牵引供电系统分析（第4版）课件：双边贯通与智能供电

《牵引供电系统分析》(第4

版)双边贯通与智能供电双边供电贯通供电智能供电目录8.28.38.18.1双边供电

8.1双边供电

8.1.1双边供电的合环双边供电是指分区所纵向断路器合闸来将相邻两个牵引变电所贯通的供电方案。双边供电的优点是列车的取流来自两个不同的电源，即由两侧的牵引网共同分担，牵引网电压损失和电能损失都会减少，网压水平也相应改善，并且双边供电还能减轻对沿线通信线路的电磁干扰。假设实施双边供电的两个变电所SS1

、SS2的一路电源来自电网的两个公共连接点PCC1和PCC2

。双边供电等效结构图

8.1双边供电

8.1.1双边供电的合环实现双边供电必须具备一些基本条件，例如：①两相邻近牵引变电所需由同一电网供电，以确保有相同的频率；②邻近两牵引变电所牵引端口的相位相同，即确保同相。按照电网术语，纵向断路器K合闸称为电磁合环，但电气化铁路进行双边供电属于电网的一种特殊的电磁合环，一是电网电磁合环为三相合环，

而双边供电是单相合环，二是电网电磁合环的开关是常开的，而双边供电的纵向开关是常闭的。尽

管如此，由于双边供电和电网的电磁合环都将改变电网的拓扑结构和运行方式，因此，必须满足电网规定的合环条件才能合环。

8.1双边供电

8.1.1双边供电的合环当一个电流I

通过阻抗为Z

的线路时，首端电压U

与末端电压Up的电压差和相位差为

U

=U

−Up=(Up+XI

sinQ+RI

cosQ)2

+(XI

cosQ

−RI

sinQ)2

−Up

XI

cosQ

−RI

sinQ 9=

arctanUp+XI

sinQ

+RI

cosQ电压差、相角差计算示意图

8.1双边供电

8.1.1双边供电的合环相量关系见图，图中Q

为末端负荷I的功率因数角，以滞后为正；9为线路首、末端电压相量夹角，即相角差。电压差的近似值为

U

XI

sinQ+RI

cosQ电压差与相角差示意图计算中，输电线采用2×LGJQ-500二分裂导线，取单位长阻抗z＝0.0312＋j0.3052Ω/km，输送功率的功率因数分别取0.95和0.9(滞后)。

8.1双边供电

8.1.1双边供电的合环功率因数为0.95(滞后)牵引所

间距

L/km传输功率200MV

·A传输功率300MV

·A传输功率500MV

·A电压差

/kV电压差

/%相角差

/(o

)电压差

/kV电压差

/%相角差

/(o

)电压差

/kV电压差

/%相角差

/(o

)503.492.743.235.384.234.789.447.437.74604.233.333.856.565.165.6911.609.139.16704.993.934.477.776.126.5813.8510.9010.53805.774.545.089.027.107.4516.1712.7311.85

8.1双边供电

8.1.1双边供电的合环功率因数为0.9(滞后)输送(视在)功率的功率因数越高，电压差越小，但相角差越大。牵引所

间距L/km传输功率200

MV传输功率300

MV传输功率500

MV电压差/kV电压差

/%相角差

/()电压差/kV电压差

/%相角差

/()电压差/kV电压差

/%相角差

/()504.413.472.996.745.304.4111.639.167.10605.334.203.568.176.445.2314.1911.178.37706.264.934.139.647.596.0416.8113.249.60807.215.684.6811.138.766.8419.5015.3510.78AAA

8.1双边供电

8.1.2均衡电流和穿越功率牵引供电系统的正常状态可分为牵引、再生和空载三种工况。牵引工况下单边供电的列车取流示于图(a)，变电所SS1表现为用电状态，双边供电的取流示于图(b)，变电所SS1和SS2均表现为用电状态。(a)单边供电(b)双边供电牵引工况示意图

