牵引供电系统开题报告

一、选题意义
牵引供电系统是铁路的动力来源,供电系统的供电能力直接关系到铁路的整体运输能力。

牵引变电所是牵引供电系统的核心设施，其主要功能是降压、分相以及向牵引负荷供电，牵引变电所带负荷能力的大小决定了铁路线的供电能力。

正常供电情况下，接触网供电分区由牵引变电所供应电能，相邻变电所之间毗连的供电臂相互绝缘，牵引变压器向各供电臂供应电能为电力机车提供动力。

与一般电力负荷相比，牵引负荷有着自己的特点，如波动频繁、负荷大、短时集中、可靠性要求高、受电时间长以及负载率高。

鉴于牵引负荷的诸多特点，实践运行时通常会将此类供电系统留有很大的余量。

目前国内推行容量在315KV A以上的大工业类用户采用两部制电价计费，此外电气化铁路自1994年就已开始执行两部制电价。

两部制电价的执行促使用户提高设备利用率，改变“大马拉小车”的状况，同时降低最大负荷，提高电网负荷率，减少无功负荷，改善用电功率因数，提高系统的供电能力，使供用双方从降低成本中都获得一定经济效益。

对牵引电费中基本电价研究，目前均采用固定容量法计费，在当前两部制电价情况下,由于变压器容量选取过大的原因致使铁路局每年还要为此付出高额的基本电费。

通过研究发现：一是，普速线的变压器安装容量较小且线路较为繁忙，基本电费所占比例较小，尤其石太线、丰沙线经常过负荷。

因此，目前计费方式较合理；二是，京广高铁、石太客专变压器安装容量较大且运行初期列车密度小，应按变压器需量法方式计费，尤其石太客专要加快推进与供电公司的沟通协商力度，收集相关数据进行计费方式变更的各项准备工作；三是，京津城际变压器容量较小，基本电费所占比例较小，挖潜空间较小，做好进一步数据积累和追踪工作。

《销售电价管理办法暂行规定》按照用户向电网申报负荷用电功率收取基本电费，但是超出申报值的部分加倍收费，为保证申报值的合理性，能够充分利用牵引变压器的过负荷能力,提高牵引变压器容量利用率，准确地分析牵引负荷这样随机波动大的牵引供电系统带负荷能力是十分重要的，这对降低铁路的运输成本具有重大意义。

一旦外部电源失压或牵引变电所设备故障引起全所停电时,通常由相邻的牵引变电所向停电的牵引变电所采取越区供电的方式向接触网供电。

当采用越区供电时，电力机车的工作运行状况直接影响牵引变电所的供电能力，电力机车重载或行车密度大时会造成牵引变压器出现过负载现象，轻则造成变压器寿命缩短，重则导致变压器烧毁；电力机车轻载或行车密度小时会使牵引变压器容量利用率低，系统供电能力弱。

越区供电相应地增加了两相邻牵引变电所的供电负荷，为满足超长距离供电，通常将变压器容量和电缆截面选择过大，除了造成供电设备容量闲置外，还给变压器的制造成本和运行成本造成较大的浪费。

为了削弱越区供电对运输能力的影响，减少电力资源的浪费，避免过多地限制列车数量以及降低列车速度，需要在越区供电的情况下研究电力机车对牵引供电系统的影响,分析由于速度状态的改变和负荷的增加而导致的供电能力的变化以及变电所设备、网压、功率因数的变化, 并对能力值进行校验，给出最佳方案。

通过本课题的研究，能够明确越区供电情况下电力机车对牵引供电系统供电能力的影响,提前发现可能对运营安全带来的隐患,为发生越区供电后列车的正常开行提供有力的支持,具有十分重要的工程意义。

在牵引供电领域，关于牵引供电系统的供电能力目前主要是在正常供电方式下的分析与研究，很少综合考虑在非正常供电方式下的分析与研究。

针对牵引负荷的特性，需要对牵引供电系统的供电能力作综合分析来保证铁路的安全可靠运
行。

本文从安全和经济的角度出发，在保证牵引供电安全性的前提下,从正常牵引供电方式和非正常牵引供电方式两方面对牵引供电能力作了综合的分析与研究。

二、国内外发展动态
强大而可靠的供电是保证高速铁路正常运输的基本条件，高速铁路客观上要求供电电源具有较大的系统短路容量。

我国电网110kV电源的系统短路容量一般较小，难以满足供电需要，铁路和电力部门在京津、武广、合宁等铁路工程供电的研究和协调中，已基本上取得了高速铁路采用220kV电源供电的共识。

国外高速铁路绝大多数都采用220kV或以上的电压供电，电力系统短路容量在10000MV A左右，个别采用220kV以下电压供电时，都要求有较大的系统短路容量，如韩国采用154kV电源供电，系统短路容量平均为8000MV A。

