高速鐵路牽引供電系統(tǒng)相關(guān)問題的分析與研究畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）13級(jí)電氣化鐵道技術(shù)專業(yè)摘要高速列車與牽引供電系統(tǒng)直接相關(guān),是進(jìn)行牽引供電系統(tǒng)研究的最重要的基礎(chǔ)。為此，文首先對(duì)牽引供電系統(tǒng)組成進(jìn)行了詳細(xì)介紹，然后結(jié)合牽引供電系統(tǒng)供電方式及牽引供電回路的特點(diǎn)，對(duì)牽引供電系統(tǒng)供電分析論證,針對(duì)無(wú)功功率、諧波電流、負(fù)序電流，分析了牽引供電系統(tǒng)存在問題提出了解決辦法。然后提出了理想牽引供電系統(tǒng)，根據(jù)運(yùn)行方式與同相供電系統(tǒng)，研究并分析牽引變電所的(最小)補(bǔ)償容量，并提出研究后的自耦變壓器(AT)供電模式，從而進(jìn)行新型AT供電模式的研究。關(guān)鍵詞：牽引供電系統(tǒng)、牽引變電所、供電系統(tǒng)、供電回路0目錄第1章 緒論11.1 本

2、文研究的目的和意義11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.2.1 概況21.2.2 日本31.2.3 法國(guó)51.2.4 德國(guó)61.3 本文主要工作6第2章 高速鐵路牽引供電系統(tǒng)系統(tǒng)介紹72.1 牽引供電部分72.2 牽引網(wǎng)供電方式92.2.1 直接供電方式92.2.2 吸流變壓器回流線裝置BT92.2.3 自耦變壓器供電方式(AT)102.2.4 帶回流線的直接供電方式(DN)112.3 牽引供電回路12第3章 高速鐵路牽引供電系統(tǒng)相關(guān)問題143.1 鐵道牽引供電系統(tǒng)的組成143.2 鐵道牽引供電系統(tǒng)存在的問題143.2.1 無(wú)功功率143.2.2 諧波電流153.2.3 負(fù)序電流153.2.4 解決方

3、法15第4章 高速鐵路牽引供電發(fā)展的若干關(guān)鍵技術(shù)問題174.1 理想牽引供電系統(tǒng)174.1.1 系統(tǒng)構(gòu)成174.1.2 運(yùn)行過程184.2 現(xiàn)行方式與同相供電系統(tǒng)194.2.1 同相供電系統(tǒng)194.2.2 牽引變電所的(最小)補(bǔ)償容量20致謝21參考文獻(xiàn)221第1章 緒論1.1 本文研究的目的和意義隨著我國(guó)國(guó)門經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，人口城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速，國(guó)際交往急劇增加，旅游事業(yè)日益興旺，誘發(fā)了大量的困運(yùn)需求。人民生活水平的提高，時(shí)間價(jià)值觀念的增強(qiáng)，客觀上提出了發(fā)展高速鐵路客運(yùn)系統(tǒng)的社會(huì)需求。之前國(guó)家批準(zhǔn)鐵道部報(bào)送的中國(guó)鐵路發(fā)展中，長(zhǎng)期規(guī)劃，規(guī)劃中，明確了將建設(shè)四縱，四橫快速客運(yùn)通道，升級(jí)速度喂3

4、50km/h的武漢客運(yùn)專線就是四縱中京廣客運(yùn)通道的重要組成部分。高速客運(yùn)專線的設(shè)計(jì)在我國(guó)相對(duì)完善，單設(shè)計(jì)中還存在很多沒有解決的課題，就牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，也同樣存在很多目前國(guó)內(nèi)還未掌握和解決的難題。告訴客運(yùn)專線速度高，運(yùn)量大，行車密度，供電系統(tǒng)出送的功率勢(shì)必很大。如今高速鐵路飛速發(fā)展，在高鐵動(dòng)車組列車大幅投入運(yùn)營(yíng)的同時(shí)，對(duì)高鐵安全可靠性也提出了更高要求。在高鐵運(yùn)行各技術(shù)系統(tǒng)中，牽引供電系統(tǒng)尤其重要，因牽引供電系統(tǒng)直接關(guān)系高鐵的可靠運(yùn)行。高速鐵路之所以受到廣泛青睞，在于其本身具有顯著優(yōu)點(diǎn)：縮短了旅客旅行時(shí)間，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益；對(duì)沿線地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了推進(jìn)和均衡作用；促進(jìn)了沿線城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和

5、國(guó)土開發(fā)；沿線企業(yè)數(shù)量增加使國(guó)稅和地稅相應(yīng)增加；節(jié)約能源和減少環(huán)境污染。隨著京津城際鐵路、武廣高速鐵路、鄭西高速鐵路、滬寧城際高速鐵路等相繼開通運(yùn)營(yíng)，中國(guó)高鐵正在引領(lǐng)世界高鐵發(fā)展.進(jìn)入本世紀(jì)，隨著環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，專家們認(rèn)為，交通運(yùn)輸各行業(yè)中，從單位運(yùn)量的能源消耗、對(duì)環(huán)境資源的占用、對(duì)環(huán)境質(zhì)量的保護(hù)、對(duì)自然環(huán)境的適應(yīng)以及運(yùn)營(yíng)安全等方面來綜合分析，鐵路的優(yōu)勢(shì)最為明顯。因此歐洲各發(fā)達(dá)國(guó)家在經(jīng)歷了一段曲折的道路之后，重新審視和調(diào)整其運(yùn)輸政策，把重點(diǎn)逐步移回鐵路，其策略中重要的一環(huán)是規(guī)劃和發(fā)展高速鐵路。專家們紛紛指出，發(fā)展中國(guó)高速鐵路勢(shì)在必行。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 概況(1)供電制式電氣

6、化鐵道最早采用直流和低頻交流（以15kV、16 2/3Hz為主），有的也曾采用單項(xiàng)交流供電，后來居上的是單相工頻交流供電。低頻交流和直流供電電壓都較低，變電所間距較短，有多一套變頻和整流設(shè)備，因而供電設(shè)備的投資比單相工頻供電要大。單相工頻交流供電可以利用公共電力系統(tǒng)，經(jīng)降壓后直接使用，并且由于采用比較高的25kV或225kV電壓，在輸送相同功率時(shí)，接觸網(wǎng)的電流減少，接觸網(wǎng)上的壓損和電能損失也減少，延長(zhǎng)了牽引變電所的間距，接觸懸掛也可選用輕型結(jié)構(gòu)，支柱容量也可降低，從而大大節(jié)省牽引網(wǎng)的投資。目前高速電氣化鐵路也是以單相工頻供電為主。法國(guó)、日本、西班牙高速鐵路采用了單相工頻交流供電方式；德國(guó)沿用了

