高速鐵路牽引供電系統組成

1、高速鐵路牽引供電系統電氣化鐵路的組成由于電力機車本身不帶原動機，需要靠外部電力系統經過牽引供電裝置供給其電能，故電氣化鐵路是由電力機車和牽引供電系統組成的。牽引供電系統主要由牽引變電所和接觸網兩部分組成， 所以人們又稱電力機車、牽引變電所和接觸網為電氣化鐵道的三大元件。一、電力機車（1） 工作原理電力機車靠其頂部升起的受電弓和接觸網接觸獲取電能。電力機車頂部都有受電弓，由司機控制其升降。受電弓升起時，緊貼接觸網線摩擦滑行，將電能引入機車，經機車主斷路器到機車主變壓器，主變壓器降壓后，經供電裝置供給牽引電動機，牽引電動機通過傳動機構使電力機車運行。（2） 組成部分電力機車由機械部分（包括車體和轉

2、向架） 、電氣部分和空氣管路系統構成。車體是電力機車的骨架，是由鋼板和壓型梁組焊成的復雜的空間結構，電力機車大部分機械及電氣設備都安裝在車體內，它也是機車乘務員的工作場所。轉向架是由牽引電機把電能轉變成機械能，便電力機車沿軌道走行的機械裝置。它的上部支持著車體，它的下部輪對與鐵路軌道接觸。電氣部分包括機車主電路、輔助電路和控制電路形成的全部電氣設備，在機車上占的比重最大，除安裝在轉向架中的牽引電機之外，其余均安裝在車頂、車內、車下和司機室內?？諝夤苈废到y主要執(zhí)行機車空氣制動功能，由空氣壓縮機、氣閥柜、制動機和管路等組成（3） 分類干線電力牽引中，按照供電電流制分為：直流制電力機車和交流制電力機

3、車和多流制電力機車。交流機車又分為單相低頻電力機車（25Hz或16 2/3Hz）和單相工頻（50Hz）電力機車。單相工頻電力機車，又可分為交-直傳動電力機車和交 直 交傳動電力機車。二、牽引變電所牽引變電所的主要任務是將電力系統輸送來的 110kV 三相交流電變換為（或55）kV 單相電，然后以單相供電方式經饋電線送至接觸網上，電壓變化由牽引變壓器完成。電力系統的三相交流電改變?yōu)閱蜗啵峭ㄟ^牽引變壓器的電氣接線來實現的。牽引變電所通常設置兩臺變壓器，采用雙電源供電。以提高供電的可靠性。變壓器的接線方式目前采用的有三相Yd11接線，單相V/V接線，單相接線以及三相-兩相斯科特變 壓器。牽引變電所

4、還設置有串聯和并聯的電容補償裝置，用以改善供電系統的電能質量，減少牽引負荷對電力系統和通信線路的影響。三、 牽引供電回路電力牽引供變電系統是指從電力系統接受電能，通過變壓，變相后，向電力機車供電的系統。 牽引供電回路是由牽引變電所、饋電線、接觸網、電力機車、鋼軌、地或回流線構成。 另外還有分區(qū)亭、開閉所、自耦變壓器站等。（一）開閉所（SSP）電力牽引系統中的開閉所，實際上是起配電作用的開關站開閉所就是高壓開關站，實際上從嚴格意義上講是 “高壓配電 ”站，僅僅起配電作用，實現環(huán)網供電、雙路互投等功能。當樞紐地區(qū)的供電，分為“由里向外供”和“由外向里供”兩種方式，前者在樞紐內設置牽引變電所。后者在