日本高速铁路建设最早，在电源问题上曾走过弯路。

东海道新干线1964年建设时，限于当时电网的条件，采用了77kV电源供电。

上世纪80年代，旅客运输量急增，供电能力严重不满足需要，多次对牵引供电系统进行了修修补补的改造，仍难以适应铁路运输的需要。

最终不得已对电源系统进行了彻底改造，改用275kV电源供电，适应了旅客运输的需要，列车运行速度也提高到了270公里，最高300公里。

电气化铁路设计，应高度重视牵引网供电能力问题，积极与电力部门进行沟通和协商，采用合理的外部电源供电方案。

在铁路系统中，关于供电能力的分析与研究主要停留在供电系统本身和机车本身单独的考虑上，很少将车网耦合在一起考虑。

对于越区供电情况下的供电能力也缺乏深入的研究。

因此，有必要对机车和牵引网进行研究，通过仿真和现场试验的方法，定性定量的分析机车负荷、电气结构与谐波特性，牵引网的结构参数，分析车网耦合情况下的电磁暂态过程，研究牵引网供电电压、牵引网载流能力以及牵引变压器容量，为分析牵引供电系统的供电能力提供依据。

三、课题研究要求与研究方案
课题的主要内容为牵引供电系统供电能力的研究。

通过分析牵引网供电电压、牵引网载流能力、牵引负荷以及牵引变压器容量，以石太客专某一区间的供电能力为例来研究整个线路的供电能力。

铁路供电能力的大小与该线路上的固定设备、机车车辆类型、机车数量、运行速度、运行环境、行车组织方法以及列车运行图的类型等因素有关。

流程图：
具体内容：
1、确定铁路牵引供电方式，机车类型和线路情况。

2、从安全与经济的角度出发对正常情况下的供电能力进行分析，拟采用基于阈交理论的负荷分析算法确定牵引供电系统的最大需量。

3、越区供电情况下，拟采用具有变量范围约束的交流潮流模型及其求解方法, 可以更准确地分析牵引供电系统对牵引负荷变化的适应性及供电能力,找出制约供电能力的原因。

4、建立牵引供电系统的各种运行方式和各类车型的电气仿真模型。

利用电力电磁仿真软件ATP-EMTP以及现场采集的数据搭建整个牵引供电回路及机车仿真模型。

（1）搭建不同类型机车在正常供电条件下单一、混跑运行的仿真模型。

（2）搭建不同类型机车在越区供电条件下单一、混跑运行的仿真模型。

5、按照按照既有运行图，对牵引供电系统的不同运行方式、运行状态及机车类型、驾驶操作方式进行运行仿真实验。

6、对牵引供电越区能力和保护定值进行校验。

7、依据运行图，分析越区供电时列车单跑以及混跑时对供电区段的变电所设备、网压、功率因数以及牵引电流的影响，根据潮流计算所得结果验证仿真结果的可行性，制定合理的不同供电方式下的越区供电方案，使铁路的供电能力达到最大，并给出不同车型的限行状况。

四、方案论证
1 电气化铁道牵引供电系统
牵引供电系统（Traction Power Supply Systems）是由向电力机车提供电能的沿线供电设施从电能的传输、变换、分配角度所构成。

主要包括：牵引变电所、
牵引网、专用高压供电路，如图1所示。

对电气化铁道供电系统的基本要求：
①保证电气化铁路安全、可靠、不间断地供电；
②通过供电质量，保证必须的电压水平；
③通过功率因数，减少电能损失，降低工程投资和运营费用；
④尽量减少单相牵引负荷在电力系统中引起的负序电流和高次谐波的影响；
⑤尽量减少对邻近的通信线路的干扰影响。

图1电气化铁道牵引供电系统示意图
2 牵引供电系统的特点
(1)负荷特点：移动性，变化剧烈，非线性，单相；电流回路不可靠，存在薄弱环节（弓网受流）。

(2)网络特点：牵引网为单相含地的不平衡网络；接触网结构复杂，无备用，运行环境恶劣，故障率高；导线特殊：接触线，钢轨；牵引网结构比一般电力线路复杂。

(3)牵引变电所：拓扑结构三相不对称；变压器接线特殊。

3 牵引变电所
牵引变电所（Traction Substation, SS），
从公用电力系统（Public Electric Power
Systems）接受电能，通过变压器将电能从
三相110kV220kV变换成单相27.5kV（对
AT系统为2×27.5kV），并向铁路上、下行
两个方向的牵引网供电。

变电所两侧的牵引
网区段被称作供电臂。

变电所的主要设备有
牵引变压器（有多种接线方式）、断路器
（SF6、真空、少油、油断路器）、隔离开关、
避雷器、避雷针、电压互感器、电流互感器、
控制、保护、测量、计量、监视和电源设备、
无功补偿装置、调压装置。

