牽引變電所文檔

-.z1.1電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)概況電氣化鐵道的牽引供電系統(tǒng)由牽引變電所〔包括分區(qū)亭、開閉所、ＡＴ所〕、牽引網(wǎng)〔饋電線、接觸網(wǎng)、鋼軌和回流線〕、電力機車等組成。圖1-1中所示三相牽引變電所將電力系統(tǒng)110kv或220kv的三相電變成兩相27.5kv分別供應(yīng)變電所兩邊的供電臂以供電力機車提供電能〔如Ａ相和Ｂ相為27.5kv，Ｃ相鋼軌〕，相鄰變電所之間的供電臂為同相電。通過分區(qū)亭可以實現(xiàn)越區(qū)供電或上下行并聯(lián)供電。圖1-1電氣化鐵道牽引供電示意圖牽引變電所：主要是將電力系統(tǒng)傳送的220kv或110kv的三相電源轉(zhuǎn)換成牽引網(wǎng)額定電壓27.5kv單相交流電，然后向鐵路沿線架設(shè)的牽引網(wǎng)供電。分區(qū)亭：主要作用是操作設(shè)置在兩個牽引變電所之間連接兩供電分區(qū)的開關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)靈活供電，提高運行的可靠性。開閉所：實質(zhì)上是個不進展變壓的配電所，主要是將從牽引變電所牽引母線上引出的一路饋線電線按需要向分組接觸網(wǎng)供電。一般設(shè)置在需要送出多路饋電線的多接觸網(wǎng)分組的樞紐站場附近。接觸網(wǎng)：是一種懸掛在電氣化鐵道線路上方，并和鐵路鋼軌保持一定距離的鏈形或單導(dǎo)線的輸電網(wǎng)。牽引電力機車能量獲取是通過機車受電弓和接觸網(wǎng)的滑動接觸來實現(xiàn)的。饋電線：亦即供電線，是指連接牽引變電所和接觸網(wǎng)的導(dǎo)線，把牽引變電所轉(zhuǎn)換完備的牽引用電能送給接觸網(wǎng)。軌道：在電氣化鐵道系統(tǒng)中，軌道除了作為列車的導(dǎo)軌外，還與接觸網(wǎng)組成通道，完成導(dǎo)通回流的任務(wù)。回流線：連接軌道和牽引變電所的導(dǎo)線，把軌道中的回路電流導(dǎo)入牽引變電所。牽引網(wǎng)：是指有接觸網(wǎng)、饋電線、軌道和回流線組成的電能傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。1.2牽引變電所的分類牽引變壓所分為直流和交流兩類。直流牽引變電所的功能是把區(qū)域電網(wǎng)的高壓電加以降壓和整流，使之成為直流1500伏、750伏或城市交通用600伏電壓,再送到接觸網(wǎng)，為直流電力機車或電動車輛供電。交流牽引變電所根據(jù)牽引變壓器繞組接線不同，又分為三相、單相和三相-兩相牽引變電所。①三相牽引變電所：變壓器原邊繞組通常為星形連接，副邊繞組為三角形連接。三角形的一個連接點接鐵路行車軌道，另兩個連接點分別接牽引變電所左右兩側(cè)的供電分區(qū)接觸網(wǎng)。由于兩側(cè)相位差60°,需要分段。這種牽引變電所的優(yōu)點是變壓器副邊保持三相，可供變電所本身和地方的三相用電；缺點是變壓器的容量未能充分利用。②單相牽引變電所：采用1～2臺單相變壓器。用一臺單相變壓器時，副邊繞組的一端接軌道，另一端同時供應(yīng)左右兩側(cè)的供電分區(qū)接觸網(wǎng)。為了檢修方便，兩供電分區(qū)采用相關(guān)分段加以隔離。假設(shè)用兩臺單相變壓器時，其原邊繞組分別接到高壓三相母線中兩對不同的母線上，使三相負載平衡；兩個副邊繞組按V形接線,公共點接軌道,其余兩端分別向兩側(cè)的分區(qū)供電,并用相關(guān)分段。單相變電所的優(yōu)點是變壓器容量利用較充分。但地區(qū)負荷需專用變壓器；簡單的單相接線，還影響三相系統(tǒng)的平衡。