第1章 電力系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)

1、第1章 電力系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)1-1 電力系統(tǒng)概述1-2 牽引供電系統(tǒng)1-3 電力機(jī)車簡(jiǎn)介第第1章章 電力系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)電力系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)1-1 電力系統(tǒng)概述1-1 電力系統(tǒng)概述電力系統(tǒng)概述 電力系統(tǒng)是指發(fā)電、送電、變電和用電組成的整體。如圖1-1所示。1-1 電力系統(tǒng)概述1-1 電力系統(tǒng)概述電力系統(tǒng)概述1-1-1 發(fā)電廠1-1-2 電力網(wǎng)及電網(wǎng)電壓1-1-3 變電所1-1-1 發(fā)電廠 1-1-1 發(fā)電廠發(fā)電廠 發(fā)電廠將其他形式的能源轉(zhuǎn)換為電能。根據(jù)能源的不同，發(fā)電廠分為火電廠、水電廠、核電廠、熱電廠、風(fēng)力電廠、潮汐海洋電廠等。 我國(guó)主要采用火電廠、水電廠、核電廠。 1、火電廠 這些電

2、廠多建在煤炭基地附近，故稱為“坑口”電廠，其單相容量可達(dá)600MW。如果把已作過功的乏氣再供給用戶作為熱能，則稱為熱電廠。 2、水電廠 水電廠利用河流的落差發(fā)電。水電廠不僅效率高，而且水能是可循環(huán)利用。目前我國(guó)水輪發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量為700MW。 3、核電廠 核電廠是將原子核裂變時(shí)所產(chǎn)生的核能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。核電廠的重要部分是核子反應(yīng)堆和蒸汽發(fā)生器。其發(fā)電設(shè)備仍為一般汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)。核電廠的單機(jī)容量較大，近年來多在900MW以上。1-1-2 電力網(wǎng)及電網(wǎng)電壓 1-1-2 電力網(wǎng)及電網(wǎng)電壓電力網(wǎng)及電網(wǎng)電壓 電力網(wǎng)簡(jiǎn)稱電網(wǎng)。 組成：由輸電線路、配電線路、變電所。 按其規(guī)模分為：地區(qū)電網(wǎng)、區(qū)域電網(wǎng)。 國(guó)家

3、規(guī)定電網(wǎng)額定電壓分為9個(gè)等級(jí)，如表1-1所示。1-1-3 變電所 1-1-3 變電所變電所 變電所的作用：變換電壓、集中電能、分配電能、控制電能、調(diào)整電壓。 變電所通常分為以下三種： 1）樞紐變電所 通常都有兩個(gè)及以上電源匯集，進(jìn)行電能的分配和變換，從而形成電能的樞紐。此類變電所規(guī)模大，并采用三繞組變壓器獲得不同級(jí)別的電壓，送到不同距離的地區(qū)。 2）地區(qū)變電所 其作用是供給一個(gè)地區(qū)用電。通常采用三繞組變壓器，高壓受電，中壓轉(zhuǎn)供，低壓直配。 3）用戶變電所 此類變電所屬于電力系統(tǒng)的終端變電所，直接供給用戶電能。通常采用雙繞組變壓器。鐵路牽引變電所就屬于此類變電所。1-2 牽引供電系統(tǒng)1-2 牽引

4、供電系統(tǒng)牽引供電系統(tǒng) 牽引供電系統(tǒng)是指拖動(dòng)車輛運(yùn)輸所需電能的供電形式。 電氣化鐵道供電系統(tǒng)為相對(duì)獨(dú)立于電力系統(tǒng)的電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)。1-2 牽引供電系統(tǒng)1-2 牽引供電系統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)1-2-1 牽引供電系統(tǒng)的電流制1-2-2 工頻單相交流牽引供電系統(tǒng)1-2-3 牽引變電所的一次供電方式1-2-4 牽引變電所的引入線方式1-2-5 接觸網(wǎng)的供電方式1-2-1 牽引供電系統(tǒng)的電流制 1-2-1 牽引供電系統(tǒng)的電流制牽引供電系統(tǒng)的電流制 主要有四個(gè)電流制：直流制、低頻單相交流制、三相交流制、工頻單相交流制。 1、直流制 因電力牽引用的電力機(jī)車多采用機(jī)械性能好、調(diào)速方便的直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，所以采用

