電力牽引供電系統(tǒng)

1、電力牽引交流傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)報(bào)告 電力牽引供電系統(tǒng)電力牽引供電系統(tǒng)是向電力機(jī)車供給牽引用電能的系統(tǒng)。主要由牽引變電所和接觸網(wǎng)組成。牽引變電所將電力系統(tǒng)通過高壓輸電線送來的電能加以降壓和變流后輸送給接觸網(wǎng)，以供給沿線路行駛的電力機(jī)車。有些國家電氣化鐵路有時(shí)由專用發(fā)電廠供電。 電力牽引供電系統(tǒng)按照向電力機(jī)車提供的電流性質(zhì)分為直流制和交流制，交流制又分工頻單相交流制和低頻單相交流制。工頻指工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)頻率,即50赫或60赫;低頻指低于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)頻率的頻率,應(yīng)用最多的是92-01赫,即50赫的三分之一。各種電流制的電力牽引供電系統(tǒng)的設(shè)備有很大的差別。電流制的發(fā)展直流制應(yīng)用最早，19世紀(jì)末電力牽引開始用于鐵路

2、干線時(shí)，應(yīng)用的就是直流制。目前在英、法、日、蘇等國直流制仍然大量存在。直流制是將電力系統(tǒng)的三相交流電降壓并變換為直流電供應(yīng)接觸網(wǎng)。接觸網(wǎng)電壓有1200伏、1500伏、3000伏等多種。由于電力機(jī)車電壓受直流牽引電動(dòng)機(jī)換向條件的限制，接觸網(wǎng)電壓很難大幅度提高，所以直流制須沿接觸網(wǎng)輸送大量電流，在接觸網(wǎng)上一般須用兩根銅接觸導(dǎo)線，并應(yīng)用銅承力索，另加一些平行的鋁加強(qiáng)導(dǎo)線來分流，耗費(fèi)有色金屬量較大。另外，為了保持接觸網(wǎng)的電壓水平，沿線路每隔1030公里須設(shè)置一個(gè)牽引變電所。直流制的這些弱點(diǎn)，推動(dòng)了交流制的研究。交流牽引供電系統(tǒng) 20世紀(jì)初，工頻三相交流制和低頻單相交流制相繼出現(xiàn)。工頻三相交流制曾在意大

3、利應(yīng)用，由接觸網(wǎng)輸送三相中的兩相，另一相接地。后因兩相接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難被淘汰。低頻單相交流制則在德國、瑞典、瑞士等國得到發(fā)展。這種電流制接觸網(wǎng)電壓一般為 15000伏,在電力機(jī)車上降壓,使用單相整流子牽引電動(dòng)機(jī)。交流制的接觸網(wǎng)比直流制的簡(jiǎn)單得多，牽引變電所的設(shè)置間距也加長。采用低頻的主要原因是整流子牽引電動(dòng)機(jī)換向困難，不適宜于在工頻運(yùn)轉(zhuǎn)。低頻制需要低頻電源，所以低頻制電氣化鐵路必須建設(shè)專用低頻發(fā)電廠，或者在牽引變電所將電力系統(tǒng)送來的工頻電流降壓并變換成低頻電流。早年采用電動(dòng)發(fā)電機(jī)組來變換頻率，后來改用靜止式變頻器，設(shè)備比直流制復(fù)雜。單相整流子牽引電動(dòng)機(jī)也不如直流牽引電動(dòng)機(jī)構(gòu)造簡(jiǎn)單和容易