③三相-兩相牽引變電所：變壓器原邊繞組接成T形，與三相高壓母線連接；副邊為兩相連接，共用端接軌道，另兩端分別接供電分區(qū),由于兩者相位差90°，兩分區(qū)也需隔開。這種形式的牽引變電所一定程度上克制了三相和單相牽引變電所的缺點。中國早期的牽引變電所大多采用三相牽引變電所，從80年代起出現(xiàn)采用三相－兩相牽引變電所。此外，歐美一些國家由于歷史上的原因，還有頻率為16赫或25赫的單相牽引變電所，但現(xiàn)在開展的主流是單相工頻交流牽引制及相應(yīng)的變電所。歷史上還出現(xiàn)過三相電力牽引及其變電所,但因三相接觸網(wǎng)構(gòu)造復(fù)雜,現(xiàn)在一般不用。中國干線電力牽引采用單相工頻25千伏交流電,牽引變電所把輸入的110千伏三相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?5千伏單相交流電送入接觸網(wǎng)，從而完成電力牽引的供電任務(wù)。1.3牽引供電系統(tǒng)向接觸網(wǎng)的供電方式牽引網(wǎng)向電力機車的供電方式有直接供電方式、帶回流線的直接供電方式、自耦變壓器〔AT〕供電、吸流變壓器〔BT〕供電方式和同軸電力電纜〔CC〕供電方式等，分別如下圖：圖1-2直接供電方式圖1-3加回流線的直接供電方式為增強直接供電方式的防干擾性能，用直接供電加回流線〔負饋線〕的供電方式，簡稱為DN〔圖1.3〕供電方式。為能取得最好的防干擾效果，則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、鋼軌一地回路的自阻抗以提高回流率。由圖1-3可知，DN供電方式是由接觸網(wǎng)、鋼軌、沿全線架設(shè)的負饋線NR〔每隔幾公里用P金屬線和鋼軌相連接〕組成。由于NF和鋼軌并聯(lián)連接，使得正常運行時鋼軌中負荷電流的一局部分流到NF中去，因此，可以減少流入的電流，減輕對通訊的干擾危害，降低鋼軌電位，減小饋電回路的阻抗。另外，當(dāng)絕緣子閃絡(luò)時，NF線可起到回歸短路電流的作用，即具有保護線〔PW〕的特性。圖1-4AT供電方式AT供電方式，其牽引網(wǎng)構(gòu)造較復(fù)雜，由接觸懸掛T、正饋線F、保護線PW〔包括CPW線〕、軌道系統(tǒng)Ｒ以及每隔一定距離設(shè)置的自耦變壓器〔AT〕構(gòu)成。AT并聯(lián)于接觸導(dǎo)線和正饋線之間，AT中點和鋼軸相連，使大局部回流流經(jīng)正饋線，從而降低對鄰近通信線的干擾。為盡量減小感應(yīng)環(huán)的尺寸，正饋線和接觸導(dǎo)線架設(shè)在同一支柱上。一般情況下，正饋線與接觸導(dǎo)線對鋼軌具有一樣的電壓。圖1-5BT供電方式BT供電方式在牽引網(wǎng)中設(shè)吸流變壓器——回流線，可使?fàn)恳娏餮鼗亓骶€流回牽引變電所而不經(jīng)過由軌道和。同軸電力電纜供電方式，就是將同軸電力電纜沿電氣化鐵路裝設(shè)，電纜的導(dǎo)體與接觸懸掛相連、用作正饋線，外導(dǎo)體與軌道相連，用作負饋線，每隔一定距離分成一個供電分區(qū)。構(gòu)造簡單，特別適宜于在長大隧道中應(yīng)用。由于電纜價格很貴，在經(jīng)濟上不合理，因此沒有應(yīng)用在實際系統(tǒng)中。單線區(qū)段，對直供方式及BT方式，交流牽引變電所設(shè)置間距為40——60KM，對AT方式可擴大到90～100KM。復(fù)線區(qū)段適當(dāng)縮短具體設(shè)置要由供電計算確定。DN供電方式具有供電方式簡單、可靠的優(yōu)點，通過優(yōu)化其構(gòu)造和參數(shù)能保證較好的屏蔽效果，在穩(wěn)定網(wǎng)壓、延長供電距離、節(jié)能方面也有較明顯的優(yōu)勢，其本錢與運營維修費用均比AT/BT低得多。AT方式的供電質(zhì)量高，用電質(zhì)量高，是高速、重載電氣化區(qū)段的首選供電方式。