牵引供电系统外部电源与供电方式

二、牵引供电系统对外部电源的要求
2、牵引供电系统外部电源供电方式
多电源混合供电方式
它由多电源环网供电、双回输电线路和辐射供电（电源G3直接终端牵引 变电所供电）等方式综合构成。用于电力系统电源点较多的情况。
二、牵引供电系统对外部电源的要求
3、电力系统电能质量的基本要求
优质的供、用电应具有以下特征： (1) 供电电压具有稳定的标称频率、幅值和波形；
牵引变电所的负荷大小，与供电臂中运行的列车数量、 铁路线路坡度及列车运行速度等因素有关。
实测牵引变电所负荷曲线实例
一、电气化铁道概述
牵引变电所负荷具有如下特点： 负荷波动频繁
每一条铁路沿线线路条件千差万别，列车在运行时速度
和线路坡度随时都在变化；且列车在铁路上按信号运行，在 铁路运输状态发生变化时，在供电臂内列车数量疏密不等。 所以，牵引变电所两供电臂内，列车的数量及每一列车的负 荷状态随时都在变化，牵引变电所的负荷呈现出频繁波动的 状态。
定电压之差，以额定电压的百分数表示。 35kV 及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超 过额定电压的10%；
二、牵引供电系统对外部电源的要求
在牵引供电系统的设计中要求牵引网电压水平不低于 19kV，需
要考虑最小短路容量，即在系统短路阻抗较大的情况下，能否满足
列车牵引的需要。 电气化铁路牵引供电系统的电压水平受电力系统电压损失、牵 引变压器电压损失和牵引网电压损失三方面制约。
(2) 保持三相电压和电流的平衡，保证电网最大传输效率；
(3) 持续稳定和充足的电能供应； (4) 低廉的电价；
(5) 对环境的不良影响较小。
二、牵引供电系统对外部电源的要求
电能质量国家标准 GB/T 12325-2008 GB/T 15945-2008 GB/T 15543-2008 电能质量 供电电压偏差 电能质量 电力系统频率偏差 电能质量 三相电压不平衡度
车载变压器
辅助回路 钢轨
独立他励系统
牵引电流从钢轨回流至变电所 交直型电力机车工作原理图
一、电气化铁道概述
交直型电力机车采用半控桥式整流，通过晶闸管控制 导通角来控制机车出力，所以，交直机车在整流过程中
会产生谐波，功率因数较低。
SS4型货运电力机车
SS8型客运电力机车
一、电气化铁道概述
交直交型电力机车（动车组）
一、电气化铁道概述
（1）单相工频交流制： 1950年法国在埃克斯.累.班—里
亚罗什休尔伏龙区段试建的25kV工频单相交流电气化铁路
成功，25kV工频单相交流制在世界广泛推广，我国电气化 铁路全部采用25kV工频单相交流制。 单相工频交流制的牵引供电系统的优点：结构简单， 不需要在变电所设置整流和变频设备；牵引供电电压增高， 既可保证大功率机车的供电，提高机车的牵引定数和运行
1979年德国开发了世界首台大功率干线交流传动电力 机车，克服了交直型电力机车的缺点。
受电弓 断路器 交流25kV 接触网
车载变压器
整流器
直流
逆变器
交流电机 辅助回路 钢轨 牵引电流从钢轨回流至变电所
交直交型电力机车工作原理图
一、电气化铁道概述
交流牵引电机功率大、过载能力强、噪声小、调速范围 宽(0～5000r/min左右)、再生制动力巨大。 交直交机车采用四象限整流，通过GTO或IGBT控制导通 和关断角来控制机车的出力，可分别控制导通和关断机车主
之间通过PCC点的电能质量相互约束。
公共连接点（PCC） 或 供用电协议规定的电能计量点
电力系统
牵引 变压器
回 流 线
电能质量
牵 引 供 电 系 统
馈 线
牵 引 网
25kV
接触网
钢轨
二、牵引供电系统对外部电源的要求
电能质量——电压偏差 GB/T 12325—2008电能质量 供电电压允许偏差
交流50Hz电力系统供电电压偏差定义为实测电压与额
一、电气化铁道概述
另一种低频单相交流电力牵引供变电系统，由三相工频
交流电力系统获得电能，经牵引变电所降压变频后，再
经过升压变压器将电压升至15kV后馈送至牵引网。
一、电气化铁道概述
