電力系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)

電力系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)第一頁，共32頁。1-1電力系統(tǒng)概述1-1電力系統(tǒng)概述

電力系統(tǒng)是指發(fā)電、送電、變電和用電組成的整體。如圖1-1所示。第二頁，共32頁。1-1電力系統(tǒng)概述1-1電力系統(tǒng)概述1-1-1發(fā)電廠1-1-2電力網(wǎng)及電網(wǎng)電壓1-1-3變電所第三頁，共32頁。1-1-1發(fā)電廠1-1-1發(fā)電廠發(fā)電廠將其他形式的能源轉(zhuǎn)換為電能。根據(jù)能源的不同，發(fā)電廠分為火電廠、水電廠、核電廠、熱電廠、風力電廠、潮汐海洋電廠等。我國主要采用火電廠、水電廠、核電廠。

1、火電廠這些電廠多建在煤炭基地附近，故稱為“坑口”電廠，其單相容量可達600MW。如果把已作過功的乏氣再供給用戶作為熱能，則稱為熱電廠。

2、水電廠水電廠利用河流的落差發(fā)電。水電廠不僅效率高，而且水能是可循環(huán)利用。目前我國水輪發(fā)電機的單機容量為700MW。

3、核電廠核電廠是將原子核裂變時所產(chǎn)生的核能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。核電廠的重要部分是核子反應(yīng)堆和蒸汽發(fā)生器。其發(fā)電設(shè)備仍為一般汽輪機和發(fā)電機。核電廠的單機容量較大，近年來多在900MW以上。第四頁，共32頁。1-1-2電力網(wǎng)及電網(wǎng)電壓1-1-2電力網(wǎng)及電網(wǎng)電壓電力網(wǎng)簡稱電網(wǎng)。組成：由輸電線路、配電線路、變電所。按其規(guī)模分為：地區(qū)電網(wǎng)、區(qū)域電網(wǎng)。國家規(guī)定電網(wǎng)額定電壓分為9個等級，如表1-1所示。第五頁，共32頁。1-1-3變電所1-1-3變電所變電所的作用：變換電壓、集中電能、分配電能、控制電能、調(diào)整電壓。變電所通常分為以下三種：

1）樞紐變電所通常都有兩個及以上電源匯集，進行電能的分配和變換，從而形成電能的樞紐。此類變電所規(guī)模大，并采用三繞組變壓器獲得不同級別的電壓，送到不同距離的地區(qū)。

2）地區(qū)變電所其作用是供給一個地區(qū)用電。通常采用三繞組變壓器，高壓受電，中壓轉(zhuǎn)供，低壓直配。

3）用戶變電所此類變電所屬于電力系統(tǒng)的終端變電所，直接供給用戶電能。通常采用雙繞組變壓器。鐵路牽引變電所就屬于此類變電所。第六頁，共32頁。1-2牽引供電系統(tǒng)1-2牽引供電系統(tǒng)

牽引供電系統(tǒng)是指拖動車輛運輸所需電能的供電形式。電氣化鐵道供電系統(tǒng)為相對獨立于電力系統(tǒng)的電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)。第七頁，共32頁。1-2牽引供電系統(tǒng)1-2牽引供電系統(tǒng)1-2-1牽引供電系統(tǒng)的電流制1-2-2工頻單相交流牽引供電系統(tǒng)1-2-3牽引變電所的一次供電方式1-2-4牽引變電所的引入線方式1-2-5接觸網(wǎng)的供電方式第八頁，共32頁。1-2-1牽引供電系統(tǒng)的電流制1-2-1牽引供電系統(tǒng)的電流制主要有四個電流制：直流制、低頻單相交流制、三相交流制、工頻單相交流制。

1、直流制因電力牽引用的電力機車多采用機械性能好、調(diào)速方便的直流串勵電動機，所以采用直流制供電，簡化了機車設(shè)備，提高了效率。但牽引變電所必須設(shè)整流設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜了。同時因受電力機車牽引電動機額定電壓影響，供電線路電壓較低使牽引變電所間距離減小，同時供電電流的加大增加了導線截面，增大了線路損耗。所以在我國電氣化鐵道中，未采用直流制。但在礦山、城市電車和地鐵中得以廣泛應(yīng)用。