5、樞紐內不設牽引變電所，為了增加樞紐地區(qū)供電的可靠性和縮小事故的影響范圍，一般設開閉所。AT供電方式時，供電臂較長，在供電臂中部也設開閉所。開閉所應有來自不同牽引變電所的 （單線區(qū)段） 或同一牽引變電所的不同饋線段（復線區(qū)段）的兩回進線。開閉所應盡量設置在樞紐地區(qū)的負荷中心處，以減少饋線的長度和饋線與接觸網的交叉干擾。（二）分區(qū)亭（SP）為了增加供電的靈活性，提高運行的可靠性，在兩個牽引變電所的供電區(qū)間常加設分區(qū)亭。分區(qū)亭常用于牽引網為雙邊供電，或復線區(qū)段牽引網為單邊供電，但上下行接觸網在末端并聯時。這時，分區(qū)亭起到平時將兩個供電臂或上下行接觸網聯絡起來的作用，這樣，當事故發(fā)生時，可縮小停電范圍

6、和實現越區(qū)供電。（三）自耦變壓器站電力牽引供電系統如采用自耦變壓器供電方式時，在沿線每隔 10-15 公里設置一臺自耦變壓器。設置時盡量將自耦變壓器設于沿鐵路的各站場上。同時，盡量與分區(qū)亭、開閉所合并，以便于運行管理。（四）牽引網牽引網是由饋線、鋼軌回流線、接觸網組成的雙導線供電系統，完成對電力機車的送電任務。BT供電方式時，還要有回流線。AT供電供電方式時，還有正饋線和保護 線。饋線：接在牽引變電所牽引母線和接觸網之間的導線，即將電能由牽引變電所引向電氣化鐵路。接觸網：一種特殊的輸電線，架設在鐵路上方，機車受電弓與其磨擦受電。回流線：牽引變電所處的橫向回流線，它將軌或與軌平行的其它導線與牽引

7、變壓器指定端子相聯。分相絕緣器 （電分相）：串在接觸網上，目的是把兩相不同的供電區(qū)分開，并使機車光滑過渡，主要用在牽引變電所出口處和分區(qū)處。分段絕緣器 （電分段）：分為縱向電分段和橫向電分段，前者用線路接觸網上，后者用于站場各條接觸網之間。通過其上的隔離開關將有關接觸網進行電氣連通或斷開，以保證供電的可靠性、靈活性和縮小停電范圍等。供電分區(qū)：正常供電時，由牽引變電所饋線到接觸網末端的一段供電線路，也稱為供電區(qū) 。電氣化鐵路的供電方式一、電力系統對牽引變電所的供電方式電力系統向牽引變電所供電的方式可分為單電源供電，雙電源供電和混合供電。當同一電氣化區(qū)段有不同那個的電力系統功能供電時，在牽引網的分

8、界處，應設置分相電分段而不應并聯。牽引變電所設置兩臺變壓器，它要求雙電源供電。1. 牽引變電所一、牽引變電所高壓進線的主接線方案（一）牽引變電所主接線的要求1、牽引變壓器的接線方式不同，對主接線的影響較大。2、在滿足可靠性的情況下，應盡量采用簡單的接線形式，一般一雙T 接線為主。3、雙T 接線雖然要求雙回路進線，但可根據電氣化鐵路的重要程度和運量大小而采用手動投入或自動投入備用回路。當變電所的雙回路進線中，主回路發(fā)生故障時，備用回路應投入。當采用手動投入時，將有一段停電時間（幾數分鐘到幾十分鐘），但可使主接線簡化，考慮到110kV線路故障率較低，而且220 kV及更高系統逐步形成之情況下，這種

9、接線方式得到了普遍應用。4、對于重要電氣化區(qū)段，可采用自動投入或雙回路主供。5、接觸網的故障率較高，要求kV 側饋線斷路器能承受較高的跳閘次數或有足夠的備用。（二）單母線分段接線1、單母線分段接線當牽引變電所除了 110kV兩回電源引入線外，還有別的引出線的時候，通常采用此種方式。正常運行時，分段斷路器閉合，兩母線并列運行，電源回路和同一負荷的 饋線應交錯連接在不同的分段母線上，分段斷路器既能通過穿越功率，又可在必要的 時候將母線分成兩段，這樣，當母線檢修時，停電范圍可縮小一半；母線故障時，分 段斷路器自動跳閘，將故障段母線斷開，非故障段母線及其線路仍照常工作，僅使故 障段母線連接的線路停電。