7、15kV，16 2/3Hz低頻交流供電；意大利沿用了直流供電方式。(2)減少負(fù)序和通信干擾的主要措施高速電氣化鐵路牽引負(fù)荷為大容量單相負(fù)荷，其產(chǎn)生的不平衡電壓和電流對(duì)公共電力系統(tǒng)構(gòu)成危害，供電臂上不穩(wěn)定的負(fù)荷，更加重了不平衡度；以鋼軌為回流通路的地中電流對(duì)沿線通信和信號(hào)設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，危及設(shè)備和人身安全，影響通信質(zhì)量；電力機(jī)車整流產(chǎn)生的高次諧波對(duì)電力系統(tǒng)和通信線路也產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。減少單相交流供電的不平衡電壓和電流，有以下方法：1 改變主變壓器接線采用Scott和變形伍德橋接線，實(shí)現(xiàn)三相-兩相平衡交換。當(dāng)兩供電臂負(fù)荷電流和功率因數(shù)相同時(shí)，電力系統(tǒng)中三相電流平衡。即使在兩供電臂電流不同的情況下

8、，不平衡度也大大降低。2 無(wú)功補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)三相-單相平衡在列車高速運(yùn)行情況下，為克服不平衡電壓和電流的影響，應(yīng)增大電力系統(tǒng)的短路容量，但這往往需要加長(zhǎng)輸電線的距離，增加建設(shè)費(fèi)用。而高速電動(dòng)車組的再生制動(dòng)的采用，使原理降低不平衡電壓和電流的方法變得更加困難。采用任何接線變壓器都做不到三相-單相的平衡對(duì)稱變換，必須輔以適當(dāng)?shù)牟⒙?lián)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。日本研究開發(fā)了一種靜態(tài)不平衡饋線補(bǔ)償裝置。該裝置是在Scott接線變壓器的M座和T座接上電容器和電抗器組成的平衡補(bǔ)償裝置，借助并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償方法，實(shí)現(xiàn)三相-單相對(duì)稱變換，從而降低牽引供電系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)鍛煉容量的要求，以利用附近較弱的電源，并且不必考慮饋線負(fù)荷的不平衡

9、問題。1.2.2 日本(1)牽引供電系統(tǒng)概況日本1964年?yáng)|海道新干線開通時(shí)，采用BT供電方式，變電所間隔20km左右，最大供電電流1000A。但BT供電方式存在很多問題，如在通過接觸網(wǎng)電分段時(shí)產(chǎn)生很大的電弧，極易燒壞滑板及解除導(dǎo)線，加之牽引網(wǎng)單位阻抗很大，在大負(fù)荷情況下磨損很大，牽引網(wǎng)電能損失很大。1972年山陽(yáng)新干線正式采用日本鐵道研究所開發(fā)的AT供電方式，在這之后的其他新干線均采用AT供電方式，變電所間距約60km左右，最大供電電流約20003000A。日本東海道新干線供電電壓為25kV、60Hz，山陽(yáng)新干線供電電壓25kV、60Hz，東北，上越新干線供電電壓25kV、50Hz，山形新干

10、線供電電壓20kV、50Hz，北陸新干線供電電壓25kV、60Hz。新干線AT供電方式的變電所容量在100150MVA，供電電壓的允許波動(dòng)范圍為：1927.5kV，額定電壓為25kV，瞬時(shí)最低17.5kV，在22.527.5kV列車可滿功率運(yùn)行。為了提高功率因數(shù)，變電所端設(shè)置了并聯(lián)電容，容量約為6000kVar/單位電臂，為了增強(qiáng)供電能力，變電所還設(shè)置了靜止無(wú)功率補(bǔ)償裝置（SVC），進(jìn)行綜合補(bǔ)償。(2)高次諧波、功率因數(shù)、再生制動(dòng)對(duì)牽引供電設(shè)備的影響300系、700系、500系、E1系、E2系、E3系、E4系及300X、STAR21型試驗(yàn)車等均采用PWM變流器和VVVF逆變器。該變流回流的特點(diǎn)

11、是：采用再生制動(dòng)、次數(shù)較高的諧波含量高、功率因數(shù)高。1 高次諧波的特點(diǎn)和減少影響的措施交直交傳動(dòng)與交直傳動(dòng)相比，由于采用的主元件性能有很大的改善，以及動(dòng)力分散型列車各單元之間采用不同相位、保持一定的相角差來補(bǔ)償一部分諧波，總體上諧波是比較低的。但由于采用PWM技術(shù)，15001800Hz的高次諧波含量明顯增加。采用AT供電方式，供電臂增長(zhǎng)，電源阻抗增加，電源電感L和饋線回路電容C在較低頻率時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，當(dāng)與機(jī)車輸出頻率接近時(shí)，產(chǎn)生高次諧波放大。新干線供電回路的共振頻率約為10002000Hz。高次諧波共振的危害有：a、惡化系統(tǒng)電氣設(shè)備的絕緣能力；b、車輛主回路和輔助回路誤動(dòng)作；c、通信雜音干擾；

12、d、設(shè)備燒損。通過模擬分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，認(rèn)為共振主要是高次諧波在供電臂末端反射形成的，為了抑制高次諧波共振，在供電臂末端安裝HMCR裝置；在供電臂21.5km的復(fù)線區(qū)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：共振頻率為1550Hz，放大倍數(shù)為14.66倍，在分區(qū)亭設(shè)置HMCR裝置后，共振頻率移至500Hz。為了防止高次諧波放大，協(xié)調(diào)并減少車輛、供電設(shè)備和環(huán)境設(shè)備的干擾，日本制定了高次諧波含有率標(biāo)準(zhǔn)，具體如表1.1所示。表1.1 日本新干線高次諧波含有率標(biāo)準(zhǔn)級(jí)數(shù)35711131719232529綜合供電系統(tǒng)343221.51.5115220kV側(cè)22.521.51.5110.50.532 功率因數(shù)特點(diǎn)與減少影響的措施交直交傳

13、動(dòng)機(jī)車功率因數(shù)牽引時(shí)接近1，再生制動(dòng)時(shí)接近-1，STAR21型實(shí)驗(yàn)車實(shí)際測(cè)量的結(jié)果為：牽引時(shí)0.951，再生制動(dòng)時(shí)0.9.符合的阻抗特性也發(fā)生變化，不再分布于第I象限40左右，而是在第I、II象限內(nèi)隨機(jī)出現(xiàn)，這樣容易引起保護(hù)誤動(dòng)作。推出的交流電氣化貼到用保護(hù)范圍轉(zhuǎn)換繼電器，該繼電器仍為四邊形特性，但R、X可以進(jìn)行分別整定，在任意R、X整定值下，保護(hù)都有兩個(gè)動(dòng)作范圍，小范圍對(duì)應(yīng)于正常運(yùn)行狀態(tài)，大范圍對(duì)應(yīng)于饋線故障狀態(tài)，保護(hù)靈敏度高，高阻保護(hù)性能好。這兩種方式成功的解決了新干線供電保護(hù)設(shè)備與車輛的協(xié)調(diào)。3 再生制動(dòng)對(duì)牽引供電設(shè)備的影響a、 自動(dòng)過分相的切換開關(guān)故障當(dāng)牽引工況的車輛位于中性區(qū)時(shí)，供電