2、低頻單相交流制為克服直流的缺陷，西歐一些國家采用低頻單相交流制，頻率為50/3Hz，電壓為11~15kV。雖然這種制式比直流有不少優(yōu)點，但因其頻率與工頻差異，必須有與之配套的發(fā)電廠和供電系統(tǒng)，經(jīng)濟性、通用性不好，應(yīng)用受限。第九頁，共32頁。1-2-1牽引供電系統(tǒng)的電流制3、三相交流制在牽引電流制的發(fā)展過程中，有的國家如瑞士、法國等，還采用了3.6kV的三相交流制。電力機車牽引電動機采用三相異步電動機。這種供電方式優(yōu)點在于三相負荷完全平衡，大大減小了電力牽引對電力系統(tǒng)的影響，并減小了對通信的干擾。主要的缺點在于交流異步電動機的調(diào)速困難和電力機車三相受限困難。

4、工頻單相交流制工頻單相交流制是電氣化鐵道發(fā)展中的一項先進供電制。我國采用的是工頻單相交流制，電壓25kV或50kV。由于此種電流制的優(yōu)越性比較明顯，很快在各國被采用，目前已占到電氣化鐵道的40%以上。我國電氣化鐵道建設(shè)一開始就采用了此種電流制，從而為后來的電氣化鐵道的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。第十頁，共32頁。1-2-1牽引供電系統(tǒng)的電流制工頻單相交流制的主要優(yōu)點為：

1）牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單；

2）牽引供電電壓增高，既可保證大功率機車的供電，提高機車的牽引定數(shù)和運行速度，又可使變電所之間的距離延長，導線截面減少，建設(shè)投資和運營費用顯著降低；

3）交流電力機車的粘著性能和牽引性能良好；

4）和直流制相比較，交流制的地中電流對地下金屬的腐蝕作用小，一般可不設(shè)專門防護裝置。工頻單相交流制的主要問題為：

1）單相牽引負荷會在電力系統(tǒng)中形成負序電流；

2）功率因數(shù)低；

3）對通訊線路造成較大的電磁干擾。第十一頁，共32頁。1-2-2工頻單相交流牽引供電系統(tǒng)1-2-2工頻單相交流牽引供電系統(tǒng)組成：由牽引變電所、牽引網(wǎng)。如圖1-2所示。第十二頁，共32頁。1-2-2工頻單相交流牽引供電系統(tǒng)

牽引供電系統(tǒng)的主要作用是，從電力系統(tǒng)取得電能，并送給沿鐵路運行的電力機車。圖中各部分說明如下：1、一次供電網(wǎng)絡(luò)一次供電網(wǎng)絡(luò)是指直接向牽引變電所供電的地區(qū)變電所（或發(fā)電廠）及高壓輸電線路。輸電線路一般分為兩路，電壓為110kV。

2、牽引變電所作用是降壓，并將三相電源轉(zhuǎn)換成兩個單相電源，然后通過饋電線分別供給牽引變電所兩側(cè)的接觸網(wǎng)。

3、牽引網(wǎng)由饋電線、接觸網(wǎng)、鋼軌、回流線組成。饋電線是連接牽引變電所母線和接觸網(wǎng)的架空鋁鉸線。接接觸網(wǎng)是牽引網(wǎng)的主體。鋼軌和回流線是負荷電流回流到牽引變電所的路線。第十三頁，共32頁。1-2-2工頻單相交流牽引供電系統(tǒng)4、分區(qū)亭為了增加供電的靈活性，提高運行的可靠性，在兩個相鄰牽引變電所之間加設(shè)分區(qū)亭，其作用主要有兩個：

1）使相鄰相兩供電區(qū)段實行并聯(lián)供電或分開供電，也可使復(fù)線區(qū)段的上、下行實行并聯(lián)或分開供電；

2）相鄰牽引變電所發(fā)生故障而不能繼續(xù)供電時，可以閉合分區(qū)亭內(nèi)的斷路器，由非故障牽引變電所實行越區(qū)供電。

5、開閉所電氣化鐵道的樞紐站場均由接觸網(wǎng)供電。為了提高供電的可靠性和靈活性，通常將其分組并獨立供電，為此增設(shè)開閉所。如果是復(fù)線電氣化鐵道區(qū)段，通過開閉所的斷路器還可將上行和下行接觸網(wǎng)并聯(lián)起來，此時的開閉所還兼有分區(qū)亭的作用。第十四頁，共32頁。1-2-3牽引變電所的一次供電方式1-2-3牽引變電所的一次供電方式又稱外部供電方式。通常要求每個牽引變電所必須有兩個獨立電源供電，或者由兩路非同桿架設(shè)的輸電線路供電，其中每路輸電線應(yīng)能夠承擔牽引變電所的全部負荷。兩路電源互為備用或一主一備。牽引變電所的供電方式通常有三種：一邊供電、雙邊供電、環(huán)形供電。

