高速铁路牵引供电系统

1、高速牵引供电系统主讲：张丽西南交通大学电气工程学院,一、牵引供电系统与电力系统的关系 二、牵引供电系统供电方式 1、直接供电方式 2、吸流变压器（BT）供电方式 3、带回流线的直接供电方式 4、自耦变压器（AT）供电方式 三、牵引变压器接线,一、牵引供电系统与电力系统的关系,高压输电网：500/220/110kV 低压配电网： 35/10/0.38kV,电力系统结构,一、牵引供电系统与电力系统的关系,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；

2、 (5) 对环境的不良影响较小。,电力系统电能质量的基本要求,一、牵引供电系统与电力系统的关系,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 GB/T 24337-2009电能质量 公用电网间谐波 GB/T 18481-2001 电能质量 暂时过电压和瞬态过电压,电能质量国家标准,一、牵引供电系统与电力系统的关系,1、牵引供电系统与电力系统的关系,牵引 变电所,牵

3、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,一、牵引供电系统与电力系统的关系,牵引供电系统,牵引网,25kV,一、牵引供电系统与电力系统的关系,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。,一、牵引供电系统与电力系统的关系,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

4、压的10%；,一、牵引供电系统与电力系统的关系,牵引 变电所,牵引 变电所,25kV,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,一、牵引供电系统与电力系统的关系,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,一、牵引供电系统与电力系统的关系,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。,一

5、、牵引供电系统与电力系统的关系,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。,一、牵引供电系统与电力系统的关系,一、牵引供电系统与电力系统的关系,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,一、牵引供电系统与电力系统的关系,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

6、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,一、牵引供电系统与电力系统的关系,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。,一、牵引供电系统与电力系统的关系,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,一、牵引供电系统与电力系统的关系,电

7、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,一、牵引供电系统与电力系统的关系,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/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,一、牵引供电系统与电力系统的关系,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

8、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。,一、牵引供电系统与电力系统的关系,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。,一、牵引供电系统与电力系统的关系,供用电双方的共同努力来维持好的电能质量,牵引供电系统,牵引网,牵引 变电所,牵引 变电所,电力系统,一方面：电力系统短路容量越大，电能质量越好。,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

9、系统电能质量的影响。,25kV,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。由电铁负荷产生的谐波、负序以及电压波动等问题对电力系统的影响程度都与之密切相关。,一、牵引供电系统与电力系统的关系,一方面：电力系统短路容量越大，电能质量越好。,一、牵引供电系统与电力系统的关系,世界主要高速铁路国家电铁供电电源电压等级,一、牵引供电系统与电力系统的关系,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。,一、牵引供电系统与电力系统的关系,随着电网发展，系统短路

10、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。,一、牵引供电系统与电力系统的关系,一、牵引供电系统与电力系统的关系,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

11、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。,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。

12、,一、牵引供电系统与电力系统的关系,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,一、牵引供电系统与电力系统的关系,方案2：由6台单相变构成相别循环,电分相上承受电压为,一、牵引供电系统与电力系统的关系,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。,一、牵引供电系统与电力系统的关系,一、牵引供电系统与电力系统的关系,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

13、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。,一、牵引供电系统与电力系统的关系,日本RPC,平衡变次边电流,两供电臂负载电流,1、直接供电方式（TR）,二、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,二、牵引供电系统供电方式,接触网中串接吸流变压器，间隔约1.5

14、km-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,2、BT(吸流变压器)供电方式,二、牵引供电系统供电方式,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,为了保证机车电压水平，缩短供电臂的距离,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,2、BT(吸流变压器)供电方式,二、牵引供电系统供电方式,供电臂

15、距离缩短,BT串入处接触导线分段,外部电源投资增大,分相数量增多,变电所的数量增多,影响高速列车运行的安全性及列车速度,BT供电方式没有实现的目标：具有更强的供电能力（更小的牵引网电压损失和电能损失），供电距离更长，减小分相数量。 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),二、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

