN-20KN，CdCu120-Cu150，波动速度412km/h-441km/h(3)定位器最大容许抬升240mm-400mm在大西洋线成功的基础上，以后的北方线、东南延伸线、巴黎联络线和地中海线均采用了简单链形悬挂高速受流的评价方法：基于接触线的抬升量、跨中受电弓的振幅、离线率和接触力不均匀系数四个指标进行综合评价。小于11，适合高速线运行；大于16，不适合。Lig

23、ne LN1LN2LN3LN4LN5承力索65 mm1400 daN65 mm1400 daN65 mm1400 daN65 mm1400 daN116 mm2000daN接触线120 mm1500 daN150 mm2000 daN150 mm2000 daN150 mm2000 daN150 mm2500daNY辅助弹性索是否否否否弛度a/1000a/1000a/2000a/2000a/2000法国高速接触网的改进法国高速线投运时间/里程/速度2.2.4 受电弓法铁采用的受电弓均为法国法维莱（Faiveley）公司的产品。1955，法维莱的五角形受电弓，331km/h WR1981，TGV

24、PSE动车组配AMDE形受电弓，380km/h WR1989，TGVA配GPU受电弓，482.4km/h WR1990/5/18，GPU创造了515.3km/h WRAMDE受电弓为双层小开度子母弓，两极式Z形受电弓接触网的高低变化由下部受电弓跟踪，接触导线的振动由上部受电弓跟踪接触压力7080N，碳滑板，归算质量90Ns/mGPU受电弓为单层Z形受电弓，可用于DC1500V，和25KV50Hz两种制式的接触网，最大受流2000A，最高运行速度300Km/h，整套装置的重量比MADE轻100KG2.3 德国2.3.1 概况供电制式15KV，16 2/3HZ的单相交流带Y形吊索的标准弹性简单链形

25、悬挂德国电气化铁路接触网的标准化：20世纪50年代：Re75，Re100，Re160，Re20070年代：Re250（250km/h）80年代：Re330（法兰克福科隆300km/h）,300-400km/h全部为弹性简单链形悬挂2.3.2 德国高速受流的主要评价指标接触网静态弹性：受电弓激发的接触线周期振幅越小越好接触网悬挂弹性不均匀度Re10050-60%Re16019-26%Re20014%Re25010%Re33010%离线率：离线时间大于100ms时，产生电弧要求低速和高速的离线率均在5%以下接触网动态评价标准：要求受电弓在高速运行下，被激发的振动在传播和反射中不被加强，用增强因子和

26、反射因子表示受电弓与接触线的动态接触力：最大接触力和最小接触力最小接触力太小：将导致接触不良，引起电弧和离线最大接触力太大：将造成接触网抬升量过大，受电弓运动振幅加大，受流状态恶化规定：受电弓静抬升力70N，最小接触压力40N300km/h时的平均接触压力为120N，允许的最大抬升量为100mm2.3.3 适用300km/h以上的高速接触网系统Re330德铁牵头，ABB，AEG和西门子共同参与设计目标：必须在尽可能低的造价和检修费用情况下，保证两架受电弓受流，速度高于300km/h时能可靠供电Re330的主要技术特征：(1)采用Y形辅助索。优点：提高接触网在悬挂点处的均匀度，改善后进受电弓的接

27、触状态(2)弹性取0.4mm/N，最大抬升量小于100mm(3)接触导线：银镁铜合金RiM120接触导线，张力27KN(4)承力索：120BZII（青铜）承力索，张力21KN架设(5)带Y形辅助索的简单链形悬挂：Y形承力索35BZII，长度18m，高度3.5m，张力3.5KN德国高速铁路接触网的改进2.3.4 高速受电弓德国既有铁路Re160，Re200和曼海姆斯图加特等高速线采用了道尼尔公司的SBS65型受电弓，但当速度超过250km/h后动态接触力超标为此开发了适用于ICE/V动车组的DSA350受电弓，弓头当量质量降低，接触力标准偏差1617N，跟踪性能提高为满足ICE1型动车组的技术要