1、一邊供電指牽引變電所的電能只能由電力系統(tǒng)中的一個方向送來，如圖1-3所示。第十五頁，共32頁。1-2-3牽引變電所的一次供電方式

2、兩邊供電指牽引變電所的電能由電力系統(tǒng)中的兩個方向送來，如圖1-4所示。

3、環(huán)形供電指若干個發(fā)電廠、地區(qū)變電所通過高壓輸電線連接成環(huán)形電力網(wǎng)，而牽引變電所處于環(huán)形電力系統(tǒng)中的一段環(huán)路之中。仍如圖1-4所示。第十六頁，共32頁。1-2-4牽引變電所的引入線方式1-2-4牽引變電所的引入線方式又稱牽引變電所一次側(cè)的主接線方式。采用哪種引入線方式，取決于技術(shù)、經(jīng)濟、運行、外部供電方式、主變壓器的接線方式等綜合因素。目前我國牽引變電所的引入線方式有三種：橋接線方式、雙T接線方式、單母線分段方式，如圖1-5所示。第十七頁，共32頁。1-2-4牽引變電所的引入線方式

1、橋接線方式當電力系統(tǒng)的功率需要穿越牽引變電所時，采用此種接線方式。牽引變電所有兩路引入線，并通過橋斷路器連接起來，以便通過穿越功率。當橋斷路位于牽引變壓器側(cè)時，稱為內(nèi)橋；當橋斷路器位于線路側(cè)時，稱為外橋。

2、雙T接線方式又稱為分支接線，即兩路輸電線路分別引出兩條支線到牽引變電所，構(gòu)成雙T形。此種引入方式通常只有一咱送電，另一路備用。

3、單母線分段方式當牽引變電所除了兩路電源引入線外，還需要引出線的中心變電所，通常采用此種引入線方式。其分段斷路器既能經(jīng)常通過穿越功率，又可在必要時將母線分成兩段，以提高供電的可靠性和靈活性。第十八頁，共32頁。1-2-5接觸網(wǎng)的供電方式1-2-5接觸網(wǎng)的供電方式指牽引變電所向接觸網(wǎng)的供電方式。有兩種方式：單邊供電方式、雙邊供電方式。針對單線區(qū)段和復(fù)線區(qū)段，都可以采用這兩種方式。

1、單線區(qū)段（1）單邊供電如圖1-6所示分區(qū)亭的斷路器斷開時，為單邊供電。（2）雙邊供電如圖1-6所示分區(qū)亭的斷路器連接時，為單邊供電。第十九頁，共32頁。1-2-5接觸網(wǎng)的供電方式2、復(fù)線區(qū)段由于復(fù)線雙邊供電分區(qū)亭設(shè)備復(fù)雜，對接觸網(wǎng)短路故障的保護十分困難，所以我國目前針對復(fù)線區(qū)段只采用單邊供電方式。如圖1-7所示。第二十頁，共32頁。1-2-5接觸網(wǎng)的供電方式復(fù)線單邊供電有兩種方式：單邊末端并聯(lián)供電、單邊全并聯(lián)供電。（1）單邊末端并聯(lián)供電由于復(fù)線區(qū)段牽引變電所同一側(cè)的上、下行接觸網(wǎng)均供同相電，故可在接觸網(wǎng)供電分段的末端用分區(qū)亭中的斷路器連接起來，形成單邊并聯(lián)供電。如圖1-8所示。優(yōu)點：接觸網(wǎng)的電壓損失和電能損失顯著減小。缺點：分區(qū)亭設(shè)備復(fù)雜，運營維修工作量大。所以在實際當中，不投入斷路器，形成單邊分開供電，即如圖1-7所示方式。第二十一頁，共32頁。1-2-5接觸網(wǎng)的供電方式（2）單邊全并聯(lián)供電在每個車站利用柱上負荷開關(guān)將上、下行接觸網(wǎng)并聯(lián)，形成并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，如圖1-9所示。并聯(lián)負荷開關(guān)可以自動投切，也可以經(jīng)設(shè)于車站的遠動終端RTU由電力調(diào)度控制。優(yōu)點：第一，比末端并聯(lián)供電更能有效地減小接觸網(wǎng)阻抗，降低接觸網(wǎng)電壓損失和電能損失；第二，能對接觸網(wǎng)的短路故障進行有效的保護。第二十二頁，共32頁。1-3電力機車簡介1-3電力機車簡介