8.1双边供电

8.1.2均衡电流和穿越功率再生工况示于图(a)、(b)，从中可见双边供电列车的发电分向左右两个变电所SS1和SS2

，且两个变电所均表现为发电状态。(a)单边供电(b)

双边供电再生工况示意图

8.1双边供电

8.1.2均衡电流和穿越功率空载工况下，双边供电与单边供电才有本质区别，即双边供电的牵引变电所和牵引网串联后为电网的PCC1

和PCC2

提供了一条新的通路，这将增生一个电流分量，称为均

衡电流，或者说增生了一个功率分量，称为穿越功率。(a)单边供电(b)双边供电空载工况示意图

8.1双边供电

8.1.2均衡电流和穿越功率1.等效电路与均衡电流计算归算到电网侧的三相等效电路如图所示。双边供电的三相等效电路

8.1双边供电

8.1.2均衡电流和穿越功率考虑牵引网空载工况，选择A

相或B

相可得计算均衡电流的单相等效电路均衡电流示意图支路电压方程为求得均衡电流为式中Zq

=

2ZJ

+

ZT

+

Z

kT2q

q

dq

q

ddI

=

Zd

II

Z

=Z

IZq8.1双边供电8.1.2均衡电流和穿越功率其中，kT

为牵引变压器变比，即电网进线的线电压/牵引母线的额定电压分流比n，即均衡电流与电网输电线中电流之比，即I

Z展开有n=Zd2ZJ

+

ZT

+

Z

kT2q，d

qn=

q

=

d

I

Zq

2

8.1双边供电

8.1.2均衡电流和穿越功率2.穿越功率计算设电网输电线的额定电压为UN

，得穿越功率：q

N

q

Ndq或者已知电网输电线三相功率S

时，牵引网(单相)穿越功率：S

S

一个像负荷一样的横向分量，这就是线路的容性无功功率，也叫充电功率。穿越功率取决于电网对牵引供电系统的供电方式和电网潮流，充电功率则沿输电线和牵引网分布，取决于其长度和电压等级。S

=

U

I

=

Zd

U

I

3kTZ

8.1双边供电

8.1.2均衡电流和穿越功率3.穿越功率解决方案正常运行状态下，双边供电与单边供电在潮流分布上的唯一区别就是均衡电流和穿越功率问题。➢(1)树形供电。电网的变电站用同一(分段)母线PCC

给铁路的多个变电所供电，称为树形供电方式。此时，可认为PCC1

与PCC2

合并，电网输电线长度为0，得n

=0即均衡电流和穿越功率为0。树形供电方式示意图

8.1双边供电

8.1.2均衡电流和穿越功率➢(2)合建所。合建所即将牵引变电所与电力(动照)

变电所合建在一起，牵引变压器和电力(动照)变压器接入同一进线母线。只要电力变压器的电力负荷大于穿越功率，则穿越功率就被“淹没”，合建所总体对电网表现为用电状态，不向电网发电。牵引电力合建所示意图

8.1双边供电

8.1.2均衡电流和穿越功率➢(3)穿越功率利用。设流向牵引网为正，当该功率非0且两者之和为0时，则判定该功率为穿越功率，再在穿越功率末端的牵引变电所牵引母线上将穿越功率通过交-直-交(AC/DC/AC)装置转移到三相电力用电母线上，供电力负荷利用，或者通过交-直(AC/DC)装置与储能装置ES连接进行储能利用，为了更好地利用和控制储能装置容量，一般串接直-直(DC/DC)变换装置。穿越功率利用示意图