28、求，对DSA350进行了改进。不采用原来的集成式支持绝缘子结构，改用一般支持绝缘子结构，改进了下臂杆，底架和滑板的监测，设计了新的滑板和集成弓角重量从140KG减轻道109KG为适应300km/h以上速度的需要，开发了DSA350SEK受电弓更低的弓头当量质量，更低的降弓阻尼，与接触线压力小于120N当发生滑板损坏时，在不到1s时间里完全降弓，主断路器保护断开，保护接触线和受电弓不受电弧的损坏三、牵引供电方式和牵引变电所 3.1 牵引供电系统结构牵引供电系统结构3.2 供电方式：3.2.1 直接供电方式特点：结构简单，投资少，维护费用低；一部分电流从大地回流，对邻近通信线干扰大。3.2.2 带

29、回流线的直接供电方式特点：防干扰效果不如BT供电方式；牵引网阻抗较小；目前应用比较广泛。3.2.3 吸流变压器供电方式（BT方式）特点：防干扰效果好；牵引网阻抗偏大；电力机车过BT时，易产生电弧；由于是串联系统，可靠性较低。3.2.4 自耦变压器供电方式（AT方式）特点：防干扰效果与BT方式相当 牵引网阻抗小，输送容量大，供电臂长（可达4050km） 结构复杂，投资大，维护费用高 适合于高速铁路3.2.5 同轴电缆供电方式（CC方式）特点：防干扰效果好，占用空间小；牵引网阻抗小；投资大3.3 牵引变电站（Traction SubStation， SS）从公用电力系统（Public Electr

30、ic Power Systems）接受电能，通过变压器将电能从三相110kV或220kV变换成单相27.5kV（对AT系统为227.5kV），并向铁路上、下行两个方向的牵引网供电。变电所两侧的牵引网区段被称作供电臂。变电所的主要设备 牵引变压器（有多种接线方式） 断路器（SF6、真空、少油、油断路器），隔离开关 避雷器、避雷针 电压互感器、电流互感器 控制、保护、测量、计量、监视和电源设备 无功补偿装置、调压装置京津城际220KV牵引变电所主接线图京津城际AT所电气主接线图3.4 牵引网（Traction Network）由馈电线、接触网、轨道、回流线等设施构成的输电网络馈电线 连接牵引变电所

31、和接触网的导线接触网 沿线路露天敷设，通过和受电弓的滑动接触，把电能输送给电力机车的供电设施。由接触线、承力索以及支持、悬挂和定位器等装置组成。轨道 牵引电流的回流导线；支撑与导向；信号专业轨道电路其它设备 负馈线（回流线），吸上线，BT，AT，正馈线， 保护线，地线，供电线3.5 牵引供电系统的其他设备：分区所（Section Post, SP） 设于两变电所之间，把电气化铁道牵引网分成不同供电区段，装有开关设备，根据运行需要可以连接同一供电臂的上、下行接触网，或连接相邻供电臂以实现越区供电。开闭所（Sub-feeder Switching Post, SFSP） 实际上是开关站，多设于铁路

32、枢纽，一般两路进线、多路馈线，用以实现对站场各股道群的分别供电控制。 （1）进线和馈线都经过断路器，可灵活地对各分区 接触网停、供电 （2）在断路器上可实现短路故障保护，从而缩小事故 停电范围 （3）对AT牵引网，往往同ATP合建，增强对供电臂供电的灵活性自耦变压器（AT）所（AT Post, ATP） AT供电系统，除变电所、分区所和开闭所外，在牵引网上放置自耦变压器的场所。3.6 牵引变压器单相变压器类纯单相I /i接线单相V/v接线三相V/v 接线二次侧中抽式单相接线（专用于AT系统）V/x接线（专用于AT系统）纯单相接线单相V/v接线三相V/v接线单相中抽式（AT专用）V/x接线（AT

33、专用）特点：接线简单变压器容量利用率为100二次侧不能直接提供三相电源对于纯单相接线，理论上可取消变电所出口的电分相；存在负序问题，仅适用于电网容量较大场合3.6.2 三相变压器类YNd11接线变压器三相不等容YNd11接线变压器十字交叉接线变压器YNd11接线变压器十字交叉接线变压器特点：变压器容量利用率为75.6一次侧中性点可接地运行二次侧能直接提供三相电源负序方面优于纯单相接线，与V/v接线相当滞后相电压水平往往偏低3.6.3 平衡变压器类Scott接线变压器星形延边三角形接线变压器星形曲折延边三角形接线变压器Le Blanc 接线变压器（我国台湾用）变形Woodbridge接线变压器（