5、直流制供電，簡(jiǎn)化了機(jī)車設(shè)備，提高了效率。但牽引變電所必須設(shè)整流設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜了。同時(shí)因受電力機(jī)車牽引電動(dòng)機(jī)額定電壓影響，供電線路電壓較低使?fàn)恳冸娝g距離減小，同時(shí)供電電流的加大增加了導(dǎo)線截面，增大了線路損耗。所以在我國(guó)電氣化鐵道中，未采用直流制。但在礦山、城市電車和地鐵中得以廣泛應(yīng)用。 2、低頻單相交流制 為克服直流的缺陷，西歐一些國(guó)家采用低頻單相交流制，頻率為50/3Hz，電壓為1115kV。雖然這種制式比直流有不少優(yōu)點(diǎn)，但因其頻率與工頻差異，必須有與之配套的發(fā)電廠和供電系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性、通用性不好，應(yīng)用受限。1-2-1 牽引供電系統(tǒng)的電流制 3、三相交流制 在牽引電流制的發(fā)展過程中，有的國(guó)家

6、如瑞士、法國(guó)等，還采用了3.6kV的三相交流制。電力機(jī)車牽引電動(dòng)機(jī)采用三相異步電動(dòng)機(jī)。 這種供電方式優(yōu)點(diǎn)在于三相負(fù)荷完全平衡，大大減小了電力牽引對(duì)電力系統(tǒng)的影響，并減小了對(duì)通信的干擾。 主要的缺點(diǎn)在于交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速困難和電力機(jī)車三相受限困難。 4、工頻單相交流制 工頻單相交流制是電氣化鐵道發(fā)展中的一項(xiàng)先進(jìn)供電制。我國(guó)采用的是工頻單相交流制，電壓25kV或50kV。 由于此種電流制的優(yōu)越性比較明顯，很快在各國(guó)被采用，目前已占到電氣化鐵道的40%以上。我國(guó)電氣化鐵道建設(shè)一開始就采用了此種電流制，從而為后來的電氣化鐵道的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。1-2-1 牽引供電系統(tǒng)的電流制 工頻單相交流制的主

7、要優(yōu)點(diǎn)為： 1）牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； 2）牽引供電電壓增高，既可保證大功率機(jī)車的供電，提高機(jī)車的牽引定數(shù)和運(yùn)行速度，又可使變電所之間的距離延長(zhǎng)，導(dǎo)線截面減少，建設(shè)投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用顯著降低； 3）交流電力機(jī)車的粘著性能和牽引性能良好； 4）和直流制相比較，交流制的地中電流對(duì)地下金屬的腐蝕作用小，一般可不設(shè)專門防護(hù)裝置。 工頻單相交流制的主要問題為： 1）單相牽引負(fù)荷會(huì)在電力系統(tǒng)中形成負(fù)序電流； 2）功率因數(shù)低； 3）對(duì)通訊線路造成較大的電磁干擾。1-2-2 工頻單相交流牽引供電系統(tǒng) 1-2-2 工頻單相交流牽引供電系統(tǒng)工頻單相交流牽引供電系統(tǒng) 組成：由牽引變電所、牽引網(wǎng)。如圖1-2所示。1-2-