4、維護(hù)。 1933年匈牙利曾建成一條工頻單相交流制電氣化鐵路，接觸網(wǎng)電壓為 16000伏，電力機(jī)車上采用旋轉(zhuǎn)式變相頻機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī)。這種電力機(jī)車由于構(gòu)造復(fù)雜，沒有得到推廣。1955年，法國在電力機(jī)車上采用靜止式整流器和直流牽引電動(dòng)機(jī)獲得成功，工頻單相交流制才在各國推行開來。原來采用直流制的日本、蘇聯(lián)、英國、印度等國也相繼采用工頻單相交流制。這種交流制接觸網(wǎng)電壓一般為25000伏，接觸網(wǎng)構(gòu)造進(jìn)一步簡(jiǎn)化,牽引變電所的設(shè)置間距擴(kuò)大為3070公里。電力機(jī)車上靜止式整流器最初應(yīng)用引燃管，后來普遍采用硅半導(dǎo)體整流器。整流技術(shù)的進(jìn)步，是工頻單相交流制獲得廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要因素。中國鐵路采用工頻單相交流制,

5、定25000伏為接觸網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)電壓。應(yīng)用硅半導(dǎo)體整流器的“韶山”型電力機(jī)車運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，這種電力機(jī)車維護(hù)簡(jiǎn)易，運(yùn)行可靠。牽引變電所直流制牽引變電所用主變壓器降壓并把三相交流電變換為6相或12相,然后用整流器整流。工頻單相交流制在牽引變電所只進(jìn)行降壓，主要設(shè)備是降壓變壓器，稱為主變壓器。牽引變電所按主變壓器繞組接線方式，分為三相、單相和三相-二相牽引變電所。 三相牽引變電所它的主變壓器結(jié)構(gòu)與一般三相電力變壓器相同,只是次邊額定電壓為27500伏。繞組通常采用 Y/接線。用兩臺(tái)主變壓器并聯(lián)運(yùn)行。原邊Y形繞組接連電力系統(tǒng)的高壓母線,次邊線繞組一端接地,另兩端分別向兩邊的接觸網(wǎng)供電。三相牽引變電所的優(yōu)點(diǎn)是

6、主變壓器價(jià)格低廉，配電設(shè)備簡(jiǎn)單,可在27500伏側(cè)用電力變壓器降壓至 10000伏向鄰近地區(qū)和鐵路的三相負(fù)荷供電。缺點(diǎn)是主變壓器容量利用率較低，三相繞組中有一相達(dá)不到額定負(fù)荷。另外，牽引變電所對(duì)電力系統(tǒng)形成不對(duì)稱負(fù)荷，通常須將各個(gè)牽引變電所的兩個(gè)重負(fù)電荷相輪換接入電力系統(tǒng)中的三相。中國和蘇聯(lián)的工頻單相交流制電氣化鐵路大都采用三相牽引變電所。 單相牽引變電所采用單相雙繞組主變壓器。有兩種接線方式:簡(jiǎn)單單相接線和V/V接線。V/V接線是將兩臺(tái)主變壓器的原邊接在高壓母線不同的兩相間，次邊分別以不同的相電壓向兩邊接觸網(wǎng)供電。簡(jiǎn)單單相接線設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，主變壓器容量利用率高。但是由于牽引變電所對(duì)電力系統(tǒng)

7、構(gòu)成單相負(fù)荷，即使將各個(gè)牽引變電所輪換接入電力系統(tǒng)中的三相，在局部系統(tǒng)中仍將產(chǎn)生大量負(fù)序電流，所以只適宜于在電力系統(tǒng)容量較大的地區(qū)采用單相V/V接線在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的負(fù)序電流和三相牽引變電所產(chǎn)生的相同，比簡(jiǎn)單單相接線產(chǎn)生的要小。這種接線也可在 27500伏側(cè)應(yīng)用降壓變壓器供應(yīng)地區(qū)三相負(fù)荷。但是兩臺(tái)主變壓器不是并聯(lián)，操作手續(xù)和設(shè)備比較復(fù)雜。法國、英國、印度的工頻單相交流制電氣化鐵路普遍采用單相牽引變電所，而且多采用簡(jiǎn)單單相接線。中國只在個(gè)別線路上采用單相V/V接線。 三相二相牽引變電所主變壓器一般采用斯科特接線。其原邊有兩個(gè)繞組，匝數(shù)比為1:3,短繞組（稱為高繞組）接于長繞組（稱為底繞組）的中點(diǎn)

