電氣化鐵路供電系統(tǒng)（課堂PPT）

1、 電氣化鐵路供電系統(tǒng)電氣化鐵路供電系統(tǒng) 將電能從電力系統(tǒng)傳送到電力機車的電力設備，總稱為電氣化鐵道的供電系統(tǒng)。牽引供電系統(tǒng)主要包括牽引變電所和接觸網兩部分。 一，電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)設置 供電系統(tǒng)示意圖 圖3-53 電力牽引系統(tǒng)的組成 發(fā)電廠(1)發(fā)出的電流，經升壓變壓器(2)提高電壓后，由高壓輸電線(3)送到鐵路沿線的牽引變電所(4)。在牽引變電所里把電流變換成所要求的電流或電壓后，經饋流線(5)轉送到鄰近區(qū)間和站場線路的接觸網(6)上供電力機車使用。 （1）定義 牽引變電所是設置于電氣化鐵路沿線，安裝有受電、變電、配電設備的建筑物。 1 牽引變電所 （2）任務 牽引變電所的任務是將電力系

2、統(tǒng)高壓輸電線輸送來的110千伏（或220千伏）的三相交流電，變壓為27.5千伏的單相交流電，向其鄰近區(qū)間和所在站場線路的接觸網送電，保證可靠而又不間斷地向接觸網供電。 （3）設備 在牽引變電所里，主要設有主變壓器、電壓互感器、電流互感器、高壓斷路器、各種高壓隔離開關以及避雷器等電氣設備。 （4）牽引變電所的供電安全 a）電網向牽引變電所供電：我國電氣化鐵路為國家一級電力負荷。因此，每個牽引變電所都采用兩路輸電線供電，且兩路輸電線有各自的桿塔、走線，以保證在一路輸電線發(fā)生故障時，牽引變電所供電不致于長時間中斷。牽引變電所內還裝有各種控制、測量、監(jiān)視儀表和繼電保護裝置等。 b)牽引變電所向接觸網供

3、電：目前。供電方式有兩種，即單邊供電和雙邊供電。在單邊供電方式下，接觸網在相鄰兩個牽引變電所之間的中央部位是斷開的，將兩個牽引變電所之間的接觸網分成為兩個供電分區(qū)，電力機車只從一個牽引變電所取用電能。單邊供電的操作和保護都比較簡單，故障范圍也比較小，所以我國電氣化鐵路接觸網普遍采用單邊供電方式。 通常，將接觸網、鋼軌、回流線構成的線路稱為牽引網。接觸網和鋼軌是牽引網的主體。 2 牽引網 接觸網（圖3-54）是架設在電氣化鐵路上空，向電力機車供電的一種特殊形式的輸電線路，其質量和工作狀態(tài)直接影響電氣化鐵路的運輸能力。 接觸網根據(jù)其接觸懸掛類型，可以分為簡單接觸懸掛和鏈形接觸懸掛兩類。圖3-54

4、接觸網 鏈形接觸懸掛是將接觸導線通過吊弦掛在承力索上。 簡單接觸懸掛是將接觸導線直接固定在支持裝置上的懸掛類型。 圖3-56 簡單接觸懸掛圖3-55 鏈形接觸懸掛二牽引供電系統(tǒng)原理概述圖1、牽引供電系統(tǒng)示意圖牽引供電系統(tǒng)的主要組成部分： 電源進線、牽引變壓器、高壓開關設備、導線、絕緣子、電壓互感器、電流互感器、避雷器、饋出線等。 牽引供電系統(tǒng)主要指標 供電電壓：27.5kV，227.5kV 供電頻率：50Hz 變電所間距：4050km（直供方式） 80100km（AT方式） 相數(shù)：單相主要的牽引供電方式： 直供方式、BT供電方式、AT供電方式等。 AT供電方式的優(yōu)點：供電距離長、通信干擾小、供

5、電功率大等。 目前常速電氣化鐵路的供電方式多為直供+回流線的方式，高速和重載電氣化鐵路多采用AT供電方式對牽引供電系統(tǒng)的基本要求： 可靠性：一級負荷、電源為雙電源、電源接入電壓等級高（110kV、220kV、330kV）、兩座主變壓器、饋出斷路器備用?？煽啃员∪醐h(huán)節(jié)：接觸網系統(tǒng)（無備用、在運動中列車作用下容易發(fā)生故障）。彌補措施：必要時實施越區(qū)供電（越區(qū)供電時，由于供電能力不足，列車無法按正常運行圖運行）。 供電能力：滿足在不同牽引工況下電能的輸送。關鍵點：牽引供電臂末端電壓水平。 運行方式的靈活性：在確保供電的前提下，為設備的檢修、運行方式的調整等提供靈活的操作方式。改變運行方式的動作迅速。