8、2 工頻單相交流牽引供電系統(tǒng) 牽引供電系統(tǒng)的主要作用是，從電力系統(tǒng)取得電能，并送給沿鐵路運(yùn)行的電力機(jī)車。圖中各部分說明如下： 1、一次供電網(wǎng)絡(luò) 一次供電網(wǎng)絡(luò)是指直接向牽引變電所供電的地區(qū)變電所（或發(fā)電廠）及高壓輸電線路。輸電線路一般分為兩路，電壓為110kV。 2、牽引變電所 作用是降壓，并將三相電源轉(zhuǎn)換成兩個(gè)單相電源，然后通過饋電線分別供給牽引變電所兩側(cè)的接觸網(wǎng)。 3、牽引網(wǎng) 由饋電線、接觸網(wǎng)、鋼軌、回流線組成。 饋電線是連接牽引變電所母線和接觸網(wǎng)的架空鋁鉸線。 接接觸網(wǎng)是牽引網(wǎng)的主體。 鋼軌和回流線是負(fù)荷電流回流到牽引變電所的路線。 1-2-2 工頻單相交流牽引供電系統(tǒng) 4、分區(qū)亭 為了增

9、加供電的靈活性，提高運(yùn)行的可靠性，在兩個(gè)相鄰牽引變電所之間加設(shè)分區(qū)亭，其作用主要有兩個(gè)： 1）使相鄰相兩供電區(qū)段實(shí)行并聯(lián)供電或分開供電，也可使復(fù)線區(qū)段的上、下行實(shí)行并聯(lián)或分開供電； 2）相鄰牽引變電所發(fā)生故障而不能繼續(xù)供電時(shí)，可以閉合分區(qū)亭內(nèi)的斷路器，由非故障牽引變電所實(shí)行越區(qū)供電。 5、開閉所 電氣化鐵道的樞紐站場(chǎng)均由接觸網(wǎng)供電。為了提高供電的可靠性和靈活性，通常將其分組并獨(dú)立供電，為此增設(shè)開閉所。 如果是復(fù)線電氣化鐵道區(qū)段，通過開閉所的斷路器還可將上行和下行接觸網(wǎng)并聯(lián)起來，此時(shí)的開閉所還兼有分區(qū)亭的作用。1-2-3 牽引變電所的一次供電方式 1-2-3 牽引變電所的一次供電方式牽引變電所的

10、一次供電方式 又稱外部供電方式。通常要求每個(gè)牽引變電所必須有兩個(gè)獨(dú)立電源供電，或者由兩路非同桿架設(shè)的輸電線路供電，其中每路輸電線應(yīng)能夠承擔(dān)牽引變電所的全部負(fù)荷。兩路電源互為備用或一主一備。 牽引變電所的供電方式通常有三種：一邊供電、雙邊供電、環(huán)形供電。 1、一邊供電 指牽引變電所的電能只能由電力系統(tǒng)中的一個(gè)方向送來，如圖1-3所示。1-2-3 牽引變電所的一次供電方式 2、兩邊供電 指牽引變電所的電能由電力系統(tǒng)中的兩個(gè)方向送來，如圖1-4所示。 3、環(huán)形供電 指若干個(gè)發(fā)電廠、地區(qū)變電所通過高壓輸電線連接成環(huán)形電力網(wǎng)，而牽引變電所處于環(huán)形電力系統(tǒng)中的一段環(huán)路之中。仍如圖1-4所示。1-2-4 牽

11、引變電所的引入線方式 1-2-4 牽引變電所的引入線方式牽引變電所的引入線方式 又稱牽引變電所一次側(cè)的主接線方式。 采用哪種引入線方式，取決于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行、外部供電方式、主變壓器的接線方式等綜合因素。 目前我國(guó)牽引變電所的引入線方式有三種：橋接線方式、雙T接線方式、單母線分段方式，如圖1-5所示。1-2-4 牽引變電所的引入線方式 1、橋接線方式 當(dāng)電力系統(tǒng)的功率需要穿越牽引變電所時(shí)，采用此種接線方式。牽引變電所有兩路引入線，并通過橋斷路器連接起來，以便通過穿越功率。 當(dāng)橋斷路位于牽引變壓器側(cè)時(shí)，稱為內(nèi)橋；當(dāng)橋斷路器位于線路側(cè)時(shí)，稱為外橋。 2、雙T接線方式 又稱為分支接線，即兩路輸電線路