我國電氣化鐵道運行的電力機車，少量為國外引進的，大部分為我國自己設(shè)計制造的SS型單相工頻電力機車。機車的額定電壓為25kV，最高工作電壓為29kV，最低工作電壓為20kV。牽引電動機采用直流串勵式，額定電壓為1020V，功率為700~900kW。第二十三頁，共32頁。1-3電力機車簡介1-3電力機車簡介1-3-125kV側(cè)電路1-3-2相控整流調(diào)壓電路第二十四頁，共32頁。1-3-125kV側(cè)電路1-3-125kV側(cè)電路以SS8型電力機車為例，其簡化的主電路包括：受電弓、主斷路器、變壓器、電壓互感器、電流互感器、避雷器等。如圖1-10所示。第二十五頁，共32頁。1-3-125kV側(cè)電路

1、受電弓以大約(90±10)N的壓力與接觸網(wǎng)接觸并獲取電流。為了改善取流條件，降低弓網(wǎng)之間的相互磨損，受電弓上裝有粉末冶金滑板，有的受電弓上還裝有固體注滑劑。電力機車上裝有兩個受電弓，一般升弓后，前弓備用。

2、主斷路器接于受電弓與主變壓器之間，安裝于機車車頂中部，是電力機車電源的總開關(guān)和總保護電器。采用空氣斷路器，額定切斷電流達10kA，固有分閘時間不大于30ms。與之配合動作的還有隔離開關(guān)，當主斷路器切斷電弧電流后，隔離開關(guān)隨即打開，此后主斷路器重新合閘。當送電時，只要合上隔離開關(guān)即可。第二十六頁，共32頁。1-3-125kV側(cè)電路

3、變壓器額定電壓為25kV，低壓繞組除牽引供電牽引電動機用電外，還有輔助繞組、勵磁繞組等。

4、電壓互感器用于電壓測量及電度的計量，變比為25000/100，并接在主斷路器之前，只要升起受電弓，就可知網(wǎng)壓狀況。

5、電流互感器1用于變壓器高壓側(cè)短路保護，保護動作時間約為0.06s。注意：當機車頂部短路時，由牽引變電所的饋線保護進行保護。

6、電流互感器2

用于電度計量。

7、避雷器用于抑止操作過電壓及雷擊過電壓。第二十七頁，共32頁。1-3-2相控整流調(diào)壓電路1-3-2相控整流調(diào)壓電路1、直流電機的調(diào)速原理

電力機車采用直流電動機牽引的重要原因之一，是因為直流電動機便于調(diào)速。由于轉(zhuǎn)速公式為：

所以，調(diào)節(jié)電動機的電樞電壓U就可實現(xiàn)調(diào)速。早期調(diào)速采用調(diào)壓開關(guān)分級調(diào)速，缺點是變壓器抽頭多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。目前采用大功率晶閘管相控整流調(diào)壓電路實現(xiàn)調(diào)壓，克服了以上缺點。

2、電力機車的三段相控整流調(diào)壓電路圖中a2x2,a1b1,b1x1為機車變壓器副邊的三段牽引繞組。二極管V1~V4及晶閘管VS01~VS26組成三段橋相控整流電路。L為平波電抗器，對整流回路的脈動電流起平波作用。。如圖1-11所示。第二十八頁，共32頁。1-3-2相控整流調(diào)壓電路第二十九頁，共32頁。1-3-2相控整流調(diào)壓電路

2、三段相控整流調(diào)壓電路工作原理（1）三步投入

1）開通V1、V2、VS01、VS02組成的四臂橋，繞組a2x2投入；

2）開通V3、V4、VS03、VS04組