8.1双边供电

8.1.3双边供电电压损失1.牵引变压器电压损失同相供电变电所的电压损失均可按单相变压器进行计算。单相牵引变压器电压损失

U

=(RT

cosQ+XT

sinQ)(I1

+I2

)式中I1，I2

——两臂负荷，A；cosQ

——两臂负荷(平均)功率因数；RT，XT

——单相变压器归算到次边的电阻和电抗值。

8.1双边供电

8.1.3双边供电电压损失【例】已知单相牵引变压器或不等边Scott变压器M座额定容量为40MV·A，同相

供电两臂负荷之和为700A：①设机车为交-直型，牵引电流功率因数

cosQ=0.8(滞后)，②机车为交-直-交型，cosQ

=0.98(滞后)，试分别计算牵引变压器的电压损失。【解】①电力机车为交-直型，牵引电流功率因数cosQ

=0.8(滞后)。计算单相牵引变压器或不等边Scott

变压器M

座阻抗为RT

=

PC

.

=

132

.

=

0.062

4

(

)NXT

=

Ud

%

.

U

N

100S10040221000S1000

40N

8.1双边供电

8.1.3双边供电电压损失计算牵引变压器的电压损失为

U

=(RT

cosQ+XT

sinQ)(I1

+I2

)=(0.06240.8+1.9850.6)700=868.64(V)②电力机车为交-直-交型，牵引电流功率因数cosQ

=0.98(滞后)。计算牵引变压器的电压损失为

U

=(RT

cosQ+XT

sinQ)(I1

+I2

)=(0.06240.98+1.9850.20)700=320.71(V)对比①②计算结果可知：牵引负荷功率因数的提高，对于牵引变压器电压损失的降

低具有十分显著的作用。

8.1双边供电

8.1.3双边供电电压损失2.牵引网电压损失(1)电流分配规律。列车取流把牵引网分为左右两个支路，分别列写左右两支路牵引网电压降方程

U

=zl1II

U

=z(2l

−l1

)III列车电流在双边供电牵引网中的分配规律与单边复线牵引网相同，即：支路中的电流大小同支路的长度成反比。SS2SPIIIl12l双边供电单线牵引网电流分配示意图2l

−l1

II

=

2l

I

III

=

l

I

2l1解得SS1III

8.1双边供电

8.1.3双边供电电压损失(2)计算条件。(3)计算方法。单线双边供电牵引网列车取流和位置如图所示，设各列车负荷功率因数相同，设供电臂(支路)Ⅰ、Ⅱ的等效单位自阻抗zⅠp=zⅡp=zp

。SS1

SS2SPII…l2

'lm

'2l单线双边供电牵引网负荷分布示意图I

I1pIp

m…I

nl1'ln21IIllI21

8.1双边供电

8.1.3双边供电电压损失对于支路

Ⅰ

上的任一列车

Ii

，

i＝

1

，2

，

…

，n，流经

Ⅰ

支路的电流为

Ii

，记

为IiI

；流经Ⅱ支路的电流为Ii

，记为IiII

。而对于支路Ⅱ上的任一列车，j＝1，2，…，m，流经Ⅰ、Ⅱ支路的电流分别为Ij

和Ij

，分别记为IjI

和IjII

。双边供电牵引网的最大电压损失也可以通过分流点得到。

8.1双边供电

8.1.3双边供电电压损失【例】已知某单线双边供电区段的牵引网单位长自阻抗z

为0.204+j0.480

/km，列车位置和取流大小均标于图中。①设机车为交-直型，牵引电流功率因数cosQ=0.8(滞后)；②机车为交-直-交型，cosQ

=0.98(滞后)，试分别计算牵引网最大电压损失。SS1SPI

III

'

=200A15km10km40km例计算图I

'

=200AI

=300A15kmSS2218.1双边供电8.1.3双边供电电压损失【解】计算支路Ⅰ上机车电流I1

单独作用I1I

=

2l

−

l1

I1

=

40

−15

300

=

187.5

(A)2l

40

l

15计算支路Ⅱ上机车电流I1

单独作用

l

5

I1II

=

2l

−

l1

I1

=

40

−

5

200

=

175

(A)2l

40I1I

=1

I1

=200=

25(A)2l

40I1II

=1

I1

=300=112.5(A)2l40

8.1双边供电

8.1.3双边供电电压损失计算支路Ⅱ上机车电流I

单独作用lp

102l

40I

II

=

2l

−

l

I

=

40

−10

200

=

150

(A)2l

40根据叠加原理，合成所有列车的网上各段分流，得到电流分布如图所示SS1SPI

III

'