BT方式相對于前兩者具有劣勢，現(xiàn)在國際上很少采用這種方式。目前局管轄圍的膠濟線、隴海線、京滬線全部采用DN供電方式，包括最近上馬的膠濟客運專線也是采用DN供電方式。1.4牽引網(wǎng)的供電方式1.4.1單線區(qū)段〔1〕單邊供電〔2〕雙邊供電圖1-6電線區(qū)段供電方式單邊供電簡單，獨立性強，在目前的單線區(qū)段普遍采用。雙邊供電比單邊供電有較好的供電質(zhì)量〔電壓電能損失小〕，設(shè)備〔接觸網(wǎng)導(dǎo)線、變壓器〕負荷均勻，但繼電保護較為復(fù)雜，且有穿越電流流經(jīng)接觸網(wǎng)。由于目前主要干線全部開通了復(fù)線，所以這種供電方式采用的以越來越少。1.4.2復(fù)線區(qū)段〔1〕單邊分開供電〔2〕單邊并聯(lián)供電〔3〕雙邊鈕結(jié)供電圖1-7復(fù)線區(qū)段供電方式單邊分開供電簡單、獨立性強、不設(shè)分區(qū)亭、可用于運量小、坡道平坦且饋電臂較短的場合。單邊并聯(lián)供電比分開供電有較好的供電質(zhì)量，上、下行接觸導(dǎo)線負荷均勻，需設(shè)分區(qū)亭，目前在復(fù)線區(qū)段普遍采用。雙邊紐結(jié)供電比單邊供電有較好的供電質(zhì)量，設(shè)備負荷均勻，但繼電保護復(fù)雜，且有穿越電流流經(jīng)接觸網(wǎng)。目前膠濟線、隴海線、京滬線采用的是同相單邊供電方式，在分區(qū)所實現(xiàn)上下行接觸網(wǎng)并聯(lián)，并實現(xiàn)越區(qū)供電。1.5牽引負荷的特點圖1-8牽引變電所主接線由圖可知，變壓器出線一相接地，另外兩相分別接牽引網(wǎng)饋線。由此可見，交流牽引網(wǎng)為兩個單相系統(tǒng)，其負荷特性不同于一般的電力系統(tǒng)負荷，具體表現(xiàn)在：1、牽引負荷不僅是移動的，而且其大小隨時都在變化，*一電流值的持續(xù)時間往往可以用秒來計算。饋線電流值的變化圍極寬，一般是在零和最大負荷電流值(如數(shù)百或數(shù)千安)之間變動。牽引負荷為單相移動負荷，牽引負荷的大小與線路的機車數(shù)量、機車種類、機車功率、運行速度以及線路情況等有關(guān)，其幅值、相位隨時都在發(fā)生變化。接觸網(wǎng)發(fā)生故障的幾率較電力系統(tǒng)輸電線路要頻繁得多。2、牽引供電臂供電距離長，單位阻抗比一般輸電線路單位阻抗大。一般輸電線路的單位阻抗為0.40Ω/KM，而牽引網(wǎng)的線路阻抗較大，一般為0.54Ω/KM左右；有吸流變壓器時增大為0.82Ω/KM左右，ＡＴ供電方式時約在0.60Ω/KM以上。由于單位阻抗大，輸送距離遠，故末端最小短路電流較小。饋線的最大負荷電流很大，最小短路電流往往接近甚至小于最大負荷電流。牽引阻抗大，相應(yīng)短路電流小，有時可與最大負荷電流相比。3、牽引負荷的變化頻率及幅度遠遠大于一般的電力負荷。整流式電力機車以及電動車組的電流均含有大量的高次諧波，其中的三次諧波含量最高，可達20%或30%左右。機車在坡度較大的線路下坡運行時，將由電動機狀態(tài)轉(zhuǎn)入發(fā)電機狀態(tài)，這種負荷稱之為再生負荷，此時的高次諧波成份更高，可達40％以上，并且負荷位于第二象限，當(dāng)線路上既有正常負荷又有再生負荷或涌流時，其綜合負荷就會落入保護動作區(qū)使常規(guī)保護誤動作。當(dāng)供電區(qū)間列車數(shù)增加時，由于不同機車的換向角可能不同，所以牽引饋線電流三次諧波含量減少，但一般仍大于10%。即便是裝有功率因數(shù)補償裝置，綜合諧波含量仍不低于10%。而牽引網(wǎng)短路時，機車退出了工作，由于是高壓回路的單相直接接地，以及供電回路的參數(shù)電抗分量大于電阻分量等原因，所以電氣化鐵道供電回路故障電流的波形是不含高次諧波成份的正弦波。