34、日本新干线用）三相变两相平衡变压器的共性： 在一次侧施加三相对称电压时，只要二次侧两端口的负荷相等（幅值和功率因数均相等），则二次侧两相端口电压保持幅值相等、相位相差90，一次侧三相电流对称。Scott变压器星形延边平衡变压器星形曲折延边平衡变压器Le Blanc 接线变压器变形Woodbridge接线变压器四、高压电器与开关设备4.1 高压电器的分类 在高压系统中，用来对电路进行开合操作，切除和隔离事故区域，对电路运行情况进行监视，保护和测量的设备，通称为高压电器。按用途分类：（1）开关电器：用来关合和开断电路的电器断路器：用来在电路正常工作和发生故障时关合和开断电路隔离开关：将高压设备与电

35、源隔离，保证检修人员的安全熔断器：在电路发生过载或短路时利用熔件的熔断开断电路负荷开关：在电路正常工作或过载时关合和开断电路，不能 开断短路电流（2）限制电器：限制电路中的电压电流的电器电抗器：限制电路中的短路电流避雷器：限制电路中出现的过电压（3）变换电器：变换电路中的电压电流，便于检测电流互感器：变换电路中的电流，供给测量仪表，继电器或 自动装置，并使之与高压电路隔离电压互感器：变换电路中的电压，供给测量仪表，继电器或 自动装置，并使之与高压电路隔离（4）组合电器：将以上某几种电器按一定的线路装配成一个整体按安装地点分：（1）户内式：装在建筑物内，一般在35KV及以下（2）户外式：安装在露

36、天，35KV及以上按电流制式分：（1）交流电器：三相或单相工频（2）直流电器：直流制系统4.2 高压断路器油断路器：采用变压器油作为灭弧介质和绝缘介质的断路器 如少油断路器六氟化硫（SF6）气体断路器：以六氟化硫气体作为灭弧介质 和绝缘介质，主要用于110KV及以上大容量变电所真空断路器：触头在真空中开闭电路的断路器，主要用于35 KV及以下要求频繁操作的场合压缩空气断路器：以压缩空气作为灭弧介质，绝缘介质，并 作为传动介质的断路器，其对地主绝缘采用瓷介质磁吹断路器：靠磁力吹弧，使电弧冷却熄灭的断路器，主要 用于20KV及以下户内频繁操作的场合固体自产气断路器：利用固体绝缘材料在电弧的高温作用

37、下 分解产生的气体来吹灭电弧的断路器，主要用于35KV及以下 小容量变电所4.3 高压断路器的技术参数额定电压UN 断路器正常，长期工作的电压，一般指线电压，主要决定于断路器的绝缘 对高压断路器还规定了其最高工作电压，220KV以下是额定电压的1.15倍，220KV以上是额定电压的1.1倍额定电流IN 电气设备长期通过的，发热不超过允许值的最大负荷电流额定开断电流INK 在额定电压下，断路器能够可靠开断的最大电流，表明断路器的开断能力额定断流容量SNK 热稳定电流INt 断路器在规定的时间内（国标4S）所允许通过的最大电流，表明断路器承受短路电流热效应的能力极限通过电流IN.ES 断路器在闭合

38、状态允许通过的短路电流最大瞬时值，或称动稳定电流，表明断路器承受短路电流电动力效应的能力分闸时间t0 在额定操作电压下，从断路器分闸线圈带电开始至三相电弧完全熄灭为止的时间。表明断路器灭弧能力的大小合闸时间tc 在额定操作电压下，从断路器合闸线圈带电开始至主触头接触为止的时间自动重合闸无电流间隔时间 断路器第一次分闸，三相电弧完全熄灭起，至重合闸成功线路重新出现电流为止的时间。越小越好，一般为0.5秒自动重合闸时间 分闸时间加上重合闸无电流间隔时间4.4 高压断路器的操动机构高压断路器依靠所配属的操动机构来完成分，合闸操作接收变电所中央控制室的命令，使断路器分合接收继电保护的命令，使断路器保护