10、單母線分段的接線，廣泛用于城市電牽引變電所和110Kv電源進線回路較少的電牽引供電系統。2、單母線帶旁路母線接線單母線分段的接線雖然有上述優(yōu)點，但是，還是存在斷路器檢修或故障時將使有 關回路停電的缺陷，為此，增設一組旁路母線，組成帶旁路母線的單母線接線即 可解決這一矛盾。采用為檢 一回 中（三）橋型接線當110Kv側有兩回進線且需要穿越功率時, 橋型接線。1、內橋接線內橋接線中帶有隔離開關構成的外跨條，作 修橋斷路器時旁路用。該接線的特點是線路中有 故障，不影響供電。但變壓器故障時，造成線路 斷?？紤]到變壓器故障率比進線故障少，因此這 種接線可加強牽引負荷供電的可靠性而對電力系統不會帶來多大影

11、響，目前采用較 多。由于解裂變壓器也會造成線路中斷，所以如需經常操作主變壓器的場合，不宜采 用內橋接線。2、外橋接線該接線的特點是變壓器故障不影響線路，變壓器的投入和切除方便，線路穿越功 率只經過橋斷路器，但線路故障時影響一臺變壓器的供電，這種接線往往用于電力系 統中比較重要的系統聯絡線上。（四）雙T接線雙T接線是目前采用比較普遍的一種接線方式，它在變電所要求兩回進線時采 用。一般情況下，其中一回引自電源點的專用間隔，另一回進線可從電力系統的各供 電線路上連接。雙T接線比上述兩種接線形式都簡單，雙回進線都在供電要求不高的 場合，采用一回助攻，另一回備用。若兩回進線都能作主供回路，并能作為互為備

12、用，則可消去外跨條，使接線更為簡單。在供電要求高的場合，應優(yōu)先采用兩回進線 都能作為主供的方案。第五節(jié) 高速鐵路牽引供電系統介紹由于電力機車功率大， 拉的多， 跑的快， 世界各國的高速鐵路幾乎都采用電力機車牽引。電力機車與蒸汽機車和內燃機車不同，它本身不帶能源，必須由外部供應電能。為了給電力機車供應電能， 需要在鐵路沿線架設一套牽引供電系統。 高速鐵路的牽引供電系統， 與常速鐵路的牽引供電系統不同， 它的供電能力和供電可靠性必須滿足高速列車運行的要求。自 1964 年 10 月 1 日，日本建成世界上第一條高速鐵路以來，經過幾十年的實踐和發(fā)展， 各國高速鐵路的牽引供電系統都有了很大的改進， 達

13、到了很高的水平， 而且都各具特色。 最具有代表性的是日本、 法國和德國高速鐵路的牽引供電系統。 高速鐵路的牽引供電系統主要包括牽引供電和接觸網兩大部分。 下面就其采用的主要技術標準做一簡 單的介紹。1牽引供電部分（ 1）牽引供電方式：高速鐵路要求接觸網受流質過高，分段和分相點數量少。目前各國大多采用自耦變壓器（AT）供電方式和帶回線的直接（RT）供電方式。自耦變 壓器（AT）供電方式是每隔10km左右在接觸網與正饋線之間并聯接入一臺自耦變壓器, 其中性點與鋼軌相連。 自耦變壓器將牽引網的供電電壓提高一倍， 而供給電力機車的電壓仍為25 kV,如圖所示。帶回線的直接（RT）供電方式是在接觸網支柱