8、，三個(gè)出線端接高壓母線的三相，形成“T”形接線。次邊兩個(gè)繞組輸出對(duì)稱二相電壓，分別向兩邊接觸網(wǎng)供電。斯科特接線的優(yōu)點(diǎn)是,當(dāng)兩邊接觸網(wǎng)負(fù)荷相等時(shí),主變壓器從電力系統(tǒng)取用對(duì)稱三相電流。缺點(diǎn)是要求特制的主變壓器。另外，和簡(jiǎn)單單相接線一樣,在27500伏側(cè)不能供應(yīng)地區(qū)三相負(fù)荷。三相-二相牽引變電所在日本應(yīng)用最為廣泛。接觸網(wǎng)接觸網(wǎng)是沿電氣化鐵路架空敷設(shè)的輸電網(wǎng)，它和電力機(jī)車受電弓的滑動(dòng)接觸將牽引變電所送來的電流送給電力機(jī)車。 結(jié)構(gòu)接觸網(wǎng)主要由接觸懸掛及其支柱組成。常用的有簡(jiǎn)單彈性懸掛和單鏈形懸掛。 簡(jiǎn)單彈性懸掛只有一根接觸導(dǎo)線，用彈性吊弦掛在支柱上。彈性吊弦可以緩和受電弓對(duì)懸掛點(diǎn)的沖擊。這種懸掛可適應(yīng)7

9、090公里小時(shí)運(yùn)行速度。接觸導(dǎo)線彈性較好的，可適應(yīng)100公里/小時(shí)以上的速度。接觸導(dǎo)線材料具有耐磨、耐腐蝕、抗拉強(qiáng)度高和導(dǎo)電性能好等特點(diǎn)。多數(shù)國家主要采用銅導(dǎo)線和鎘銅導(dǎo)線。中國廣泛應(yīng)用鋼鋁雙金屬導(dǎo)線。為了使接觸導(dǎo)線有必要的張力，接觸網(wǎng)每隔一定長度設(shè)置一個(gè)錨段，將接觸導(dǎo)線一端下錨，另端吊掛一個(gè)載重體，稱為補(bǔ)償器。補(bǔ)償器在季節(jié)變化引起接觸導(dǎo)線冷縮熱脹時(shí)自動(dòng)上下移動(dòng)，使接觸導(dǎo)線張力保持不變。 單鏈形懸掛加用一根承力索，將接觸導(dǎo)線用吊弦均勻地吊掛在承力索上。對(duì)承力索采取補(bǔ)償措施的稱為全補(bǔ)償單鏈形懸掛。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是接觸導(dǎo)線平直，接觸懸掛彈性均勻，因此受電弓和導(dǎo)線有較好的接觸，受流較好，適用于運(yùn)行頻繁

10、、運(yùn)行速度較高的線路。直流制電氣化鐵路接觸網(wǎng)普遍采用兩根接觸導(dǎo)線和單鏈形懸掛。交流制接觸網(wǎng)采用一根接觸導(dǎo)線和單鏈形懸掛或簡(jiǎn)單彈性懸掛。中國主要采用單鏈形懸掛，但也開始采用簡(jiǎn)單彈性懸掛。還有一種復(fù)鏈形(雙鏈形、三鏈形)懸掛，是在單鏈形懸掛的承力索和接觸導(dǎo)線之間加設(shè)一條輔助承力索,用吊弦掛在承力索上,再把接觸導(dǎo)線掛在輔助承力索上。這種結(jié)構(gòu)使接觸懸掛彈性更加均勻，適應(yīng)更高的運(yùn)行速度。日本東海道新干線采用彈性雙鏈形懸掛。 早期的接觸網(wǎng)大都使用金屬支柱，后來改用鋼筋混凝土支柱。這種支柱省鋼材，耐腐蝕，造價(jià)較低。接觸懸掛掛在支柱的金屬腕臂上，用定位器來固定接觸導(dǎo)線的水平位置，使接觸導(dǎo)線沿線路成“之”字形走