39、性分闸，切除故障组成机构：（1）能量转换机构（2）联动机构（3）保持机构（4）释放机构4.5 SF6全封闭组合电器(GIS)在SF6断路器的基础上，将断路器，隔离开关，互感器，避雷器和连接母线，全部封装在接地的金属壳体内，壳内充以的SF6气体，作为相间和对地的绝缘，称为“GIS组合电器”优越性：（1）大大缩小了整套配电装置的占地面积和空间体积。以110KV变电站为例，常规敞开式占地2214m2，而GIS仅占地168m2（2）整套装置在制造厂组装，现场施工量小，经济价值高（3）运行可靠，对人身安全也大有好处，检修周期长，一般至少十几年不需要检修SF6断路器SW3110断路器SN1010少油断路器

40、HPL145型断路器真空断路器GIS组合电器京津城际变电所用27.5KVGIS组合开关8DA12电气接线图京津城际AT所用27.5KVGIS组合开关8DA12电气接线图Sitras 8DA11 / 8DA12组合开关柜Sitras 8DA11/8DA12开关柜机械参数Sitras 8DA11 / 8DA12开关柜剖面图熔断器隔离开关GW4110D隔离开关GW5110D隔离开关电流互感器电流互感器电压互感器五、牵引供电系统继电保护5.1 对继电保护的基本要求（1）选择性：保证该跳闸的断路器跳闸，不该跳闸的不跳， 以使停电范围限制在最小的范围内（2）速动性：故障后能迅速动作，可减小设备的损坏程度及

41、 对非故障区段的影响时间，但速动性不能影响 选择性（3）灵敏性：对保护范围内的故障反应灵敏，不拒动（4）可靠性：要求保护装置的元件和结线处于良好状态， 该动作时均能正常动作5.2 牵引网保护牵引网的特点：1是单相供电，负荷波动性较大；2牵引网的阻抗大，在系统的最小运行方式下供电臂末端短路时，短路电流在数值上可 能与最大牵引负荷差不多；3故障率高(其中瞬间故障，即一次重合闸能成功者占70以上)。根据以上特点，牵引网仅采用过流保护不能满足要求，目前采用的是具有平行四边形特性的阻抗保护，其原理是鉴别故障时的线路阻抗(包括相位角)，以保证装置的选择性和灵敏度。目前我国采用的微机保护已使保护装置的水平与

42、电气化发达的国家相接近。 5.3 牵引变压器保护变压器的故障一般分为内部故障和外部故障两种。内部故障包括线圈间的多相短路、单相层简短路、单相接地短路及铁芯烧坏等。外部故障包括套管及引出线上的故障。1瓦斯保护：内部故障时，绝缘物分解而产生气体气体上升 引起油流变化而使保护装置动作；2差动保护：在变压器内部、套管以及引出线上的多相短路时， 变压器进线(原边)和出线 (次边)的电流比发生变化，利用这一 特性构成的保护称为差动保护；3过流保护：用于切断变压器的外部短路故障；4过负荷保护：当电流过负荷时，经过一段延时后，发出信号， 引起值班人员注意，以采取减轻负荷的措施。5.4 电容器保护1电流速断保护

43、：可切除母线及电容器引线的接地故障；2过流保护：作为电流速断的后备保护；3纵差动保护：为提高保护的灵敏度，当末位电容器与电抗器 的主绝缘闪络或击穿时也能有效地切除故障，采用差动保护；4过电压保护；5差压保护：用于保护每个电容器的内部故障。京津城际SIPROTEC 7ST61/7ST63接触网馈线保护京津城际保护/控制装置应用图六、综合自动化和远动系统 6.1 综合自动化与远动化的关系变电所的自动化和远动化是一个密不可分的整体，若实现牵引供电系统的远动化，首先必须实现设备操纵的自动化，当收到遥控命令时，设备能自动完成所要求动作。 远动化是利用远程通信技术完成远程控制、远程信号、远程测量、远程调节

44、等功能的总称。由调度端主机通过通道与执行端连接成一个1:N系统 其基本原理是将操作命令、数据和信息编成电码，再将电码经过调制，成为适合传输的电信号，通过通道送到执行端，经过调解还原成电码，再经过译码去执行或显示 6.2 远动系统由三部分构成：调度端设备执行端设备 远动通道 （1）调度端设备调度端设备由两台工业微机构成主机，通过切换装置互为备用。主机配有调机设备，外围设备配有模拟盘、显示终端、打印机，显示终端（CRT）和打印机为双重配置，通过切换设备可以互为备用，通过调制解调器与通道相连主机是远动装置的心脏，完成数据收集储存及处理等功能。主机与外围设备相连，通过外围设备进行人机对话，主机并有在线