=200A1例的电流分布图I

I

=2

I

=200=50(A)237.5A437

.5A262.5A

37.5AI

'

=200AI

=300ASS221

8.1双边供电

8.1.3双边供电电压损失①电力机车为交-直型，牵引电流功率因数cosQ

=0.8(滞后)，则功率因数角Q＝36.87。。牵引网等效单位自阻抗z,为0.451/km。计算机车I1

受电点的牵引网电压损失U1

为

U1

=0.45115262.5=1775.8(V)②电力机车为交-直-交型，牵引电流功率因数cosQ

=

0.98(滞后)，则功率因数角Q＝11.48。。牵引网等效单位自阻抗z,为0.296/km。计算机车I1

受电点的牵引网电压损失U1

为

U1

=0.29615262.5

=1165.5(V)对比①和②结果可知：牵引负荷功率因数的提高，对于单线双边供电牵引网电压损失的降低具有十分显著的作用。8.2贯通供电

8.2贯通供电贯通供电是贯通式同相供电的简称，是两个及以上牵引变电所同相供电和分区

所双边供电的组合：牵引变电所的同相供电可以取消其出口处的电分相，消除无电

区，实现连续供电；双边供电可以取消分区所处的电分相，消除无电区，实现连续

供电。一条线路的贯通供电是牵引供电的终极目标。在同一电网供电范围内，可以实现一条线上多个变电所的贯通供电，如图所示。贯通供电示意图

8.2贯通供电图(a)、(b)分别示出单边供

电和贯通供电负荷工况：列车牵引用电或再生发电情形，可见贯通供电的列车牵引用电功率和再生发电功率得以叠加，虽然列车的用电和发电总量没有变，但贯通供电后从电网用电或向电网发电的最大功率会减小，对应的负序最大值也会减小。(a)单边供电(b)贯通供电单边供电和贯通供电负荷工况示意

8.2贯通供电单边供电和贯通供电空载工况分别见图(a)和(b)，其区别类似单边供电与双边供电，即贯通供电可能产生穿越功率，而且穿越功率可能传得更远，而单边供电没有穿越功率。(b)贯通供电空载单边供电和贯通供电空载示意(a)单边供电空载

8.2贯通供电交通运输部国家“交通强国”试点——“巴准铁路贯通式同相供电工程化”项目便是一个贯通供电应用实例。其原理：主变更换为不等边Scott

接线，其M座ab相额定容量为40MV·A

，T

座c

相同相供电装置采用5MV·A

运行+5MV·A

备用方式。巴准铁路贯通供电示意图

8.2贯通供电无功型补偿方案除了适合于分散式负序补偿外，特别适合于在电网变电站(PCC)树形供电的牵引变电所群中选择一个牵引变电所进行负序集中补偿和考核，图中在SS2

中进行负序集中补偿，这样可以使得其他牵引变电所只设单相主变压器，其设备和结构大大简化。牵引变电所群的无功型集中补偿方案示意图

8.2贯通供电多数情况下，电网对铁路的供电方式是非树形的，这时就有穿越功率产生。例如，广州地铁18、22号线共设置陇枕、陈头岗、万顷沙、赤沙滘4个牵引变电所，在陇枕变电所和陈头岗变电所进行了贯通供电试验，试验测试显示：视在穿越功率最大为2.2MV·A。广州地铁18/22号线示意图

8.2贯通供电✓(1)在负序(三相电压不平衡度)满足国家标准要求时，牵引变电所采用单相牵引变压器是同相供电的最简方式；在负序电压不平衡度不满足国家标准要求时，单三相组合式和单相组合式同相供电方案可以实现有功型同相补