6、 完備的確保一次系統(tǒng)運行可靠性的措施。目前牽引供電系統(tǒng)面臨的主要問題： 諧波問題 負序電流問題 功率因數(shù)問題 機車過分相問題 接地問題 繼電保護問題 弓網關系問題 絕緣配合問題 電磁兼容問題諧波問題 無論是整流型機車，還是交-直-交機車，都會向供電系統(tǒng)注入諧波電流，前者注入的是低頻的諧波電流（以3、5、7次諧波為主），后者注入的是高頻的諧波電流（以15到21次諧波為主）。 諧波電流注入供電系統(tǒng)帶來的危害：1、對通信設備（系統(tǒng)）、控制設備（系統(tǒng)）的可靠性帶來不利因素； 2、降低用電設備的運行效率。諧波問題 整改措施：在牽引變電所增加濾波器（單調諧濾波器、高通濾波器），存在增加投資的問題。 限制：

7、諧波電流問題一直是鐵路部門和電力部門之間爭論的焦點問題。負序電流問題 牽引供電系統(tǒng)的負荷為單相負荷，導致從電力系統(tǒng)三相去用的電能不平衡，從而向電力系統(tǒng)注入負序電流。 負序電流的危害：降低用戶電能的利用率，引起用戶旋轉電機轉子表面溫升過高。 整改措施：牽引供電系統(tǒng)采用換相方式接入電力系統(tǒng)，采用新型供電方式。 限制：電力部門一直在對牽引供電系統(tǒng)注入電力系統(tǒng)的負序電流進行限制。功率因數(shù)問題 列車從牽引供電系統(tǒng)取用的電能會隨著列車牽引定數(shù)、路況（限坡、彎道）、運行圖、司機操作技術等因素的影響，因此改變列車取用的有功功率和無功功率，導致功率因素發(fā)生變化。 電力部門要求大工業(yè)用戶的功率因數(shù)達到0.9以上，

8、高出部分獎勵、低于該數(shù)值將罰款。 整改措施：加功率因數(shù)補償裝置，困難在于負荷波動導致功率因數(shù)大范圍波動，難以達到理想的補償效果。 交-直-交機車的功率因數(shù)基本接近1.0。 但我國電氣化鐵路仍然存在大量的交-直機車，所采用的功率因數(shù)動態(tài)補償裝置由于電力電子技術、器件造價等問題，仍然無法大規(guī)模應用。機車過分相問題 在牽引變電所中，通常是把電力系統(tǒng)的電能由高壓降低為牽引供電系統(tǒng)所需要的電壓，同時把三相系統(tǒng)轉變?yōu)閮上嘞到y(tǒng)，該兩相系統(tǒng)分別向牽引變電所兩側供電，因此，列車在通過某些點時，需要從一相（如a相）過渡到另外一相（如b相），在這兩相之間需要設置一個絕緣斷口，這就是電分相。 與之相關的還有電分段，在

9、同相之間設置的絕緣斷口。 機車在過電分相時，其過程可舉例說明為：受電弓由帶電的接觸導線（a相）滑入中性段，中性段由兩臺斷路器分別連接到分相兩側的帶電部分，在機車進入中性段時，先使中性段帶電（a相），當機車接近分相另一側帶電導線（b相）時，斷開a相電，延時使中性段帶b相電，保證機車順利運動到b相。 機車過電分相時出現(xiàn)的電磁現(xiàn)象： 1、中性段（或機車）斷電時出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，其過電壓水平有時能達到擊穿接觸導線絕緣子的數(shù)值，出現(xiàn)的電弧有可能燒損接觸網吊弦； 2、機車重新帶電時，出現(xiàn)過電流現(xiàn)象，其過電流水平有可能達到機車正常運行電流的5-7倍，過流有可能損害設備的正常壽命、影響繼電保護動作正確性。機車自

10、動過電分相的幾種方式： 地面控制方式：在機車到達分相前，地面控制系統(tǒng)發(fā)出對斷路器合閘的命令，使中性段帶電，在機車運行到中性段某一位置后，地面控制系統(tǒng)對斷路器分閘的命令，并延時發(fā)出對另外一臺斷路器的合閘命令，在機車脫離中性段后，對斷路器分出分閘命令。 車上控制方式：工作原理與地面過電分相基本相同，所不同的是檢測和控制系統(tǒng)安裝在機車上。 柱上控制方式：中性段由若干相互斷開的段構成，利用機車運行進入中性段或離開中性段時電流的變化自動合上或分開相應的斷路器。 機車過電分相的問題在常速電氣化鐵路中并不突出，原因之一是列車的速度較低，但在高速電氣化鐵路中將不容忽視。接地問題 接地問題也是隨著列車的提速而逐

11、步涌向出來。 高速和重載電氣化鐵路的主要特點（與供電系統(tǒng)相關）有： 1、機車取流越來越大，機車的電流在經過整流變壓器后進入鋼軌和大地，大的取流電流有可能抬升軌道電位，使跨步電壓達到危害相關設備和人員安全的水平； 2、供電系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)處的短路容量大，這使得牽引供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時的短路電流大大增加，在同樣的泄流通道上產生的軌道電位抬升和跨步電壓水平將大大提高。 3、新型的軌道電路應用要求鋼軌對地的阻抗要足夠大，這使得軌道對地電壓水平難以降低。接地的目的： 1、泄流（雷電流、工頻電流）； 2、限制地電位、相關設備電位升高，確保人員、設備安全。接地系統(tǒng)的評估指標： 1、接地電阻； 2、軌道電位