45、自检和自启动功能。 模拟盘将牵引供电系统的主回路和供电设备模拟在盘上，设备所处状态从模拟盘上可以一目了然，调度员通过模拟盘监视供电系统的运行状态。显示器(CRT)作为人机对话的重要设备，附有键盘、跟踪球(鼠标器)或光笔。显示器(CRT）的画面有供电系统模拟图、程序控制目录、事故记录(不断更新)、测量数据图表、故障点测量参数和计算结果、当日的用电量及功率因数等，可供调度员监视和查阅。通过键盘，跟踪球或光笔可以进行遥控，召唤测量和查询。打印机作为记录设备将当日的运行情况一一打印在纸带上以供查询，打印内容包括发生情况的时间、遥控内容、执行结果、现场发生异常的情况、测量结果、定时报告的电度量、故障点测

46、量的参数和计算结果等，并可用制表打印机打印测量图表。调制解调器，是将电码调制成适于传输的电信号，或相反将电信号解调成电码，调制方式有调幅、调频、调相。调幅易于受到干扰，调相较为复杂，目前大多数采用调频方式。（2）执行端设备执行端设备由计算机构成，一般用微机或单片机。它的功能为接收调度端远动装置发来的查询、遥控命令，经译码确认后执行，将被控站内的数据和信息编码发送给调度端。被控站内的信息和数据包括：开关的位置信号、事故信号、预告信号(何种保护动作、动作时间、自动重合闸是否动作等)以及电度表、电压、电流和故障点的测量数据等。 （3）远动通道调度端与执行端是通过通道联系起来的。通道形式有有线、无线、

47、光缆等多种。电气化铁路牵引供电远动系统一般采用有线传输，将电码经调制变为音频信号后，直接送人通信电缆中专用音频芯线。当需要一次传输距离较长时，可将音频信号送至通信站，经二次调制到高频载波话路中，送到对方通信站，解调还原成音频信号后再送人通信电缆中音频专用芯线。在高速电气化铁路中均采用光缆，音频信号或电码可直接送到通信站，经调制成光信号传输到执行站附近车站，经光端机解调还原成音频或电码送往执行站。京津城际远动/调度自动化系统组成APCS2000牵引供电数字网络视频监控系统牵引供电调度所视频监控主站系统+通道+监控前端（被控站）监控前端（被控站）七、高速铁路接触网7.1 接触网的悬挂方式简单链形悬

48、挂弹性链形悬挂复链形悬挂简单链形悬挂特点：结构简单，安全可靠，安装调试维修方便，适应于高速受流定位点处弹性小，跨中弹性大，造成受电弓在跨中抬升量大，跨中采用预留弛度，受电弓在跨中的抬升量可降低。定位点处易形成相对硬点，磨耗大。 弹性链形悬挂特点：相对于简单链形悬挂在定位点处装设弹性吊索， 主要有两种形式：“ ”形和“Y”形 结构比较简单，改善了定位点处的弹性，使得定位点的弹性 与跨中的弹性趋于一致，整个接触网的弹性均匀，受流性能好。缺点是弹性吊索调整维修比较复杂，定位点处导线抬升量大， 对定位器的安装坡度要求也较严格。 复链形悬挂特点：在结构上，承力索和接触导线之间加了一根辅助承力索。接触网的

49、张力大，弹性均匀，安装调整复杂，抗风能力强 7.2 接触网悬挂的几个技术参数波动传播速度C 由于受电弓抬升力的作用，引起接触导线的振动， 该点的振动传播速度称为波动传播速度。 C与接触导线张力T和线密度的关系为：无量纲速度 ：列车运行速度与波动传播速度之比， 当列车速度越接近C，即 接近于1时，弓网振动越剧烈。多普勒系数 ：是无量纲速度的另一种表达式 为列车行驶速度；C为接触线波动传播速度。 反射系数 ：指接触网的振动波在非均质点被反射。 这些非均匀质点如：吊弦线夹、接头线夹等， 反射系数用下式表示： 、 分别代表接触导线的线密度和接触导线的张力； 、 分别代表承力索的线密度和承力索的张力。增