11、向，以免運(yùn)行中的電力機(jī)車受電弓集中在一點(diǎn)被接觸導(dǎo)線擦傷。 供電方式直流制電氣化鐵路接觸網(wǎng)普遍采用兩邊供電方式，在相鄰的兩個(gè)牽引變電所供電的接觸網(wǎng)中間設(shè)置分區(qū)亭，將接觸網(wǎng)連通。運(yùn)行中的電力機(jī)車由兩邊的牽引變電所同時(shí)供電。這種供電方式可降低接觸網(wǎng)中的電能損失，減小接觸網(wǎng)的電壓降，一個(gè)牽引變電所停電時(shí)，電力機(jī)車運(yùn)行不致中斷。交流制電氣化鐵路則常采用一邊供電方式，接觸網(wǎng)在分區(qū)亭處斷開，分區(qū)亭只在一邊牽引變電所停電時(shí)接通，由另一邊牽引變電所越區(qū)供電。防干擾設(shè)施為了減少接觸網(wǎng)電流的電磁感應(yīng)對(duì)沿線通信電路的干擾，在交流制電氣化鐵路鄰近城鎮(zhèn)的區(qū)段將接觸網(wǎng)每24公里劃成一個(gè)吸流分段，設(shè)置回流線和吸流變壓器。這時(shí)

12、，電力機(jī)車的電流沿回流線流回牽引變電所，從而沿軌道和大地流回的電流很少。回流線和接觸網(wǎng)的電流近似相等，方向相反，這就大大減輕了電氣化鐵路對(duì)沿線通信電路的干擾。這種方式的缺點(diǎn)是吸流變壓器串接在電路中，加大了接觸網(wǎng)阻抗。日本新建設(shè)的工頻單相交流制電氣化鐵路采用了自耦變壓器方式，沿鐵路每10公里左右設(shè)置一臺(tái)自耦變壓器。自耦變壓器中性點(diǎn)接地，一端接接觸網(wǎng)，另一端接回流線，稱為正饋（電）線。正饋線和接觸網(wǎng)電流大小相等，方向相反，同樣起著減小對(duì)通信電路干擾的作用。另一方面，由于接觸網(wǎng)和正饋線之間電壓為二倍接觸網(wǎng)電壓，沿接觸網(wǎng)電壓降便大大減小。直流牽引供電系統(tǒng)要完成一個(gè)簡(jiǎn)單地鐵饋線保護(hù)系統(tǒng)，首先要做的就是了

13、解地鐵供電系統(tǒng)的組成和供電方式，熟悉地鐵直流牽引供電系統(tǒng)保護(hù)的原理和實(shí)現(xiàn)方式。這是后面內(nèi)容的前提和基礎(chǔ)。  2.1 城市軌道交通供電系統(tǒng)的組成  地鐵作為城市軌道交通系統(tǒng)的一部分，在經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展的今天，成為解決交通擁擠的重要方案。城市軌道交通采用直流供電，其供電系統(tǒng)一般為列車及輔助設(shè)施如照明、通風(fēng)、空調(diào)、排水、通信、信號(hào)、防災(zāi)報(bào)警、自動(dòng)扶梯等提供電能。城市軌道交通供電系統(tǒng)包括高壓電源系統(tǒng)（即城市電網(wǎng)，主要給城市軌道交通提供外部電源）、牽引供電系統(tǒng)（為列車提供電力，由牽引變電所和接觸網(wǎng)組成）和動(dòng)力照明系統(tǒng)（由降壓變電所和動(dòng)力照明配電線路組成）。  給地鐵、