14、上架設一條與鋼軌并聯的回流線， 如圖所示， 利用接觸網與回流線之間的互感作用， 使鋼軌中的電流盡可能地由回流線流回牽引變電所，因而能部分抵消接觸網對鄰近通信線路的干擾。自耦變壓器（AT）供電方式帶回線的直接（RT）供電方式日本、法國采用 AT 供電方式；德國、意大利和西班牙采用 RT 供電方式。 AT 供電方式的優(yōu)點是：供電質量高,變電所數量少,便于牽引變電所選址和電力部門的配合,牽引變電所間距大、分相點少。因此，便于高速列車運行，防干擾效果也好。我國京滬高速鐵路牽引供電優(yōu)先采用2X25kV （AT）供電方式。（ 2）電源電壓等級：高速鐵路負荷電流大，對電力系統的不平衡影響也大。為了減少對電力

15、系統的影響， 高速鐵路一般都采用較高的電源電壓。 日本采用154kV、 220kV和 275kV 三種電壓等級，法國采用 225kV 電壓等級，德國采用 110kV 電壓等級，意大利采用130kV電壓等級，西班牙采用132kV和220kV兩種電壓等級。（ 3） 接觸網電壓：接觸網的電壓對電力機車功率發(fā)揮及機車運行速度有很大影響，而且直接關系到牽引供電設備技術參數的選定和供電系統的工程投資， 各國都非常重視這一技術標準。日本接觸網的標準電壓為 25kV,最高電壓為30kV,最低電壓為。法國分別為25kV、 和 18kV。 德國分別為15kV、 17kV 和 12kV。 西班牙分別為25kV、 和

16、 19kV。意大利采用直流供電，分別為3kV 、和2kV。 我國京滬高速鐵路接觸網的標稱電壓為25kV， 長期最高電壓擬定為， 短時（ 5min） 最高電壓為29kV， 設計最低工作電壓為20kV。（ 4）牽引變壓器接線形式：牽引變壓器是牽引供電系統中最重要的設備。它對牽引供電系統和工程投資起決定性的影響， 不同類型的牽引變壓器對電力系統產生不同的不平衡影響。日本采用斯科特接線和變形伍德橋接線三相變壓器。法國、德國、意大利和西班牙采用單相變位器。 單相變壓器的優(yōu)點是變壓器容量大、 利用率高、 經濟效果好，最適合在高速鐵路上應用。我國京滬高速鐵路應優(yōu)先采用單相變壓器。（ 5）牽引變電所繼電保護和

17、自動控制裝置：日本、法國、德國及西班牙高速鐵路的牽引變電所均按無人值班設計， 采用運動裝置在電力調度中心監(jiān)控。 牽引變電所的繼電保護和自動控制系統仍采用傳統的控制保護盤方式， 微機控制保護和全部自動化等技術都還沒有采用。 但在保護系統的配置、 繼電器的特性、 控制回路的聯動等方面比較先進，系統的安全性和可靠性也比較高。（ 6）電力調度和運動系統：日本列車運行指揮中心集列車、車輛、信號、牽引供電、防災報警、旅客服務等多種業(yè)務調度為一體，構成一個綜合調度處理系統。電力調度及運動是其中的一個子系統。 法國高速鐵路的綜合調度系統由行車調度和電力調度組成。 德國和西班牙高速鐵路的牽引供電調度及運動系統則

18、是一個設在調度中心的獨立系統。 由調度所對高速線上所有開關設備和接觸網柱上開關進行遙控。 為了便于列車調度指揮，電力調度和運動系統集中設在行車調度室內。為2><接觸網額定電壓為25kV,長期最高電壓為，短時（5min）最高電壓為29kV, 設計最低工作電壓為20kV。9 接觸網采用上、下行同相單邊供電，供電臂末端設分區(qū)所，在正常情況下實現上、 下行接觸網并聯供電， 在事故情況下實現越區(qū)供電， 允許全部列車在減速條件下通過。當采用 AT 供電方式時， AT 所處的上、下行接觸網也實行并聯。10 供電設備的容量一般按近期客運量的高峰小時牽引負荷進行選擇；接觸網上行或下行單獨供電時，應滿