14、臂恰有一列車處于再生工況，而此時(shí)，自動(dòng)過分相切換開關(guān)正處于向備用開關(guān)切換的狀態(tài)，如果開斷與切換真空斷路器串聯(lián)的隔離開關(guān)，就有可能產(chǎn)生大的電弧。b、變電所供電臂停電，再生產(chǎn)不能及時(shí)撤除再生制動(dòng)供電臂中只有一列車時(shí)，如果供電臂停電，通過檢測(cè)竭誠(chéng)為電壓和換流裝置的電壓，可立即中斷再生。但如果同一供電臂中，再生車與牽引車的功率發(fā)生平衡時(shí)，供電臂停電，再生車不能馬上檢測(cè)出，此時(shí)對(duì)停電的反應(yīng)時(shí)間是0-100ms。c、再生工況電路系統(tǒng)故障戰(zhàn)場(chǎng)牽引變壓器已座過電壓再生工況，電力系統(tǒng)故障，以此側(cè)斷路器跳開后而饋線斷路器未跳開，再生車尚未停止再生前，經(jīng)由主變的一次線圈，對(duì)另一座產(chǎn)生過電壓。SCOTT變壓器如T座車

15、輛再生時(shí)發(fā)生以此相間短路，M座將產(chǎn)生3倍的過電壓。1.2.3 法國(guó)(1)牽引供電系統(tǒng)概況法國(guó)TGV東南線的運(yùn)行速度為270km/h，追蹤間隔時(shí)分為5min，大西洋的運(yùn)行數(shù)的為300km/h，追蹤間隔時(shí)分為3min，英吉利還寫誰(shuí)的客貨混運(yùn)，追蹤間隔時(shí)分為2.5min。法國(guó)TGV告訴鐵路在東南線第一次采用AT供電方式，而后大西洋高速線、北方高速線等高速鐵路均采用AT供電方式。(2)東南線供電系統(tǒng)東南線的牽引變電所是法國(guó)電力公司通過雙回225kV供電，主要供電設(shè)備均采用100%備用。主變壓器全部為單相牽引變壓器，低壓次側(cè)設(shè)有電壓自動(dòng)調(diào)整裝置，該裝置具有一定的延時(shí)性，當(dāng)母線電壓持續(xù)60s低于26kV時(shí)

16、，可自動(dòng)調(diào)整電壓并班車電壓在26kV以上，因此，僅一列動(dòng)車組通過時(shí)不動(dòng)作，當(dāng)動(dòng)車組交會(huì)時(shí)才動(dòng)作。電壓調(diào)節(jié)共分20級(jí)，每級(jí)350V，具有補(bǔ)償高壓變化的作用。牽引變壓器容量均為60MVA。東南線共設(shè)有8個(gè)牽引變電所，其中2/3/4變電所為AT變電所，其余變電所均為直供變電所。AT變電所間平均距離為90km左右，直接變電所為40km左右。AT主變壓器二次側(cè)繞組中點(diǎn)引出并接地，這樣可不必在變電所饋線上安卓自耦變壓器，簡(jiǎn)化了變電所的接線。全線總安裝容量為800MVA，檢修在夜間，為了檢查和簡(jiǎn)易維護(hù)，白天也有80min天窗。AT供電區(qū)段AT變間距約為15km。主變壓器采用油浸自冷變壓器，變壓器電抗較高，可

17、使短路電流限制在12000A以下。每個(gè)變電所通過4個(gè)斷路器向架空接觸網(wǎng)供電。變電所25kV側(cè)采用六氟化硫斷路器，斷路器的額定電流為1250A，斷流能力15000A。為了限制電梯對(duì)電流系統(tǒng)的負(fù)序影響，法國(guó)采取了如下措施：1 牽引變電所由225kV供電，以確保變電所與系統(tǒng)聯(lián)結(jié)點(diǎn)有足夠的短路容量；2 所有牽引變電所通過相序輪換接入電力系統(tǒng)；3 在電力系統(tǒng)薄弱、大密度行車時(shí)，單相負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)影響可能超標(biāo)的牽引變電所，變電所按可以單相與“V”接相互轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)；4 電網(wǎng)短路容量不足的地區(qū)，牽引變電所設(shè)置補(bǔ)償裝置。1.2.4 德國(guó)德國(guó)高速鐵路采用15kV、16 2/3Hz供電，鐵路有自營(yíng)的專用單相16 2/3H

18、z的發(fā)電廠，給牽引變電所供電，也有部分采用公共電力系統(tǒng)，靜電氣化鐵路的變頻站供給牽引網(wǎng)。漢諾威-維爾茨堡ICE高速線有4個(gè)既有線和7個(gè)新建的牽引變電所供電；曼海姆-斯圖加特ICE高速線由2個(gè)既有和3個(gè)新建牽引變電所供電。在新建和既有線的聯(lián)接處，設(shè)有分區(qū)亭。為高速線供電的既有線牽引供電設(shè)備都根據(jù)符合的增加和短路功率的提高進(jìn)行了加強(qiáng)和現(xiàn)代化的改造。高速線上的新建牽引變電所和配電室都是統(tǒng)一規(guī)格的。每個(gè)牽引變電所都裝有2臺(tái)15MVA的變壓器，實(shí)行雙邊供電，變電所間距約為30km。為了將新建村的或經(jīng)過現(xiàn)代化改造的高速線牽引供電設(shè)施接通到原來的供電系統(tǒng)上，對(duì)電力調(diào)度、美茵河畔的法蘭克福中心調(diào)度所以及有關(guān)的

19、遙控裝置的日常控制設(shè)備進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母脑臁?.3 本文主要工作本文針對(duì)高速鐵路牽引供電系統(tǒng)，對(duì)牽引供電系統(tǒng)做了詳細(xì)的介紹。從各供電制式，供電方式入手，發(fā)現(xiàn)并研究了供電系統(tǒng)中從在的諸多問題，做出了解決辦法。結(jié)合我國(guó)多年來的經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)分析了牽引供電發(fā)展的問題，并做出了理想牽引供電系統(tǒng).第2章 高速鐵路牽引供電系統(tǒng)系統(tǒng)介紹由于電力機(jī)車功率大，拉的多，跑的快，世界各國(guó)的高速鐵路幾乎都采用電力機(jī)車牽引。電力機(jī)車與蒸汽機(jī)車和內(nèi)燃機(jī)車不同，它本身不帶能源，必須由外部供應(yīng)電能。為了給電力機(jī)車供應(yīng)電能，需要在鐵路沿線架設(shè)一套牽引供電系統(tǒng)。高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)，與常速鐵路的牽引供電系統(tǒng)不同，它的供電能力和供電可靠