牵引变电所主接
图2 牵引变电所主接线
线如图2所示。

牵引变压器是牵引变电所的核心电气设备，我国电气化铁路的迅速地发展,使得牵引变电所内所用的牵引变压器需求量越来越大。

变压器的额定容量是视在功率的惯用词,是指输入的容量,它作为变压器设计、制造厂保证其质量和试验的
基础,是用户使其在预期负载条件下运行的依据;输入容量是指变压器一次侧从电网所吸取的视在功率;输出容量是指变压器二次侧输出的视在功率;结构容量是变压器原副绕组和铁芯设计所依据的视在功率。

对于一般变压器,其输入容量与输出容量基本相等,结构容量与额定容量相等;但因铁路牵引供电的特殊性,其容量关系存在较大的差别。

主变压器容量选择不仅关系到变压器容量及其寿命的合理利用，而且还直接关系到电气化铁道运行质量。

牵引变电所负荷特点首先在于主变压器全天平均负载率较低，据统计全路牵引变压器容量利用率平均约为15%；其次在于牵引负荷幅值变化频繁，大负荷工况下的短时负载率较高，个别达到主变压器额定容量的 2 倍以上，这些特点给牵引变压器容量合理选择带来一定的难度。

在两部制电价下，选择过大容量的牵引变压器在经济上是不可取的。

牵引变压器容量的选择应在不损害变压器正常使用寿命的原则下，充分合理利用变压器的过负载能力，这对变压器的安全可靠运行及变压器的经济性有很重要的意义。

4 牵引网
牵引网（Traction Network），主要由接触网、馈线、钢轨及大地、变电所轨地回流线等元件构成，是由多条导线和各种感性和容性元件组成的网络。

在电气化铁路中，牵引供电系统与电力机车的电气传动部分组成一个大的电气系统，在正常情况下，牵引供电系统通过接触网沿线路向电力机车提供电能，机车通过受电弓从接触网上获取电能驱动机车行驶，这两者共同工作，形成统一的整体，如图3所示。

图3 牵引网与机车系统图
5 分区所
分区所（Section Post, SP），设于两变电所之间，把电气化铁道牵引网分成不同供电区段，装有开关设备，根据运行需要可以连接同一供电臂的上、下行接触网，或连接相邻供电臂以实现越区供电。

6 开闭所
开闭所（Sub-feeder Switching Post, SFSP），实际上是开关站，多设于铁路枢纽，一般两路进线、多路馈线，用以实现对站场各股道群的分别供电控制。

①进线和馈线都经过断路器，可灵活地对各分区接触网停、供电。

②在断路器上可实现短路故障保护，从而缩小事故停电范围。

7 牵引变电所向接触网的供电方式
(1)单边供电
每个供电分区只从一端牵引变电所获得电能。

优缺点：相邻供电臂电气上独立。

运行灵活，接触网发生故障时，只影响到本供电分区，故障范围小，牵引变电所馈线保护装置较简单。

(2)双边供电
每个供电分区同时从两个牵引变电所获得电能。

优缺点：可提高接触网电压水平，减少电能损耗。

但馈线及分区亭的保护及开关设备都较复杂。

（3）越区供电
当某一牵引变电所因故障不能正常供电时，故障变电所担负的供电臂，经分区亭开关设备与相邻供电臂接通，由相邻变电所进行临时供电。

越区供电增大了该变电所主变压器的负荷，对电气设备安全和供电质量影响较大，因此，只能在较短时间内实行越区供电，是避免中断运输的临时性措施。

（4）并联供电
复线区段同一侧供电臂上、下行线通过开关设备（或电气连接线）实行并联供电。

优缺点：并联供电可提高供电臂末端电压，但是接触网发生故障时，影响范围大，运行检修不够灵活。

8 牵引网向电力机车供电方式
接触网对机车的供电方式主要有5种，直接供电（DF）方式、带回流线的直接供电（DN）方式、自耦变压器（AT）供电方式、吸流变压器（BT）供电方式和同轴电力电缆（CC）供电方式。

本课题以DF和AT供电方式为主。

(1)直接供电方式，牵引变电所将电能通过馈电线传输到接触网，接触网通过受电弓连接到机车的变压器一次侧，然后通过钢轨，流回牵引变电所。

这种方式结构最简单，投资也最小，但由于钢轨、大地承担了较大的电流，所以钢轨电位较高，对通信线的干扰最大，通信线路较少场合适应。

(2)带回流线的直接供电方式，为保留直接供电方式的优点，弥补直接供电方式不足，沿接触网增设了与轨道并联的架空回流线，称为带回流线的直接供电方式，如图4所示。

原先经过钢轨大地的回流，部分经由回流线回流，由于回流线与馈线距离较近，并且于回流线与馈线中的电流方向相反，对邻近通信线路增加了屏蔽的效果，此外，钢轨电位的降低，也会减少对通信的干扰；回流线的架设也降低了牵引网的阻抗，减小了牵引网的电压损失，延长了供电臂的供电长度。

图4带回流线的直接供电方式。