12、分別引出兩條支線到牽引變電所，構(gòu)成雙T形。此種引入方式通常只有一咱送電，另一路備用。 3、單母線分段方式 當(dāng)牽引變電所除了兩路電源引入線外，還需要引出線的中心變電所，通常采用此種引入線方式。其分段斷路器既能經(jīng)常通過穿越功率，又可在必要時(shí)將母線分成兩段，以提高供電的可靠性和靈活性。1-2-5 接觸網(wǎng)的供電方式 1-2-5 接觸網(wǎng)的供電方式接觸網(wǎng)的供電方式 指牽引變電所向接觸網(wǎng)的供電方式。有兩種方式：?jiǎn)芜吂╇姺绞?、雙邊供電方式。針對(duì)單線區(qū)段和復(fù)線區(qū)段，都可以采用這兩種方式。 1、單線區(qū)段 （1）單邊供電 如圖1-6所示分區(qū)亭的斷路器斷開時(shí)，為單邊供電。 （2）雙邊供電 如圖1-6所示分區(qū)亭的斷路器

13、連接時(shí)，為單邊供電。1-2-5 接觸網(wǎng)的供電方式 2、復(fù)線區(qū)段 由于復(fù)線雙邊供電分區(qū)亭設(shè)備復(fù)雜，對(duì)接觸網(wǎng)短路故障的保護(hù)十分困難，所以我國(guó)目前針對(duì)復(fù)線區(qū)段只采用單邊供電方式。如圖1-7所示。1-2-5 接觸網(wǎng)的供電方式 復(fù)線單邊供電有兩種方式：?jiǎn)芜吥┒瞬⒙?lián)供電、單邊全并聯(lián)供電。 （1）單邊末端并聯(lián)供電 由于復(fù)線區(qū)段牽引變電所同一側(cè)的上、下行接觸網(wǎng)均供同相電，故可在接觸網(wǎng)供電分段的末端用分區(qū)亭中的斷路器連接起來，形成單邊并聯(lián)供電。如圖1-8所示。 優(yōu)點(diǎn)：接觸網(wǎng)的電壓損失和電能損失顯著減小。 缺點(diǎn)：分區(qū)亭設(shè)備復(fù)雜，運(yùn)營(yíng)維修工作量大。所以在實(shí)際當(dāng)中，不投入斷路器，形成單邊分開供電，即如圖1-7所示方式

14、。1-2-5 接觸網(wǎng)的供電方式 （2）單邊全并聯(lián)供電 在每個(gè)車站利用柱上負(fù)荷開關(guān)將上、下行接觸網(wǎng)并聯(lián)，形成并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，如圖1-9所示。 并聯(lián)負(fù)荷開關(guān)可以自動(dòng)投切，也可以經(jīng)設(shè)于車站的遠(yuǎn)動(dòng)終端RTU由電力調(diào)度控制。 優(yōu)點(diǎn)：第一，比末端并聯(lián)供電更能有效地減小接觸網(wǎng)阻抗，降低接觸網(wǎng)電壓損失和電能損失；第二，能對(duì)接觸網(wǎng)的短路故障進(jìn)行有效的保護(hù)。1-3 電力機(jī)車簡(jiǎn)介1-3 電力機(jī)車簡(jiǎn)介電力機(jī)車簡(jiǎn)介 我國(guó)電氣化鐵道運(yùn)行的電力機(jī)車，少量為國(guó)外引進(jìn)的，大部分為我國(guó)自己設(shè)計(jì)制造的SS型單相工頻電力機(jī)車。 機(jī)車的額定電壓為25kV，最高工作電壓為29kV，最低工作電壓為20kV。 牽引電動(dòng)機(jī)采用直流串勵(lì)式，額定電壓為