12、、跨步電壓。對接地系統(tǒng)要求的技術指標：歐標規(guī)定接觸電壓和軌道電位値（EN50122-1）系統(tǒng)狀態(tài) 接觸電壓允許値（V） 軌道電位（V）正常運行 60 120狀態(tài)下（t300s）正常運行 65 130狀態(tài)下（t=300s）故障狀態(tài) 842 1684下（t=100ms）降低軌道電位的技術措施： 降低鋼軌泄漏電阻； 設置橫連線，將上下行鋼軌充分橫向連接； 上下行各架設保護線，在鋼軌與保護線間每隔一定距離做橫向連接； 利用接觸網支柱基礎作接地極； 沿線增設綜合接地線，與鋼軌、保護線充分連接； 利用線路本身、線路旁建筑和結構等自然接地體接地； 設幾種接地極。 降低軌道電位的技術措施實現(xiàn)的困難： 1、改變

13、鋼軌泄漏電阻、設置橫連線，將上下行鋼軌充分橫向連接、上下行各架設保護線，在鋼軌與保護線間每隔一定距離做橫向連接等技術措施的采取必須考慮對軌道信號電路的傳輸信號距離的影響； 2、降低接地電阻是確保大電流泄流的有效技術措施，但受環(huán)境因素影響很大，如土壤電阻率、設置接地網處的地理環(huán)境、接地極布置方式、降阻劑對環(huán)境的影響及有效期等。 實現(xiàn)限制軌道電位和接觸電壓的有效技術手段是綜合接地技術的應用。 綜合接地技術特點可以歸納為： 充分利用各種地形、自然接地體、結構，以達到降低泄流通道電阻的目的。繼電保護問題 繼電保護裝置（系統(tǒng)）是一種能自動檢測故障特征、完成對故障的定位并依據(jù)一定的規(guī)則把故障影響限制（對故

14、障部分斷電）在一定范圍內的自動化裝置（系統(tǒng)）。 繼電保護面臨的問題：牽引供電系統(tǒng)供電方式的改變；故障和特征信息的改變；計算方法與電氣化鐵路變化的更新；在綜合自動化系統(tǒng)中的集成等。 牽引供電方式的改變：1）新的牽引變壓器接線的應用，使得繼電保護工作原理發(fā)生變化，這種變化沒有運行經驗的支持，必須通過對牽引新型牽引變壓器的試驗、分析計算逐步完善對新型牽引變壓器電磁關系的認識。2）新型供電方式的應用，使得原有的供電系統(tǒng)模型發(fā)生變化，而這種變化由于影響因素較多，難以通過獲得精確的模型拓撲結構和參數(shù)，使繼電保護的工作參數(shù)存在偏差，這需要通過試驗、分析計算完善模型。 機車類型和負荷特征的變化：1）整流型機車

15、正常運行是，牽引電流中存在著明顯的3、5、7次諧波，而交-直-交機車運行時只存在較高頻的諧波，兩者負荷特征也存在差別，這需要對機車各種運行工況下的負荷特征進行研究，以改變原有繼電保護區(qū)分負荷和短路電流的方法；2）故障特征和正常負荷特征的區(qū)分方法需要新的計算規(guī)則的支持。 高速電氣化鐵路對綜合自動化系統(tǒng)提出了更高的要求：更高的可靠性、納入綜合調度系統(tǒng)。這影響到繼電保護系統(tǒng)在綜合自動化系統(tǒng)中的集成。 在綜合自動化系統(tǒng)中，繼電保護裝置（系統(tǒng)）與其它設備交換的信息通過網絡完成，調度系統(tǒng)的需求不同，會影響到繼電保護裝置（系統(tǒng)）的通信接口技術、通信規(guī)約等方面。弓網關系問題 接觸網系統(tǒng)是無備用系統(tǒng)。 機車通過

16、受電弓與接觸網滑動連接，取得電能。 機車在運動過程中，存在不同方向的振動，這些振動通過受電弓傳遞到接觸網，接觸網隨之振動。 良好的弓網關系是接觸網振動特性和受電弓振動特性一致，兩者之間為一各隨動系統(tǒng)，使接觸網和受電弓保持良好的接觸。問題： 1、接觸網的振動特性受到很多因素的影響，如導線的材料、接觸網的結構形式等，使得受電弓與接觸網之間存在短暫的脫離現(xiàn)象（離線），當受電弓與接觸網處于離線狀態(tài)時，將出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象； 2、列出運行速度的提高，突出了一些新的問題，如硬點、拉弧電流幅值以及離線率。解決手段： 1、改變接觸網懸掛方式； 2、改變接觸網結構及材料； 3、優(yōu)化布置； 4、新的檢測技術； 5、新的施工技術和維護手段。 絕緣配合問題 高壓設備的帶電部分與設備外殼、大地之間需要絕緣，不同電壓等級、不同相別的高壓設備之間也需要絕緣。 絕緣配合，就是在一個供電系統(tǒng)中，由于存在眾多的絕緣部分，通過對各部分絕緣水平（耐工頻