低频单相交流制牵引系统的优点：电力机车或动车组可采 用牵引特性良好的单相整流子牵引电动机驱动，因为在低 频（16 2/3Hz）情况下，这种电动机的换向条件较工频 （50～60Hz）时更为有利，但由于设备复杂，大大限制了
克服空气阻力运行，持续受流时间长。
一、电气化铁道概述
负荷与线路坡度的关系 列车爬坡的情况下克服重力运行，在运行速度较低时， 空气阻力较小，线路坡度对牵引负荷的影响较大。高速列车 的空气阻力较大，列车主要克服空气阻力运行，线路坡度对 牵引负荷的影响较小。
一、电气化铁道概述
（3）牵引变电所的负荷特性
ΔU E cos δ U Re( ΔU ) RS cos I X S sin I
二、牵引供电系统对外部电源的要求
计算到负荷端口，系统电压损失表达式如下
U RS I cos X S I sin ( RS P X S Q) / U N
忽略电阻
RS X S
二、牵引供电系统对外部电源的要求
2、牵引供电系统外部电源供电方式
双电源环网双回供电方式
牵引变电所电源进线来自两个不同电源点（地区变电所），且若干
变电所的一次侧进（出）线与电力系统连成环形网，可靠性高，不 影响系统的功率传输。用于WL2为电力系统的主要功率传输线不能破
口另需另设线路2为电气化铁路专用线时。
电气化铁道牵引供电系统
西南交通大学电气工程学院
一、电气化铁道概述
二、牵引供电系统对外部电源的要求 三、牵引变电所实测数据分析 四、牵引供电系统供电方式
一、电气化铁道概述
一、电气化铁道概述
1、交流牵引供电制式
目前世界上运行的交流电力牵引供变电系统主要有工 频（50Hz或60Hz）单相交流电力牵引供变电系统和低频 （16 2/3Hz）单相交流电力牵引供变电系统两种制式。 它们都由外部供电线路、牵引变电所、牵引网、分区所、 开闭所等装置和环节组成。
其经济性。
在20世纪中期以前电力电子和传动控制技术尚不发达，这 种技术选择在当时应属可取的。
一、电气化铁道概述
2、牵引供电系统的负荷特性 （1）电力机车的电气特性
交直型电力机车 电力机车从接触网取得25kV工频单相交流电，经车载变 压器降压为1500V，整流后向牵引电动机供电。
受电弓 交流25kV 接触网 断路器 整流器 1500V 直流电机
列车的负荷大小，主要与列车牵引重量、运行速度、线路 坡度等因素有关。
列车负荷与牵引重量的关系
在运行速度、线路坡度相同的情况下，列车负荷与牵引重 量成正比。
列车负荷与运行速度的关系
列车运行速度越高，空气阻力越大，空气阻力随速度呈 几何级数增长。在牵引重量、线路坡度相同的情况下，运行
速度越高，牵引功率和能耗大幅度提高。高速时，列车主要
单相工频交流
牵 引 网 25kV
馈 线
回 流 线 接触网
钢轨
二、牵引供电系统对外部电源的要求
2、牵引供电系统外部电源供电方式
单电源双回输电线路供电方式
牵引变电所电源进线来自一个电源点，需要双回路输电线， 为保证电压水平，输电线路距离较短，牵引变电所数目不应 超过两个，供电的可靠性和灵活性较差，变电所为双T接线。
一、电气化铁道概述
负载率低
牵引变电所的负荷是由铁路运量、列车速度、线路条
件等因素决定的，列车运行时受流状态随时都在发生变化，
平均负荷较低。但牵引变电所供电能力必须适应短时出现 的高峰负荷的需要。所以，牵引变电所的负载率很低。
二、牵引供电系统对外部电源的要求
二、牵引供电系统对外部电源的要求
1、牵引供电系统与电力系统的关系
系统。
一、电气化铁道概述
（2）单相低频交流制：许多西欧国家如奥地利、挪 威、瑞典和德国等都采用这种电流制。
低频单相交流电力牵引供变电系统有两种构成形式：
一种是早期欧洲部分国家所采用的电气化铁路专用低 频电力系统，建立完全独立的电力牵引专用的低频供 电系统，由发电厂发出单相低频电流，经高压输电线 输送到牵引变电所，在牵引变电所降压馈送到牵引网。
速度，又可使变电所之间的距离延长，导线截面减少，建
设投资和运营费用显著降低；地中电流对地下金属的腐蚀 作用小，一般可不设专门防护装置。
一、电气化铁道概述