15、1020V，功率為700900kW。1-3 電力機(jī)車簡(jiǎn)介1-3 電力機(jī)車簡(jiǎn)介電力機(jī)車簡(jiǎn)介1-3-1 25kV側(cè)電路1-3-2 相控整流調(diào)壓電路1-3-1 25kV側(cè)電路 1-3-1 25kV側(cè)電路側(cè)電路 以SS8型電力機(jī)車為例，其簡(jiǎn)化的主電路包括： 受電弓、主斷路器、變壓器、電壓互感器、電流互感器、避雷器等。如圖1-10所示。1-3-1 25kV側(cè)電路 1、受電弓 以大約(9010)N的壓力與接觸網(wǎng)接觸并獲取電流。 為了改善取流條件，降低弓網(wǎng)之間的相互磨損，受電弓上裝有粉末冶金滑板，有的受電弓上還裝有固體注滑劑。 電力機(jī)車上裝有兩個(gè)受電弓，一般升弓后，前弓備用。 2、主斷路器 接于受電弓與主變

16、壓器之間，安裝于機(jī)車車頂中部，是電力機(jī)車電源的總開關(guān)和總保護(hù)電器。 采用空氣斷路器，額定切斷電流達(dá)10kA，固有分閘時(shí)間不大于30ms。 與之配合動(dòng)作的還有隔離開關(guān)，當(dāng)主斷路器切斷電弧電流后，隔離開關(guān)隨即打開，此后主斷路器重新合閘。當(dāng)送電時(shí)，只要合上隔離開關(guān)即可。1-3-1 25kV側(cè)電路 3、變壓器 額定電壓為25kV，低壓繞組除牽引供電牽引電動(dòng)機(jī)用電外，還有輔助繞組、勵(lì)磁繞組等。 4、電壓互感器 用于電壓測(cè)量及電度的計(jì)量，變比為25000/100，并接在主斷路器之前，只要升起受電弓，就可知網(wǎng)壓狀況。 5、電流互感器1 用于變壓器高壓側(cè)短路保護(hù)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間約為0.06s。 注意：當(dāng)機(jī)車頂部

17、短路時(shí)，由牽引變電所的饋線保護(hù)進(jìn)行保護(hù)。 6、電流互感器2 用于電度計(jì)量。 7、避雷器 用于抑止操作過電壓及雷擊過電壓。1-3-2 相控整流調(diào)壓電路 1-3-2 相控整流調(diào)壓電路相控整流調(diào)壓電路 1、直流電機(jī)的調(diào)速原理 電力機(jī)車采用直流電動(dòng)機(jī)牽引的重要原因之一，是因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)便于調(diào)速。由于轉(zhuǎn)速公式為：eCIRUn 所以，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電樞電壓U就可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 早期調(diào)速采用調(diào)壓開關(guān)分級(jí)調(diào)速，缺點(diǎn)是變壓器抽頭多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。目前采用大功率晶閘管相控整流調(diào)壓電路實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，克服了以上缺點(diǎn)。 2、電力機(jī)車的三段相控整流調(diào)壓電路 圖中a2x2,a1b1,b1x1為機(jī)車變壓器副邊的三段牽引繞組。二極管V1V4

18、及晶閘管VS01VS26組成三段橋相控整流電路。L為平波電抗器，對(duì)整流回路的脈動(dòng)電流起平波作用。如圖1-11所示。1-3-2 相控整流調(diào)壓電路1-3-2 相控整流調(diào)壓電路 2、三段相控整流調(diào)壓電路工作原理 （1）三步投入 1）開通V1、V2、VS01、VS02組成的四臂橋，繞組a2x2投入； 2）開通V3、V4、VS03、VS04組成的四臂橋，繞組a1b1投入； 3）開通VS05、VS06組成的四臂橋，繞組a1b1x1投入。 （2）投入過程 首先開放第一段a2x2，電源的正半周內(nèi)，觸發(fā)晶閘管VS02，電流回路為： a2-V1-L-M-V4-V3-VS02-x2-a2； 在電源的負(fù)半周內(nèi)，觸發(fā)晶閘管VS01，電流回路為： x2-VS01-L-M-V4-V3-V2-a2-x2。1-3-2 相控整流調(diào)壓電路 在第一段滿開放之后，開放第二段a1b1后，電源的正半周內(nèi)，觸發(fā)晶閘客VS04，電流回路為： a1-V3-VS02-x2-a2-V1-L-M-VS04-b1-a1； 在電源的