50、强系数r ：接触网的振动波在非均质处被反射，被反射回 的波形与该物体相向运动，并被继续向前运动的物体以 输入能量的方式再次反射回去，波的能量被增强。 反射系数； 多普勒系数 弹性不均匀系数 ：反映一跨内跨中弹性和定位点弹性 的差异程度。 跨内最大弹性； 跨内最小弹性。 法国TGV-A 德国Re330 日本HC悬挂形式简单链形悬挂弹性链形悬挂复链形悬挂运营速度(km/h)300330275接触导线材质Cu150扁RiS120Cu170接触导线密度(kg/m)1.331.071.51接触导线张力(kN)2024/2714.7导线预留弛度1.000承力索材质青铜70青铜65ST180+TJ150承力

51、索张力(kN)1445/4824.5+14.7承力索密度(kg/m)0.6230.581.45+1.377波动传播速度(km/h)441539/572355无量纲速度0.680.58-0.650.77多普勒系数0.190.21-0.270.13反射系数0.360.48/0.470.58增强因数1.921.75-2.194.46跨中弹性(mm/N)0.530.360.29弹性不均匀系数(%)41.21010跨 距636550法德日接触网参数比较7.3 高速接触网的主要结构参数导线高度 ：指接触导线距钢轨面的高度。一般地，高速铁路接触导线的高度比常规电气化铁路的接触导线低。原因：高速铁路一般无超级

52、超限列车通过，车辆限界为4 800 mm；为了减少列车空气阻力及空气动态力对受电弓的影响，受电弓的底座沉于机车车顶顶面，受电弓的工作高度较小。所以，高速铁路接触导线的高度一般在5 300 m左右。 结构高度：指定位点处承力索距接触导线的距离。它是由最短吊弦长度决定的 。我国结构高度为1.11.6 m 。 TGV-ARe330HC结构高度1.4m1.8m1.5m跨距及拉出值：取决于线路曲线半径、最大风速和经济因素等我国高速铁路一般在保证跨中导线及定位点在最大风速下均不超过距受电弓中心300mm的条件下，确定跨距长度和拉出值锚段长度：它的确定主要考虑接触导线和承力索的张力增量不宜超过10，且张力补

53、偿器工作在有效工作范围内。高速铁路接触网的锚段长度与常规电气化铁路基本一样 绝缘距离：参照电气化铁路接触网的绝缘配合标准 吊弦分布和间距：吊弦间距指一跨内两相邻吊弦之间的距离，吊弦间距对接触网的受流性能有一定的影响，改变吊弦的间距可以调整接触网的弹性均匀度 吊弦分布有等距分布、对数分布、正弦分布等几种形式，为了设计、施工和维护的方便，一般采用最简单的等距分布 接触导线预留弛度：指在接触导线安装时，使接触导线在跨内保持一定的弛度，以减少受电弓在跨中对接触导线的抬升量，改善弓网的振动。对高速接触网，简单链形悬挂设预留弛度，弹性链形悬挂一般不设预留弛度 锚段关节：锚段关节是接触网的张力的机械转换关节

54、，是接触网的薄弱环节，其设计和安装质量对受流影响较大，高速接触网一般采用两种形式的锚段关节：非绝缘锚段关节采用三跨锚段关节；绝缘锚段关节采用五跨锚段关节。安装处理上，尽量缩短接触导线工作支和非工作支同时接触受电弓滑板的长度，提高非工作支的坡度。接触导线的张力：提高接触导线的张力，可以增大波形传播速度，改善受流性能，同时增加了接触网的稳定性。导线张力的确定受导线的拉断力，接触网的安全系数等因素影响 承力索的张力：受接触网的稳定性、载流容量、结构高度、支柱容量等因素影响，提高承力索的张力可以增加接触网的稳定性，但对弓网受流性能影响不大。减少承力索的张力，有利于减少反射系数，承力索的张力受接触网的结

55、构高度的限制，也就是在一定的结构高度上，要保持跨内最短吊弦的长度。 7.4 接触网的主要设备和零部件7.4.1 接触网的线材 接触导线 ：接触导线是接触网中直接与机车受电弓作摩擦运动传递电能的线材，它对接触网受电弓系统的受流性能的好坏产生至关重要的作用，受流系统的许多性能指标直接由接触导线决定 基本要求 ：（1）机械强度高；（2）单位质量尽量小；（3）导电性能好；（4）良好的耐磨及耐腐蚀性能及高温软化特性，使用寿命长；（5）摩擦性能与受电弓滑板相匹配。运行速度(km/h)接触线类型接触线线密度 (kg/m)接触线张力(kN)波动传播速度(km/h)日本240Cu1701.5114.735530