20、性必須滿足高速列車運(yùn)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(jīng)過幾十年的實(shí)踐和發(fā)展，各國(guó)高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)都有了很大的改進(jìn)，達(dá)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(guó)和德國(guó)高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)。高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)主要包括牽引供電和接觸網(wǎng)兩大部分。下面就其采用的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)做一簡(jiǎn)單的介紹。2.1 牽引供電部分(1)牽引供電方式高速鐵路要求接觸網(wǎng)受流質(zhì)過高，分段和分相點(diǎn)數(shù)量少。目前各國(guó)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(wǎng)與正饋線之間并聯(lián)接入一臺(tái)自耦變壓器，其中性

21、點(diǎn)與鋼軌相連。自耦變壓器將牽引網(wǎng)的供電電壓提高一倍，而供給電力機(jī)車的電壓仍為25kv，如圖所示。帶回線的直接（RT）供電方式是在接觸網(wǎng)支柱上架設(shè)一條與鋼軌并聯(lián)的回流線，如圖所示，利用接觸網(wǎng)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(wǎng)對(duì)鄰近通信線路的干擾。日本、法國(guó)采用AT供電方式；德國(guó)、意大利和西班牙采用RT供電方式。AT供電方式的優(yōu)點(diǎn)是：供電質(zhì)量高,變電所數(shù)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(diǎn)少。因此，便于高速列車運(yùn)行，防干擾效果也好。我國(guó)京滬高速鐵路牽引供電優(yōu)先采用225kV（AT）供電方式。(2)電源電壓等級(jí)高速

22、鐵路負(fù)荷電流大，對(duì)電力系統(tǒng)的不平衡影響也大。為了減少對(duì)電力系統(tǒng)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(jí)，法國(guó)采用225kV電壓等級(jí)，德國(guó)采用110kV電壓等級(jí)，意大利采用130kV電壓等級(jí)，西班牙采用132kV和220kV兩種電壓等級(jí)。(3)接觸網(wǎng)電壓接觸網(wǎng)的電壓對(duì)電力機(jī)車功率發(fā)揮及機(jī)車運(yùn)行速度有很大影響，而且直接關(guān)系到牽引供電設(shè)備技術(shù)參數(shù)的選定和供電系統(tǒng)的工程投資，各國(guó)都非常重視這一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。日本接觸網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓為25kV，最高電壓為30kV，最低電壓為22.5kV。法國(guó)分別為25kV、27.5kV和18kV。德國(guó)分別為15kV、17k

23、V和12kV。西班牙分別為25kV、27.5kV和19kV。意大利采用直流供電，分別為3kV、3.6kV和2kV。我國(guó)京滬高速鐵路接觸網(wǎng)的標(biāo)稱電壓為25kV，長(zhǎng)期最高電壓擬定為27.5kV，短時(shí)（5min）最高電壓為29kV，設(shè)計(jì)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(tǒng)中最重要的設(shè)備。它對(duì)牽引供電系統(tǒng)和工程投資起決定性的影響，不同類型的牽引變壓器對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)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(guó)、德國(guó)、意大利和西班牙采用單相變位器。單相變壓器的優(yōu)點(diǎn)是變壓器容量大、利用率高、經(jīng)濟(jì)效果好，最適合在高速鐵路上應(yīng)用。我國(guó)京滬高速鐵路應(yīng)優(yōu)先

24、采用單相變壓器。(5)牽引變電所繼電保護(hù)和自動(dòng)控制裝置日本、法國(guó)、德國(guó)及西班牙高速鐵路的牽引變電所均按無(wú)人值班設(shè)計(jì)，采用運(yùn)動(dòng)裝置在電力調(diào)度中心監(jiān)控。牽引變電所的繼電保護(hù)和自動(dòng)控制系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)的控制保護(hù)盤方式，微機(jī)控制保護(hù)和全部自動(dòng)化等技術(shù)都還沒有采用。但在保護(hù)系統(tǒng)的配置、繼電器的特性、控制回路的聯(lián)動(dòng)等方面比較先進(jìn)，系統(tǒng)的安全性和可靠性也比較高。(6)電力調(diào)度和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)日本列車運(yùn)行指揮中心集列車、車輛、信號(hào)、牽引供電、防災(zāi)報(bào)警、旅客服務(wù)等多種業(yè)務(wù)調(diào)度為一體，構(gòu)成一個(gè)綜合調(diào)度處理系統(tǒng)。電力調(diào)度及運(yùn)動(dòng)是其中的一個(gè)子系統(tǒng)。法國(guó)高速鐵路的綜合調(diào)度系統(tǒng)由行車調(diào)度和電力調(diào)度組成。德國(guó)和西班牙高速鐵路的牽引

25、供電調(diào)度及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)則是一個(gè)設(shè)在調(diào)度中心的獨(dú)立系統(tǒng)。由調(diào)度所對(duì)高速線上所有開關(guān)設(shè)備和接觸網(wǎng)柱上開關(guān)進(jìn)行遙控。為了便于列車調(diào)度指揮，電力調(diào)度和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)集中設(shè)在行車調(diào)度室內(nèi)。2.2 牽引網(wǎng)供電方式 2.2.1 直接供電方式 圖2.1 直接供電方式牽引供電系統(tǒng)，兩個(gè)牽引變電所之間將接觸網(wǎng)分成兩個(gè)供電分區(qū)（又稱供電臂），正常情況兩相鄰供電臂之間在接觸網(wǎng)上是絕緣的，每個(gè)供電臂只從一端牽引變電所獲得電能的供電方式稱為單邊供電。若兩個(gè)供電臂通過開關(guān)設(shè)備，在電路上連通，兩個(gè)供電臂可同時(shí)從兩個(gè)牽引變電所獲得電能，這種供電方式稱為雙邊供電。雙邊供電可提高接觸網(wǎng)電壓水平，減少電能損耗。但饋線及分區(qū)亭的保護(hù)及開關(guān)設(shè)備都

26、較復(fù)雜，因此，目前采用較少。單邊和雙邊供電為正常的供電方式，還有一種非正常供電方式（也稱事故供電方式）叫越區(qū)供電。越區(qū)供電是當(dāng)某一牽引變電所因故障不能正常供電時(shí)，故障變電所擔(dān)負(fù)的供電臂，經(jīng)開關(guān)設(shè)備與相鄰供電臂接通，由相鄰牽引變電所進(jìn)行臨時(shí)供電。這種供電方式稱越區(qū)供電。因越區(qū)供電增大了該變電所主變壓器的負(fù)荷，對(duì)電器設(shè)備安全和供電質(zhì)量影響較大，因此，只能在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)行越區(qū)供電，是避免中斷運(yùn)輸?shù)呐R時(shí)性措施。復(fù)線區(qū)段供電方式與上述基本相同，但每一供電臂分別向上、下行接觸網(wǎng)供電，因此牽引變電所饋出線有四條。同一側(cè)供電臂上、下行線實(shí)行并聯(lián)供電，可提高供電臂末端電壓。越區(qū)供電時(shí)，通過分區(qū)亭開關(guān)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。