19、足最低工作電壓要求。11 負序和諧波對電力系統的影響應符合有關標準的規(guī)定。二、牽引網供電方式京滬高速鐵路是由不同速度等級的動車組混跑的客運專線（在近、遠期逐步加大350km/h及以上動車組數量和運行范圍），最高速度為350380km/h的高速動車組采用 大功率流線型交-直 -交動車組。AT 供電方式具有適應高電能傳輸的能力，同時可以降低對接觸懸掛載流量的要求和減輕牽引網電流密度， 并有利于大運量客運專線接觸網的輕型化和系統匹配設計。 牽引網供電方式采用 AT 供電方式后在供電能力、減少電分相、改善電磁環(huán)境和降低外部電源投資等方面的優(yōu)勢均比較明顯， 對于京滬高速鐵路長距離、 高速度、 高密度和重

20、負荷的情形尤其適宜；因此高速正線的牽引供電系統應采用2X25kV AT供電方式，樞紐地區(qū)高中速聯絡線、動車組走行線和動車段（所）等采用 1>25kV帶回流線的直接供電 方式。三、牽引變電所、開閉所、分區(qū)所和 AT 所分布在京滬高速鐵路的電氣化工程中，牽引變電所 （SS）開閉所（SSP）分區(qū)所（SP和AT 所（ATP）的分布方案除根據上述主要設計原則及技術條件外，還應考慮負荷特點、變電 設施規(guī)模和牽引網結構等。由于京滬高速鐵路的高、中速列車均采用交-直-交動車組，列車在各種工況下的功率因數較高， 牽引網末端電壓水平不再是制約牽引變電所間距的 主要因素； 而牽引網各導體的載流量和電力系統的負

21、序承受能力成為限制牽引變電所間 距的主要因素。根據前期牽引計算及方案論證的結論，京滬高速鐵路全線分別在李營（北京動車段） 、魏善莊、豆張莊、華苑、唐官屯、滄州、東光、德州、禹城、濟南、泰山、王莊、東郭、周營、徐州、桃溝、固鎮(zhèn)、蚌埠、桑澗、滁州、南京南、下蜀、丹陽、鄭陸、無錫、昆山和虹橋設27 座牽引變電所，在每座牽引變電所內均不設自耦變壓器。在 AT 供電區(qū)段的分區(qū)所內設置上、下行自耦變壓器，且自耦變壓器互為備用；在AT 供電區(qū)段內，各牽引變電所的左右供電臂中間附近共設50 處 AT 所， AT 所內設置上、 下行自耦變壓器， 且自耦變壓器互為備用。 在北京南站和天津西站附近各設1 處分區(qū)所兼

22、開閉所。在京滬高速鐵路的電氣化工程中， 除新建李營牽引變電所為直接供電方式的變電所外，其余均為AT供電方式的牽引變電所。高速正線接觸網除北京南魏善莊牽引變電 所和在本線初期虹橋牽引變電所虹橋段采用帶回流線的直接供電方式外，其余均采用AT 供電方式； 各樞紐和地區(qū)內的高中速聯絡線、 動車組走行線及動車段 （動車運用所） 車場線均采用帶回流線的直接供電方式。在正線貫通方案上，牽引變電所的平均間距為，最大間距為，供電臂最大長度為。四、牽引變壓器類型與容量牽引變壓器是牽引變電所中的關鍵設備，它的結線型式較多，如單相牽引變壓器、三相 V 結線牽引變壓器、平衡型牽引變壓器和三相 Y/ 牽引變壓器等。牽引變