56、0CT-CS1100.94220525300CT-CSD1100.95720520法国300Cu1501.3220441270CdCu1201.0714412350SuCu1201.0724539德国250AgCu1201.0715426330MgCu1201.0827569国外高速接触导线的比较 随着运行速度的提高，为了提高抗拉强度，增大波动传播速度、耐磨性，国外有关 国家对高速铁路的接触导线都趋向于研制铜合金导线或复合导线。铜合金导线是在铜中加入其他金属元素，如镁、银，采用合金方法制成的。复合导线是用铜与另一种机械强度高的金属制成的。 承力索： 承力索是接触网承载接触导线，并传输电流的线材

57、 基本要求：(1)承力索的线胀系数与接触导线相匹配；(2)机械强度高；耐疲劳、耐腐蚀性能好，耐温特性好；(3)导电率高。 我国接触网的承力索一般采用95mm和70mm的铜合金绞线 日本法国德国承力索镉铜绞线BZ65120BZ张力（kN）24.51421国外高速铁路使用的承力索性能表 弹性吊索 对弹性链形悬挂，弹性吊索一般选用截面积为35 mm的青铜绞线，张力为2.83.5kN。7.4.2 高速铁路接触网的支持装置 支柱 ：高速铁路接触网支柱的选择，区间一般采用环形等径预应力混凝土支柱；桥上支柱采用热浸镀锌钢柱；跨度小时用环形等径预应力混凝土支柱，跨度大时选用热浸镀锌钢柱。 硬横跨：是用于站场或

58、两股以上线路的接触网支持钢结构，一般用型钢焊接成粱式结构横跨于线路上空，支持接触悬挂。特点：各股道上的接触网在机械上和电气上相互独立。接触悬挂在硬横跨上采用吊柱旋转腕臂的支持结构优点：机械上独立，结构稳定，抗风能力强，寿命长，在受流性能上与区间接触悬挂相同。法、英、日本等国家的高速铁路接触网几乎全部采用硬横跨。我国的高速铁路的接触网也趋向使用刚性硬横跨。 腕臂支持结构：高速铁路接触网采用刚性腕臂支持结构，由水平腕臂和斜腕臂组成的稳定三角形结构，提高了腕臂结构的整体稳定性和抗风能力。 组合定位装置：组合定位装置包括：定位器、定位管、支持器，定位防风拉线和定位管防风支撑，这部分零部件对接触导线起定

59、位和支持作用，影响弓网受流性能。 对定位器的要求： (1)构造简单，安装方便，不形成接触悬挂硬点； (2)材质上一般采用铝合金材料，重量轻，耐腐蚀； (3)具有较高的强度； (4)环路电阻小，不形成电损坏。 7.4.3 高速接触网的终端锚固类零部件张力补偿装置 ：张力补偿装置是调整承力索、接触导线张力，使它们保持恒定的自动装置，是接触网的关键部件。高速铁路接触网一般有两种方式的自动张力补偿装置：滑轮组自动补偿装置；棘轮补偿装置。对张力补偿装置的要求是：(1)传动效率高，达到97以上；(2)安全可靠；(3)耐腐蚀性能好；(4)少维修，寿命长；(5)有断线制动装置。承力索终端锚固线夹和接触导线终端

60、锚固线夹 这两种零件是接触网的主要受力部件，是保障接触网安全的关键零件。在结构上，有锥套式螺纹胀紧结构和楔形胀紧式结构两种。在材质上，整体铝青铜，紧固件采用不锈钢。其工作张力，应满足2027 kN。7.4.4 高速接触网的电连接类零件电连接是保证接触网各导线之间及各股道之间电流畅通的部件。要求：电连接线夹与接触导线或承力索间的接触电阻小，整体电连接导电性能好。在结构上，连接可靠，重量轻，耐腐蚀。在材质上，用纯铜和铝青铜。 7.4.5 吊弦及吊弦线夹它是接触网的悬吊类零件，在接触网中调节接触导线弛度，又可分流，属于面广量大的零件。要求：重量轻，体积小，耐腐蚀，安全可靠。材质：吊弦采用青铜绞线；吊