27、2.2.2 吸流變壓器回流線裝置BT在牽引網(wǎng)中，每相距1.5km4km間隔，設(shè)置一臺(tái)變比為1:1的吸流變壓器。吸流變壓器設(shè)在分段中央，其原邊串入接觸網(wǎng)，副邊串入沿鐵路架設(shè)的回流線?；亓骶€通常就懸掛在鐵路沿線的接觸網(wǎng)支柱外側(cè)的橫擔(dān)上。圖2.2 BT供電方式在接觸網(wǎng)和回流線中串接吸流變壓器，讓牽引電流通過電力機(jī)車后從回流線返回牽引變電所。電磁兼容性能好，對(duì)周圍環(huán)境影響小，鋼軌電位低2.2.3 自耦變壓器供電方式(AT)日本鐵路為防止通訊干擾，在實(shí)行交流電氣化的前期，在牽引網(wǎng)中普遍應(yīng)用了BT供電方式。但當(dāng)高速、大功率機(jī)車在這種電路中通過吸流變壓器分段時(shí)，在受電弓上會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈電弧，為了克服此缺點(diǎn)，后來

28、發(fā)展了一種新的牽引網(wǎng)供電方式自耦變壓器供電方式。 圖2.3自耦變壓器供電方式。 T接觸網(wǎng)；R軌道；F正饋線；AT自耦變壓器AT供電方式：由接觸網(wǎng)T、正饋線F、軌道大地系統(tǒng)R以及每隔一定距離的自耦變壓器(AT)構(gòu)成。AT并聯(lián)于接觸導(dǎo)線與正饋線之間，AT中點(diǎn)與鋼軌相連。結(jié)構(gòu)上：AT方式是用自耦變壓器代替了吸流變壓器，正饋線代替了回流線。自耦變壓器是并入電路，這一改變，首先是消除了接觸網(wǎng)中的吸流變壓器分段。大部分回流流經(jīng)正饋線，從而降低對(duì)鄰近通信線的干擾。自耦變壓器的工作原理：一次和二次回路共用部分繞組(n2部分)，而n1只有一次電流通過。圖2.4自耦變壓器工作原理輸入電壓為輸出電壓的2倍，也就是說

29、，通過自耦變壓器可以輸入較高的電壓而得到機(jī)車所需的低電壓。電流則相反，輸入電流為輸出電流的一半。從牽引變電所看，以兩倍接觸網(wǎng)電壓沿線輸送1/2I。送電電壓加倍，送電電流減半，送電電路中的電壓損失將降低為1/4。利用AT這個(gè)特點(diǎn)，可增大變電所間的距離和增大傳輸功率，減少牽引網(wǎng)損耗。缺點(diǎn)：必須在沿線安設(shè)電壓較高、容量較大的自耦變壓器，牽引網(wǎng)設(shè)備的投資相應(yīng)增加。2.2.4 帶回流線的直接供電方式(DN)由于AT方式設(shè)備復(fù)雜，一次投資高、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高、維護(hù)困難，特別在多隧道區(qū)段應(yīng)用更為困難。BT方式由于其半段效應(yīng)、接觸網(wǎng)分段及牽引網(wǎng)阻抗大等弱點(diǎn)，對(duì)高速和重載行車的適應(yīng)能力差。因此，常采用直接供電加回流線

30、(負(fù)饋線)。DN供電方式：由接觸網(wǎng)、鋼軌、沿全線架設(shè)的負(fù)饋線NF(每隔幾公里用P金屬線和鋼軌相連)組成。由于NF和鋼軌并聯(lián)連接，使得正常運(yùn)行時(shí)鋼軌中負(fù)荷電流的一部分分流到NF中去，因此，可以減少流入大地的電流，減輕對(duì)通訊的干擾危害，降低鋼軌電位，減小饋電回路的阻抗。DN方式與AT、BT相比，其饋電回路和設(shè)備簡(jiǎn)單、投資省、運(yùn)營(yíng)維護(hù)方便。為了能取得最好的防干擾效果，需研究回流線的空間布置(與接觸網(wǎng)的磁耦合關(guān)系)和設(shè)法降低回流線地、鋼軌地回路的阻抗，以提高回流率。圖2.5帶回流線的直接供電方式回流率與各導(dǎo)線地回路自阻抗以及各導(dǎo)線地回路間的互阻抗有關(guān)，當(dāng)回流率=1時(shí)，則接觸網(wǎng)電流完全由回流網(wǎng)吸上，地中

31、電流為零。2.3 牽引供電回路電力牽引供變電系統(tǒng)是指從電力系統(tǒng)接受電能，通過變壓，變相后，向電力機(jī)車供電的系統(tǒng)。牽引供電回路是由牽引變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、電力機(jī)車、鋼軌、地或回流線構(gòu)成。另外還有分區(qū)亭、開閉所、自耦變壓器站等。(1)開閉所（SSP）電力牽引系統(tǒng)中的開閉所，實(shí)際上是起配電作用的開關(guān)站開閉所就是高壓開關(guān)站，實(shí)際上從嚴(yán)格意義上講是“高壓配電”站，僅僅起配電作用，實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)供電、雙路互投等功能。當(dāng)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(nèi)設(shè)置牽引變電所。后者在樞紐內(nèi)不設(shè)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(shè)開閉所。AT供電方式

32、時(shí)，供電臂較長(zhǎng)，在供電臂中部也設(shè)開閉所。開閉所應(yīng)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(fù)線區(qū)段）的兩回進(jìn)線。開閉所應(yīng)盡量設(shè)置在樞紐地區(qū)的負(fù)荷中心處，以減少饋線的長(zhǎng)度和饋線與接觸網(wǎng)的交叉干擾。(2)分區(qū)亭（SP）為了增加供電的靈活性，提高運(yùn)行的可靠性，在兩個(gè)牽引變電所的供電區(qū)間常加設(shè)分區(qū)亭。分區(qū)亭常用于牽引網(wǎng)為雙邊供電，或復(fù)線區(qū)段牽引網(wǎng)為單邊供電，但上下行接觸網(wǎng)在末端并聯(lián)時(shí)。這時(shí)，分區(qū)亭起到平時(shí)將兩個(gè)供電臂或上下行接觸網(wǎng)聯(lián)絡(luò)起來的作用，這樣，當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，可縮小停電范圍和實(shí)現(xiàn)越區(qū)供電。(3)自耦變壓器站電力牽引供電系統(tǒng)如采用自耦變壓器供電方式時(shí)，在沿線每隔10-15公里