23、壓器類型的選擇應綜合考慮電力系統容量、 牽引負荷對電力系統的負序影響、 安裝容量與基本電價和容量利用率等因素。 由于高速鐵路的牽引負荷具有波動性、 幅值變化大、 采用再生制動后牽引變電所左右兩供電臂更不易平衡等特點， 京滬高速鐵路所采用牽引變壓器的結線型式必須適應這些特點。關于單相牽引變壓器： 它的容量利用率高， 牽引變壓器安裝容量小， 有利于動車組再生能量的利用，但對電力系統的負序影響大，故應在電力系統強大的地方優(yōu)先采用；單相結線具有負荷平穩(wěn)、 電能損耗小、 有效利用列車再生電能、 運營費用低、 結構簡單、可靠性高、 設備數量少、 運營維護方便和工程投資低等優(yōu)點； 另外采用單相牽引變壓器可減

24、少正常運行條件下的接觸網電分相數量，這是其它結線型式的牽引變壓器所不及的。關于三相 V 結線牽引變壓器：在兩臂牽引負荷相等的前提下，三相 V 結線牽引變壓器的負序功率等于牽引負荷功率的50%； 它結構也較簡單， 牽引變電所的每個供電臂可單獨選取所需要的容量， 容量利用率較高； 但正由于該類型牽引變壓器的每相負荷以供電臂為單元，供電范圍小，該類型牽引變壓器的安裝容量比單相牽引變壓器大。從減少接觸網電分相數量、 有利于高速動車組運行和降低工程投資及運營費用的角度來看， 京滬高速鐵路采用單相牽引變壓器是適宜的， 因此牽引變壓器在電力系統條件允許時優(yōu)先采用單相結線。從外部條件來看， 雖然京滬高速鐵路沿

25、線的輸配電網絡較發(fā)達， 牽引變電所的外部電源可以很方便地就近取得220kV 電源；初步調查結果表明：到 2015年時，沿線電力系統的短路容量一般在30007000MVA 之間。由于京滬高速鐵路牽引變電所的牽引負荷較大， 而系統短路容量增長有限和受系統負序承受能力的限制， 牽引變壓器全部采用單相結線型式的難度較大。 在上階段與電力部門協商各牽引變電所的外部電源供電方案時， 仍按單相牽引變壓器考慮； 但沿線電力部門考慮到自身電網的發(fā)展情況以及純單相牽引負荷對發(fā)電廠、 微電子、 精密儀器等高科技加工企業(yè)的負序和諧波等影響， 強烈建議牽引變電所采用三相接入方式。 按國家電網公司和鐵道部關于 京滬高速鐵

26、路等供電工作協調會議紀要 的精神， 除昆山牽引變電所擬與滬寧城際變電所合建、 牽引變壓器暫采用單相結線型式外， 其它變電所中的牽引變壓器需采用 220kV 外部電源供電和三相接入方式，因此在本階段牽引變壓器按采用三相 V 結線型式配置，這樣就保證了牽引變電所主接線在近、遠期的一致性、可擴展性和可實施性。五、接觸網懸掛類型和牽引網導線的電流分配及各種導線的選擇京滬高速接觸網的懸掛類型采用全補償彈性鏈型懸掛。牽引網導線型號的選擇應滿足機械強度和牽引網負荷電流等要求， 牽引網各導線的截面應保證牽引供電系統載流的要求。 在本次京滬高速鐵路牽引供電系統的設計中， 正線接觸線采用合金含量為%的鎂銅接觸導線；正線承力索采用高導電率（80%）銅合金絞線；正饋線、保護線、供電線和回流線等均采用鋁包鋼芯鋁絞線。六、樞紐供電與京滬高速鐵路相關的既有牽引供電設施按沿線樞紐地區(qū)劃分分別包括： 在北京樞 紐設雙橋和豐臺牽引變電所，北京和北京西開閉所；在天津樞紐設南倉、豆張莊、楊柳 青、軍糧城和山嶺子牽引變電所，南倉、天津北和天津西分區(qū)所兼開閉所以及天津開閉 所；在濟南樞紐設濟南西、晏城北和郭店牽引變電所；在徐州樞紐設徐州北和夾河寨牽 引變電所，徐州北和徐州開閉所以及徐州西、 周宅子和高家營分區(qū)所；在南京