从电力系统接受电能，通 过变压、变相或变频后，
向电气化铁道电力机车
（动车组）负荷提供所需 电压、频率制式的电能， 并完成牵引电能传输、配 电等全部功能的专用电气
二、牵引供电系统对外部电源的要求
2、牵引供电系统外部电源供电方式
双电源环网单回路供电方式
G1 输电线 G2
牵引变电所
牵引变电所
牵引变电所
牵引变电所电源进线来自两个不同电源点（地区变电所），变电所接
入数目在2个及以上时应采用桥形接线，可靠性较高，用于电力系统
的非主要功率传输线上。电力系统向牵引变电所专门供电时采用。
GB/T 12326-2008 电能质量 电压波动和闪变
GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波
GB/T 24337-2009 GB/T 18481-2001
电能质量 公用电网间谐波 电能质量 暂时过电压和瞬态过电压
二、牵引供电系统对外部电源的要求
牵引供电系统与其电源，即三相电力系统（公用电网）
一、电气化铁道概述
牵引变电所负荷具有如下特点： 负荷大小不均衡 牵引变电所的负荷随着两供电臂内列车的数量及每一列 车的负荷状态随时波动，有时轻载，甚至空载。有时负载较
重，在节假日、铁路故障后恢复行车等情况下，会出现列车
紧密追踪情况，在军运、煤电油运、农运等特殊运输期间， 也会出现列车紧密追踪情况。此时，牵引变电所会出现负荷 高峰值。
牵引变电所 电压损失 牵引网电压损失
机车受电点电压=牵引变压器空载电压-牵引变电所压损-牵引网压损
二、牵引供电系统对外部电源的要求
eA eB eC RS XS
U E Z S I E U U Z S I
牵引 变电所
牵引 变电所
回流线
馈线
25kV
钢轨
接触网
二、牵引供电系统对外部电源的要求
二、牵引供电系统对外部电源的要求
1、牵引供电系统与电力系统的关系
高压输电网： 500/220/110kV
低压配电网：
35/10/0.38kV
二、牵引供电系统对外部电源的要求
220kV或110kV 用电 设备 发电机 升压 变压器 高压输电线路 降压 变压器 降压 变压器
三相工频交流
牵 引 供 电 系 统 牵引 变压器 变电所
电压损失概念及计算方法
E
压降：U E U
压损： ΔU E - U
ΔU (压降)
矢量差
算数差
δ
ΔU
jIX S
A

I
U IRS B
CHale Waihona Puke Baidu
I E
ΔU (压损) Z S RS jX S U
δ 很小，近似 E E cos δ
工程上
U E U Z S I ( RS jX S ) I
变压器的若干个低压绕组的整流，使电流波形逼近正弦波，
且电流与电压的相位基本同步。交直交型电力机车的谐波含 量很小、功率因数高。 我国于1991年开始进行交流传动电力机车的研究，先后 研制成功了交直交动车组和交直交货运电力机车。铁路计划
逐渐全面推广交直交型电力机车和动车组。
一、电气化铁道概述
（2）列车的负荷特性
ST为负荷三相容量，kVA；
负荷功率因数角。
二、牵引供电系统对外部电源的要求
当前我国电气化铁路的已有牵引变电所用电容量最大 达到80MVA，高速客运专线牵引变远期规划容量达
式中，UN为线路额定相电压，kV； Sk为负荷端口的系统三相短路容量，MVA； ST为负荷三相容量，kVA；负荷功率因数角。
(V)
(kV)
二、牵引供电系统对外部电源的要求
进一步，计算电压偏差
U U 100 UN
'
ST sin 10 Sk
(%)
式中，Sk为负荷端口的系统三相短路容量，MVA；
或
U X S I sin
Q U X S UN
式中，XS为负荷端口看出的电网等值相电抗，；
Q为该相线路传输的无功功率，kvar；
UN为线路额定相电压，kV；
为负荷功率因数角，感性负荷取正值。
二、牵引供电系统对外部电源的要求
按三相负荷，系统电压损失表达式如下
( 3U N ) 2 U X S I sin I sin Sk UN UN (3U N I ) sin ST sin Sk Sk UN ST sin 1000 S k