33、設(shè)置一臺(tái)自耦變壓器。設(shè)置時(shí)盡量將自耦變壓器設(shè)于沿鐵路的各站場(chǎng)上。同時(shí)，盡量與分區(qū)亭、開閉所合并，以便于運(yùn)行管理。(4)牽引網(wǎng)牽引網(wǎng)是由饋線、鋼軌回流線、接觸網(wǎng)組成的雙導(dǎo)線供電系統(tǒng)，完成對(duì)電力機(jī)車的送電任務(wù)。BT供電方式時(shí)，還要有回流線。AT供電供電方式時(shí)，還有正饋線和保護(hù)線。饋線：接在牽引變電所牽引母線和接觸網(wǎng)之間的導(dǎo)線，即將電能由牽引變電所引向電氣化鐵路。接觸網(wǎng)：一種特殊的輸電線，架設(shè)在鐵路上方，機(jī)車受電弓與其磨擦受電?；亓骶€：牽引變電所處的橫向回流線，它將軌或與軌平行的其它導(dǎo)線與牽引變壓器指定端子相聯(lián)。分相絕緣器（電分相）：串在接觸網(wǎng)上，目的是把兩相不同的供電區(qū)分開，并使機(jī)車光滑過渡，主要

34、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(wǎng)上，后者用于站場(chǎng)各條接觸網(wǎng)之間。通過其上的隔離開關(guān)將有關(guān)接觸網(wǎng)進(jìn)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(shí)，牽引變電所饋線到接觸網(wǎng)末端一段供電線路稱為供電區(qū)。第3章 高速鐵路牽引供電系統(tǒng)相關(guān)問題3.1 鐵道牽引供電系統(tǒng)的組成鐵道牽引供電系統(tǒng)主要是由三大部分組成，即：電氣化鐵道一次性供電系統(tǒng)、鐵道的牽引變電所以及牽引網(wǎng)。其中，鐵道的牽引變電所其主要功能就是把三相的交流高壓電能通過各種方式轉(zhuǎn)變成較低的電壓，三相的交流高壓電能主要是從電氣化鐵道一次供電系統(tǒng)處所輸送

35、過來，而這些較低的電壓主要適合電力機(jī)車使用。鐵道牽引網(wǎng)則主要包括五部分，分別為：接觸網(wǎng)、饋電線、軌道、大地以及回流線，鐵道牽引網(wǎng)的功能主要是將鐵道牽引變電所轉(zhuǎn)化的較低電壓電能輸送到電力機(jī)車。鐵道牽引供電系統(tǒng)根據(jù)為鐵道機(jī)車提供的電流性質(zhì)來劃分，可以分為直流制以及交流制兩種。其中交流制又可以分為兩種，即：工頻單相交流制以及低頻單相交流制。工頻主要指的是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的頻率，一般就是50赫茲或者60赫茲。而低頻則指的是低于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)頻率（50赫茲或者60赫茲）的頻率，在平常的應(yīng)用中，低頻用的最多的是15-20赫茲。不同的電流制，其電力牽引供電系統(tǒng)設(shè)備都有極大的不同。3.2 鐵道牽引供電系統(tǒng)存在的問題3.2.

36、1 無(wú)功功率電力機(jī)車是一個(gè)具有隨機(jī)變化特點(diǎn)的感性負(fù)載，它的基波電流會(huì)滯后電壓一定角度，由于變壓器、牽引電機(jī)這些設(shè)備的非線性，加上電力電子器件非線性的調(diào)節(jié)作用，導(dǎo)致機(jī)車的電流中包含大量在三相供電系統(tǒng)中的不對(duì)稱分布的諧波成分。牽引負(fù)載功率大、時(shí)間和空間分布隨機(jī)性強(qiáng)以及三相不對(duì)稱的特點(diǎn)導(dǎo)致牽引供電系統(tǒng)成為電力系統(tǒng)中主要的無(wú)功源。供電系統(tǒng)無(wú)功功率產(chǎn)生的危害主要表現(xiàn)在以下方面：使供電線路中無(wú)功功率的有功損耗增加，供電線路、變送電設(shè)備以及其他用電設(shè)備發(fā)熱程度增加。增加無(wú)功功率會(huì)使電流增大，從而使得發(fā)電機(jī)、變壓器以及其他電氣設(shè)備和導(dǎo)線的容量增加。由于變送電設(shè)備負(fù)荷容量中，增加了無(wú)功容量。導(dǎo)致變送電設(shè)備有功輸

37、出的容量降低。3.2.2 諧波電流電力系統(tǒng)所產(chǎn)生的諧波和其它整流負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波一樣，給電力系統(tǒng)及用戶帶來巨大的危害。特別是在牽引負(fù)荷與波動(dòng)性方面，具有負(fù)荷功率大、波動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，這些危害表現(xiàn)得尤為突出。主要體現(xiàn)在以下方面:諧波會(huì)增加公共電網(wǎng)中各元件的諧波耗損，從而降低用電、輸電、發(fā)電設(shè)備的效率，過量三次諧波還會(huì)導(dǎo)致線路過熱從而引發(fā)火災(zāi)。諧波會(huì)影響各種電氣設(shè)備進(jìn)行正常工作，對(duì)電機(jī)造成的影響除了產(chǎn)生附加耗損外，還會(huì)引起機(jī)械振動(dòng)、噪聲及過電壓，從而導(dǎo)致變壓器局部過熱。另外，諧波會(huì)對(duì)電容器、電纜等電力設(shè)備產(chǎn)生過熱、絕緣老化、壽命縮短的影響。諧波會(huì)使得公共電網(wǎng)中產(chǎn)生局部并聯(lián)諧振與串聯(lián)諧振，使諧波放大，

38、甚至引起嚴(yán)重的安全事故。3.2.3 負(fù)序電流 負(fù)序電流的產(chǎn)生主要是由鐵道牽引變電所在采用不同基本聯(lián)接方式完成電壓等級(jí)變換而引起的，負(fù)序電流的產(chǎn)生，除了會(huì)導(dǎo)致無(wú)功功率之外，還會(huì)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)以及用戶造成不可估量的后果。負(fù)序電流的產(chǎn)生，會(huì)降低變壓器的輸出功率，使其不能發(fā)揮其高效的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。負(fù)序電流的產(chǎn)生，會(huì)導(dǎo)致相關(guān)部件的發(fā)熱和震蕩，從而危及到機(jī)器的安全及順利運(yùn)行。因?yàn)楫?dāng)發(fā)電機(jī)中有負(fù)序電流流過，且各相的電流不超過額定值，那么就必須要降低發(fā)電機(jī)的出力，這樣才能確保發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。負(fù)序電流的產(chǎn)生，會(huì)導(dǎo)致電力網(wǎng)輸電能力的降低，因?yàn)楫?dāng)負(fù)序電流流過鐵道牽引供電系統(tǒng)時(shí)，電力系統(tǒng)不僅不能發(fā)揮其功效，而且還會(huì)造成