14、輕軌電動(dòng)列車提供電能的變電所是牽引變電所，此外，城市軌道交通供電系統(tǒng)的變電所還有電源變電所（或稱高壓變電所）、降壓變電所和牽引降壓（混合）變電所。外部電源系統(tǒng)或一次系統(tǒng)是從發(fā)電廠經(jīng)升壓、高壓輸電、區(qū)域變電所到主降壓變電所的部分，而牽引供電系統(tǒng)是從主降壓變電所及其以后的部分。城市軌道交通供電系統(tǒng)如圖2.1所示。  2.2 直流牽引供電系統(tǒng)  電氣化鐵道的牽引供電系統(tǒng)是完成對(duì)電力機(jī)車供電的屬于鐵路部門管轄的裝置。直流牽引供電系統(tǒng)包括牽引整流機(jī)組、直流牽引變電所、牽引網(wǎng)和電力客車組成，每一個(gè)部分可以構(gòu)成一個(gè)保護(hù)單元，形成一個(gè)包含主保護(hù)、后備保護(hù)、輔助保護(hù)的體系，其中，直

15、流牽引變電所是直流牽引供電系統(tǒng)的核心。牽引供電系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2.2所示。  (1) 牽引變電所  直流牽引變電所從雙電源受電，整流機(jī)組變壓器降壓、分相，然后按一定的整流接線方式由大功率硅整流器把三相交流電變?yōu)橹绷麟娤螂娏α熊嚬╇姟?#160; (2) 牽引網(wǎng)  牽引網(wǎng)是沿線路鋪設(shè)的為電力機(jī)車提供電能的裝置，簡(jiǎn)單的牽引網(wǎng)包含了軌道和大地、饋電線、接觸網(wǎng)、回流線。牽引電流從牽引變電所主變壓器流出，經(jīng)由饋電線、接觸網(wǎng)供給電力機(jī)車，然后沿軌道和大地、回流線流回牽引變電所主變壓器。  軌道非電力牽引情況下只作為列車導(dǎo)軌；電力牽引時(shí)還需完成導(dǎo)通回

16、流任務(wù)，是電路的一部分。 圖2.1城市軌道交通供電系統(tǒng)圖 圖 2.2 直流牽引供電系統(tǒng)圖饋電線連接牽引變電所和接觸網(wǎng)的導(dǎo)線，把經(jīng)牽引變電所變換成合乎牽引制式用的電能饋送給接觸網(wǎng)。 接觸網(wǎng)一種懸掛在軌道上方但與之保持一定距離的鏈形或單導(dǎo)線的輸電網(wǎng)。電力機(jī)車的受電弓和接觸網(wǎng)滑動(dòng)接觸取得電能。工作特點(diǎn)是：沒有備用，無法應(yīng)用備用措施，一旦接觸網(wǎng)故障，整個(gè)供電區(qū)間全部停電；由于經(jīng)常處于動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)與受電器的機(jī)械作用，使接觸網(wǎng)在這些震動(dòng)、摩擦、電弧、污染等狀態(tài)中發(fā)生故障的可能性較一般電力線路的故障率高很多；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)要求高，對(duì)接觸導(dǎo)線的高度和拉力、定位器的坡度、接觸網(wǎng)的彈性與均勻度都有定量要

17、求。接觸網(wǎng)有如下要求：氣候條件良好；接觸網(wǎng)強(qiáng)度高、安全可靠；結(jié)構(gòu)輕巧、零部件互換性強(qiáng)；要采取耐腐蝕和防污穢技術(shù)；接觸網(wǎng)有較好的彈性，接觸線等部位有較好的耐磨性。從結(jié)構(gòu)形式可以分為接觸軌式（沿走形地鐵一側(cè)平行鋪設(shè)的附加第三軌）和架空式（架設(shè)在走行地鐵上部的接觸網(wǎng)，又分為地面架空式和隧道架空式）。  回流線連接導(dǎo)軌和牽引變電所主變壓器接地相之間的導(dǎo)線，是將軌道、地中的回路電流導(dǎo)入牽引變電所。  除了以上部分外，還有分區(qū)所、開閉所。在電氣化鐵道上，為了提高運(yùn)行的可靠性，增加供電供電工作的靈活性，在相鄰兩變電所供電的相鄰兩供電分區(qū)的分界處常用分相絕緣器斷開。在單線單邊供電區(qū)段，相鄰