4、當(dāng)在接觸網(wǎng)電壓下空載投入機車牽引變壓器，或饋線突然斷電、機車失壓后由自動重合閘動作將饋線斷路器重新投入，或電力機車在運行過程中失電而又復(fù)得〔如機車惰行通過電分相〕，或含有AT、BT的牽引網(wǎng)空載投入等情況下會產(chǎn)生勵磁涌流。勵磁涌流的幅值可達650－－800A，從而使饋線電流可達很高的數(shù)值。勵磁涌流的波形呈尖頂波且偏向于時間軸的一側(cè)，故勵磁涌流中含有大量的二次諧波。由于勵磁涌流不屬于故障兩牽引網(wǎng)中出現(xiàn)涌流的幾率和其幅值都比擬大，因此在牽引饋線保護中應(yīng)保證在此情況下不誤動。5、為了適應(yīng)機車沿線路移動，牽引網(wǎng)的構(gòu)造比電力系統(tǒng)饋電線路要復(fù)雜得多。同時，其工作條件也較惡劣，因為機車的受電弓與接觸導(dǎo)線一直處于快速滑動接觸狀態(tài)，機車通過其接觸點取流。當(dāng)接觸不良時將會產(chǎn)生火花或電弧，使接觸導(dǎo)線過熱，以致燒傷。另外，由于受電弓對接觸導(dǎo)線有迅速移動的向上壓力，使接觸導(dǎo)線經(jīng)常處于振動狀態(tài)，因此引起接觸網(wǎng)機械故障的機率增大。上述損傷及故障都可能導(dǎo)致牽引網(wǎng)短路，從而對繼電保護動作的可靠性要求相對要高。牽引網(wǎng)短路電流的數(shù)值主要取決于電力系統(tǒng)的供電方式和容量、牽引變電所的總?cè)萘俊恳W(wǎng)的供電方式、故障點的距離以及所采用的接觸懸掛型式和鋼軌型號等。1.6電氣主接線電路中的高壓電氣設(shè)備包括發(fā)電機、變壓器、母線、斷路器、隔離刀閘、線路等。它們的連接方式對供電可靠性、運行靈活性及經(jīng)濟合理性等起著決定性作用。一般在研究主接線方案和運行方式時，為了清晰和方便，通常將三相電路圖描繪成單線圖。在繪制主接線全圖時，將互感器、避雷器、電容器、中性點設(shè)備以及載波通信用的通道加工元件〔也稱高頻阻波器〕等也表示出來。對一個電廠而言，電氣主接線在電廠設(shè)計時就根據(jù)機組容量、電廠規(guī)模及電廠在電力系統(tǒng)中的地位等，從供電的可靠性、運行的靈活性和方便性、經(jīng)濟性、開展和擴建的可能性等方面，經(jīng)綜合比擬后確定。它的接線方式能反映正常和事故情況下供送電情況。電氣主接線又稱電氣一次接線圖。1.7電氣主接線應(yīng)滿足以下幾點要求：運行的可靠性：主接線系統(tǒng)應(yīng)保證對用戶供電的可靠性，特別是保證對重要負荷的供電。運行的靈活性：主接線系統(tǒng)應(yīng)能靈活地適應(yīng)各種工作情況，特別是當(dāng)一部備檢修或工作情況發(fā)生變化時，能夠通過倒換開關(guān)的運行方式，做到調(diào)度靈活，不中斷向用戶的供電。在擴建時應(yīng)能很方便的從初期建立到最終接線。經(jīng)濟合理：主接線系統(tǒng)還應(yīng)保證運行操作的方便以及在保證滿足技術(shù)條件的要求下，做到經(jīng)濟合理，盡量減少占地面積，節(jié)省投資。1.8電氣主接線應(yīng)滿足以下根本要求：①牽引變電所、鐵路變電所電氣主接應(yīng)綜合考慮電源進線情況〔有無穿越通過〕、負荷重要程度、主變壓器容量和臺數(shù)，以及進線和饋出線回路數(shù)量、斷路器備用方式和電氣設(shè)備特點等條件確定，并具有相應(yīng)的平安可靠性、運行靈活和經(jīng)濟性。②具有一級電力負荷的牽引變電所，向運輸生產(chǎn)、平安環(huán)衛(wèi)等一級電力負荷供電的鐵路變電所，城市軌道交通降壓變電所〔見電力負荷、電力牽引負荷〕應(yīng)有兩回路相互獨立的電源進線，每路電源進線應(yīng)能保證對全部負荷的供電。沒有一級電力負荷的鐵路變、配電所，應(yīng)有一回路可靠的進線電源，有條件