39、電能的損失以及占據(jù)輸電系統(tǒng)的最大容量，從而減少了輸電系統(tǒng)容量的利用率。此外，負(fù)序電流的產(chǎn)生，還能引起繼電保護(hù)裝置設(shè)備的一些誤動(dòng)作，不僅降低電機(jī)的工作效率，而且還造成一定的安全隱患。3.2.4 解決方法(1)負(fù)序電流的解決對(duì)策一是要采用大容量的電源。負(fù)序電流產(chǎn)生的影響主要是由于系統(tǒng)自身不能承受巨大的不平衡電流導(dǎo)致的。采用高壓，大容量的電源，既是要避免負(fù)序電流的產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響，又是在提高系統(tǒng)自身的性能。另外一種方式就是變壓器的改善。我們可以通過使用單相、三相V/V結(jié)線，斯科特結(jié)線，平衡結(jié)線變壓器等多種形式的牽引變壓器來實(shí)現(xiàn)負(fù)序電流的解決。負(fù)序電流的產(chǎn)生主要還是因?yàn)槿嗖黄胶庠斐傻?，?dāng)我們采用這

40、些變壓器的時(shí)候如果變壓器兩端的負(fù)荷平衡，最終成功降低負(fù)序電流的產(chǎn)生。在利用這種方式消除負(fù)序電流的時(shí)候，我們必須要注意兩供電臂的狀態(tài)對(duì)負(fù)序電流的影響：當(dāng)兩供電臂平衡時(shí)，單相、三相V/V結(jié)線等牽引變壓器負(fù)序功率為正常的百分之五十；斯科特結(jié)線，平衡結(jié)線變壓器負(fù)序功率為0。當(dāng)兩供電臂不平衡時(shí)，各結(jié)線形式的牽引變壓器負(fù)序功率均是百分之百。(2)采用相序輪換技術(shù) 相序輪換技術(shù)的主要原理是利用各相所承受的負(fù)載及功率因素來達(dá)到三相電流的平衡狀態(tài)，從而解決三相不平衡現(xiàn)象。因?yàn)榻佑|網(wǎng)在鐵道線路周圍被劃分為許多供電區(qū)域，而每個(gè)區(qū)域又是由電力系統(tǒng)的三相來供電的，因此，當(dāng)每個(gè)區(qū)域供電的負(fù)載之和相等，并且其功率因素也相等

41、時(shí)，那么電力系統(tǒng)的三相電流就能夠達(dá)到平衡的狀態(tài)。盡管如此，在理想的情況下，這種方案是可行的，但在實(shí)際情況中，由于各種因素的存在，這種方案實(shí)際上很難達(dá)到理論上的成功，有時(shí)也可能會(huì)給列車的正常運(yùn)行造成諸多的不便及負(fù)面影響，給列車帶來安全隱患。因此，相序輪換技術(shù)不能徹底的解決三相電流不平衡現(xiàn)象，該技術(shù)的出現(xiàn)也只是暫時(shí)緩和三相電流不平衡帶來的諸多負(fù)面影響。(3)無(wú)功功率和諧波電流的對(duì)策 一是通過更新電車的性能，電車性能的好壞是諧波電流產(chǎn)生與否的重要影響因素。目前，我國(guó)和諧號(hào)動(dòng)車組8節(jié)、16節(jié)編組的功率分別是5500KW和11000KW。根據(jù)沿海鐵路近年的運(yùn)營(yíng)情況看，其功率因數(shù)已高達(dá)0.98以上，即避免

42、了國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)功率因數(shù)的處罰，又提高了電氣化鐵路對(duì)電能的利用率，很好的解決了以往電車無(wú)功過高的問題。除盡量選擇性能好的機(jī)電設(shè)備，另一方面在平時(shí)設(shè)備維護(hù)過程中，要及時(shí)更換陳舊設(shè)備。性能好的機(jī)電設(shè)備可以有效降低諧波電流的產(chǎn)生，從而降低諧波電流對(duì)于系統(tǒng)的影響。另外還可以在機(jī)電車上安裝功率矯正裝置，發(fā)現(xiàn)無(wú)功功率可以自動(dòng)校正。這是提高效率的關(guān)鍵措施。 二是可以通過各種手段來進(jìn)行補(bǔ)償。在供電系統(tǒng)中，常運(yùn)用的補(bǔ)償方法是運(yùn)用電車上的無(wú)源或者有源或者兩者相結(jié)合的方式來對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。另外并聯(lián)電容的應(yīng)用也可以有效補(bǔ)償無(wú)功功率。第4章 高速鐵路牽引供電發(fā)展的若干關(guān)鍵技術(shù)問題4.1 理想牽引供電系統(tǒng)絕大多數(shù)國(guó)家的電氣

43、化鐵路均取電于公用電網(wǎng),電氣化鐵路用電都存在電能質(zhì)量問題而受到電力系統(tǒng)的限制。理想的牽引供電系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是電氣化鐵路從電力系統(tǒng)取電之同時(shí),把其干擾隔離開來,換言之,把電能質(zhì)量控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi),同時(shí)鐵路內(nèi)部使用統(tǒng)一的電壓供電并取消電分相。為此,自然會(huì)想到以德國(guó)為代表的供電模式。由于歷史的原因,德國(guó)聯(lián)邦鐵路除從公用電網(wǎng)取電外,還有大量的鐵路專用電廠和輸電系統(tǒng)(集中式),同時(shí)與 其他國(guó)家不同,采用15kV、1623Hz的供電制式。這 種模式使用范圍有限,但在技術(shù)上不失為一種/理想牽引供電系統(tǒng)0,值得借鑒,抓緊試驗(yàn)研究。4.1.1 系統(tǒng)構(gòu)成 隨著大功率電力電子技術(shù)的發(fā)展,功率半導(dǎo)體器件的

44、容量、集成水平大幅提高,價(jià)格不斷下降,為解決牽引供電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)在電能質(zhì)量上存在的矛盾及鐵路自身電分相問題提供了新的思路,并在技術(shù)與裝備方面提供了可能?？山梃b德國(guó)模式,在變電所通過三相交流2直流2單相交流全變換方式實(shí)現(xiàn)同相供電,將牽引網(wǎng)互聯(lián),利用直流環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換與隔離作用,形成獨(dú)立于公用電網(wǎng)的供電網(wǎng)絡(luò)。由于采用全變換,電力系統(tǒng)僅與牽引網(wǎng)側(cè)交換有功,且三相負(fù)荷平衡,不存在負(fù)序問題,同時(shí),鐵路供電臂取消電分相,而且變電所之間可進(jìn)行潮流調(diào)度,牽引變壓器的容量利用率和負(fù)荷率都可得到極大提高。/理想供電系統(tǒng)0結(jié)構(gòu)原理圖如圖所示。圖中,牽引變電所取電于三相電力系統(tǒng)。牽引饋線需加斷路器及相關(guān)保護(hù),可仿單相牽