18、兩供電臂之間僅設(shè)分相絕緣器和旁路隔離開關(guān)以實(shí)現(xiàn)臨時(shí)的越區(qū)供電。開閉所即單相開關(guān)站，其中只有配電設(shè)備而無牽引變壓器，僅用于接受和分配電能。有時(shí)，地鐵直流牽引變電所與向車站、區(qū)間供電的降壓變電所合并，形成牽引、降壓混合變電所，此時(shí)，主電路結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)備與一般的直流牽引變電所不同，直流牽引變電所間距僅為幾千米，所以一般不設(shè)分區(qū)所和開閉所。  2.3 供電方式  2.3.1 地鐵供電制式  根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)和我國相關(guān)規(guī)定，近年來各個(gè)國家和地區(qū)修建的地鐵均采用兩種供電制式4,5：  (1) DC750V第三軌受電制式  標(biāo)稱額

19、定電壓為直流750V，允許電壓波動(dòng)范圍為500V900V。地鐵的傳統(tǒng)供電方式是三軌方式，第三軌由高導(dǎo)電率的特殊軟鋼制成，沿線路平行架設(shè)于軌道的外側(cè)，地鐵車輛的受流靴與其接觸受電。這種制式的歷史悠久，在國內(nèi)外應(yīng)用較廣泛，如前蘇聯(lián)、一些東歐國家、法國、新加坡等以及我國的北京和天津地鐵就采用的這種方式。  (2) DC1500V架空接觸網(wǎng)受電制式  標(biāo)稱額定電壓為直流1500V，允許電壓波動(dòng)范圍為1000V1800V。由于采用了較高的供電電壓，使接觸網(wǎng)的饋電電流降低，從而便于采用架空接觸網(wǎng)的型式來輸送電流，也相應(yīng)地改善了受流環(huán)境，提高了受流質(zhì)量。DC1500V架空接觸有

20、柔性接觸和剛性接觸兩種。剛性接觸的主要優(yōu)點(diǎn)是：剛性匯流排和接觸線軸向無張力，不存在斷排或斷線的可能，安全可靠，對(duì)土建承力要求低。其匯流排銅當(dāng)量截面約為1400mm2，載流截面大，因此無需架設(shè)輔助饋線。由于結(jié)構(gòu)緊湊，可以減少隧道凈空尺寸。剛性懸掛由于無張力，錨段關(guān)節(jié)處無需傳統(tǒng)重力式的下錨裝置。在接觸網(wǎng)分段處、道岔處安裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，隧道無需局部開挖，尤其是復(fù)式交分道岔處安裝裝配要簡(jiǎn)單得多。剛性懸掛基本無維護(hù)或者少維護(hù)，方便運(yùn)營，降低運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用。  架空接觸網(wǎng)廣泛應(yīng)用于國鐵、城市有軌及無軌電車、工礦企業(yè)的電氣化有軌運(yùn)輸以及進(jìn)入七十年代以后修建的城市地鐵中，如日本、韓國、香港及我國上海和廣州地鐵就采用該種供電方式。  由于電氣特性方面DC1500V系統(tǒng)有較明顯的優(yōu)勢(shì)，并且安全性較好，近年DC1500V架空接觸網(wǎng)制式在一些國家的地鐵建設(shè)中應(yīng)用較多，可以說這種制式近來發(fā)展較快，代表了地鐵供電