16、度上有所减小。,I,I,I,I,25kV,3、带回流线的直接供电方式(TRNF),二、牵引供电系统供电方式,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%,I,I,I,I,25kV,3、带回流线的直接供电方式(TRNF),二、牵引供电系统供电方式,供电臂距离增长,外部电源投资减小,分相数量减小,变电所的数量减少,有利于列车高速运行,兼顾了直接供电方式的简单可靠。,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。,I,I,I,I,25kV,4、AT(自耦变压器)供电方式,

17、二、牵引供电系统供电方式,n,n,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/2,I/2,I,I/2,I/2,25kV,4、AT(自耦变压器)供电方式,二、牵引供电系统供电方式,减少对通信线的干扰，降低通信线路迁改费用； 钢轨电位降低。,AT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。,n,n,I/2,I/2,I,I/2,I/2,25kV,4、AT(自耦变压器)供电方式,二、牵引供电系统供电方式,电源电压提高一倍 输电电压提高一倍,S=UI,电流降为1/2,阻抗降为1/4（实际略大）,传输相同功率,电压损失降为1/4,n,n,I/

18、2,I/2,I,I/2,I/2,25kV,4、AT(自耦变压器)供电方式,二、牵引供电系统供电方式,n,n,I/2,I/2,I,I/2,I/2,25kV,AT供电方式实现的目标：具有最强的供电能力（更小的牵引网电压损失和电能损失），供电距离更长，减小分相数量。 AT供电方式适合于高速列车的运行。,世界主要高速铁路国家电铁供电方式,二、牵引供电系统供电方式,50Hz/60Hz、25kV牵引供电方式（300350km/h）,高速铁路普遍采用AT供电方式,三、牵引变压器接线,应用于（带回流线）直接供电方式的主要有： 单相接线、Vv接线、 YNd11接线、三相/两相平衡接线(Scott接线、Wood-

19、Bridge、阻抗匹配平衡接线接线等) 应用于AT供电方式的主要有： 日本模式的AT：三相/两相平衡接线(Scott接线、Wood-Bridge接线等) 法国模式的AT：单相接线、 Vx接线 、十字交叉接线,直接供电方式的牵引变压器接线,直接供电方式的牵引变压器接线,AT 55kV日本模式（京秦线采用）,Scott变压器 馈线加AT,三、牵引变压器接线,AT 227.5kV法国模式（京津线采用）,三、牵引变压器接线,两台YNd11接入相别： (A1) (A2)/(B1) (C2)/(C1) (B2),三、牵引变压器接线,目前，国外高速铁路牵引变压器多采用三相-两相平衡变压器、单相变压器。 意大

20、利、新西兰采用单相接线牵引变压器 法国TGV采用单相和Vv接线变压器 日本东海道新干线采用Scott接线 山阳新干线采用Modified-Woodbridge接线变压器 台湾高速铁路采用的是Le Blanc接线变压器,三、牵引变压器接线,系统变换：从广义的角度上讲，牵引变压器原次边之间除了有电压的变换外，还有电流和阻抗变换,通过系统变换，可以获得一次侧的牵引变压器、牵引负荷的等值电路模型，或二次侧的电力系统、牵引变压器等值电路模型。这两个等值电路模型对于牵引供电系统的电气分析十分方便、有用，如用于电压损失，故障分析，电能计量，负序含量，谐波水平等计算。,三、牵引变压器接线,以接入AB线电压为例,原边绕组匝数,次边绕组匝数,1、纯单相（Ii）牵引变压器,三、牵引变压器接线,原次边电流关系,不对称系数,对称分量法,三、牵引变压器接线,归算到负荷端口的变电所等值电路,Sk：电力系统（原边）短路容量（MVA） ST ：牵引变压器容量（MVA） Uk%：短路电压,三、牵引变压器接线,归算到负荷端口的变电所等值电路,Sk：电力系统（原边）短路容量