45、引變電所饋線予以實(shí)現(xiàn),各斷路器對(duì)應(yīng)不同的故障區(qū)間。分區(qū)所的斷路器通常是閉合的,以實(shí)現(xiàn)引網(wǎng)的貫通供電。圖4.1 理想供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖圖4.1為理想供電系統(tǒng)0中牽引變電所的內(nèi)部原理圖。圖中,原邊三相變壓器應(yīng)適應(yīng)整流特性,但注意經(jīng)過正弦調(diào)制時(shí)諧波含量很低。直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)經(jīng)三相四線逆變送出所內(nèi)自用電,經(jīng)單相逆變環(huán)節(jié)送出牽引電壓,當(dāng)電力電子器件集成后經(jīng)濟(jì)耐受電壓足夠或者逆變側(cè)采用多重化級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí),可省去虛線框中的單相升壓變壓器,直接饋出27.5kV、50Hz額定電壓,直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)還可聯(lián)結(jié)其他可再生能源。由于全部采用四象限變流器,再生制動(dòng)的電能可存儲(chǔ)或反饋給電網(wǎng),即可由用電轉(zhuǎn)為發(fā)電過程。4.1.2 運(yùn)行過

46、程 可將理想供電系統(tǒng)輸出的牽引饋線電壓視為電壓源,其大小、相角均可調(diào)節(jié)控制。牽引網(wǎng)送電時(shí),先將任意一個(gè)牽引變電所的牽引饋線投入,如牽引饋線1,設(shè)其電壓為U1;然后將牽引饋線2的電壓U2由任意向量Uc2調(diào)整至與U1大小、相位相同時(shí)投入,實(shí)現(xiàn)與牽引饋線1并網(wǎng),其他牽引饋線的電壓依次投入,以實(shí)現(xiàn)貫通供電。 牽引網(wǎng)饋線電壓的可控性為牽引供電系統(tǒng)負(fù)荷潮流的有效調(diào)度提供了可能,使原來不可能的事情得以實(shí)現(xiàn)。4.1.3 可靠性及其他 隨機(jī)過程認(rèn)為系統(tǒng)中兩個(gè)及以上子系統(tǒng)或元件同時(shí)故障或修復(fù)的(轉(zhuǎn)移)概率為零。因此,可不考慮兩個(gè)及以上牽引變電所同時(shí)故障。理想供電系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)可仿照高壓直流輸電系統(tǒng),如隨機(jī)故障的檢

47、修,定期檢修等。 當(dāng)一變電所故障時(shí),應(yīng)退出運(yùn)行并及時(shí)維修。退出的情形可等效為這一變電所正被控制在其饋線電流為0的情形。此時(shí),該變電所的負(fù)荷潮流由相鄰及其 他正常運(yùn)行的變電所擔(dān)當(dāng)。 修復(fù)后牽引變電所的投入過程仍如圖3所示。當(dāng)饋線電壓大小、相位與運(yùn)行中的牽引網(wǎng)電壓相同時(shí),即可并網(wǎng)投入運(yùn)行。 牽引變電所中變流器全部采用相對(duì)獨(dú)立的功率單元組合而成,功率單元采用冗余配置。當(dāng)一個(gè)單元故障時(shí),可以及時(shí)替換,并且,該供電系統(tǒng)中各變電所已互為工作備用關(guān)系,整個(gè)系統(tǒng)的可靠性能夠得到保障。4.2 現(xiàn)行方式與同相供電系統(tǒng) 除德國(guó)模式外,其他國(guó)家無(wú)一例外地采用公用電網(wǎng)給工頻(50Hz或60Hz)交流電氣化鐵路供電的標(biāo)準(zhǔn)

48、制式。其中牽引變電所的主變壓器把110kV或220kV高壓降為27.5kV或25kV的鐵路標(biāo)準(zhǔn)用電。它一般采用雙繞組或多繞組接線,其中接線方式有I,i(單相)、V,v、YN,d11和Scott等。高速鐵路供電的關(guān)鍵主要取決電力系統(tǒng)對(duì)負(fù)序電流的耐受能力和牽引變電所接線方式對(duì)負(fù)序電流的抑制能力。 為降低負(fù)序電流的影響,除牽引變壓器接線方式外,還要把供電臂相位輪流接入電力系統(tǒng)三相中某一相,簡(jiǎn)稱換相 。這都將導(dǎo)致沿線供電臂使用不同相位電壓供電,而在變電所出口或分區(qū)所處設(shè)置電分相裝置,又使之成為列車、特別是高速列車運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)。實(shí)現(xiàn)同相供電是取消電分相、提高列車安全性和舒適性的唯一途徑.4.2.1 同

49、相供電系統(tǒng) 解決現(xiàn)行供電方式存在問題最為有效的方法是在牽引變電所應(yīng)用以負(fù)序、無(wú)功補(bǔ)償為核心的對(duì)稱補(bǔ)償技術(shù),實(shí)現(xiàn)同相供電,即全線用同一相位的單相電壓供電。它與單相牽引變壓器一樣,都可避免在牽引變電所出口采用電分相。兩者最主要的區(qū)別在于對(duì)負(fù)序電流的抑制能力。但即使在同一電力系統(tǒng)中,不同進(jìn)線處的系統(tǒng)短路容量不同,承受負(fù)序電流的能力也不同。因此,為減少不必要的投資和設(shè)備浪費(fèi),可將同相供電系統(tǒng)中的變電所分為3種:一是全補(bǔ)償,它要求實(shí)現(xiàn)對(duì)稱補(bǔ)償,特別對(duì)負(fù)序有極好的抑制能力;二是半補(bǔ)償,對(duì)補(bǔ)償負(fù)序有適度要求;三是不補(bǔ)償,只用牽引變壓器。對(duì)稱補(bǔ)償系統(tǒng)和牽引網(wǎng)組成的同相供電系統(tǒng)示意圖如圖4.2所示圖4.2 3個(gè)牽引變電所構(gòu)成的同相供電系統(tǒng)示意圖4.2.2 牽引變電所的(最小)補(bǔ)償容量 根據(jù)不同接線,在變電所實(shí)施對(duì)稱補(bǔ)償時(shí),也有技術(shù)難度和補(bǔ)償容量大小之分。 理論上可證明:當(dāng)認(rèn)為功率因數(shù)為1而僅補(bǔ)償負(fù)