电气化铁路供电系统

电力部门要求大工业用户的功率因数达 到0.9以上，高出部分奖励、低于该数值将罚 款。
整改措施：加功率因数补偿装置，困难 在于负荷波动导致功率因数大范围波动，难 以达到理想的补偿效果。
交-直-交机车的功率因数基本接近1.0。
但我国电气化铁路仍然存在大量的 交-直机车，所采用的功率因数动态补 偿装置由于电力电子技术、器件造价等 问题，仍然无法大规模应用。
谐波问题
整改措施：在牵引变电所增加滤波器 （单调谐滤波器、高通滤波器），存在 增加投资的问题。
限制：谐波电流问题一直是铁路部门 和电力部门之间争论的焦点问题。
负序电流问题
牵引供电系统的负荷为单相负荷，导致 从电力系统三相去用的电能不平衡，从而向 电力系统注入负序电流。
负序电流的危害：降低用户电能的利用 率，引起用户旋转电机转子表面温升过高。
2 牵引网
通常，将接触网、钢轨、回流线构成的线路称为牵引网。接触网 和钢轨是牵引网的主体。
接触网（图3-54）是架设在电气 化铁路上空，向电力机车供电的一种 特殊形式的输电线路，其质量和工作 状态直接影响电气化铁路的运输能力。
接触网根据其接触悬挂类型，可 以分为简单接触悬挂和链形接触悬挂 两类。
图3-54 接触网
电气化铁路供电系统
一，电气化铁道牵引供电系统设置
将电能从电力系统传送到电力机车的电力设备，总称为电气化铁 道的供电系统。牵引供电系统主要包括牵引变电所和接触网两变压器(2)提 高电压后，由高压输电 线(3)送到铁路沿线的牵 引变电所(4)。在牵引变 电所里把电流变换成所 要求的电流或电压后， 经馈流线(5)转送到邻近 区间和站场线路的接触 网(6)上供电力机车使用。
3、新型的轨道电路应用要求钢轨对地 的阻抗要足够大，这使得轨道对地电压水平 难以降低。
接地的目的： 1、泄流（雷电流、工频电流）； 2、限制地电位、相关设备电位升
高，确保人员、设备安全。 接地系统的评估指标：
1、接地电阻； 2、轨道电位、跨步电压。
对接地系统要求的技术指标：
欧标规定接触电压和轨道电位値（EN50122-1）
接触网系统是无备用系统。
机车通过受电弓与接触网滑动连接，取 得电能。
机车在运动过程中，存在不同方向的振 动，这些振动通过受电弓传递到接触网，接 触网随之振动。
良好的弓网关系是接触网振动特性和受 电弓振动特性一致，两者之间为一各随动系 统，使接触网和受电弓保持良好的接触。
问题：
1、接触网的振动特性受到很多因素的 影响，如导线的材料、接触网的结构形式等， 使得受电弓与接触网之间存在短暂的脱离现 象（离线），当受电弓与接触网处于离线状 态时，将出现拉弧现象；
链形接触悬挂是将接触 导线通过吊弦挂在承力索上。
简单接触悬挂是将接触导线 直接固定在支持装置上的悬挂 类型。
图3-55 链形接触悬挂
图3-56 简单接触悬挂
二牵引供电系统原理概述
图1、牵引供电系统示意图
●牵引供电系统的主要组成部分：
电源进线、牵引变压器、高压开关设备、导线、 绝缘子、电压互感器、电流互感器、避雷器、 馈出线等。 ●牵引供电系统主要指标 供电电压：27.5kV，2×27.5kV 供电频率：50Hz 变电所间距：40~50km（直供方式）
1、中性段（或机车）断电时出现过电压现 象，其过电压水平有时能达到击穿接触导线 绝缘子的数值，出现的电弧有可能烧损接触 网吊弦；
2、机车重新带电时，出现过电流现象，其 过电流水平有可能达到机车正常运行电流的 5-7倍，过流有可能损害设备的正常寿命、影 响继电保护动作正确性。
机车自动过电分相的几种方式：
继电保护问题
继电保护装置（系统）是一种能 自动检测故障特征、完成对故障的定位 并依据一定的规则把故障影响限制（对 故障部分断电）在一定范围内的自动化 装置（系统）。
继电保护面临的问题：牵引供电 系统供电方式的改变；故障和特征信息 的改变；计算方法与电气化铁路变化的 更新；在综合自动化系统中的集成等。
整改措施：牵引供电系统采用换相方式 接入电力系统，采用新型供电方式。
限制：电力部门一直在对牵引供电系统 注入电力系统的负序电流进行限制。
功率因数问题
列车从牵引供电系统取用的电能会随着 列车牵引定数、路况（限坡、弯道）、运行 图、司机操作技术等因素的影响，因此改变 列车取用的有功功率和无功功率，导致功率 因素发生变化。
机车过分相问题
在牵引变电所中，通常是把电力系统的 电能由高压降低为牵引供电系统所需要的电 压，同时把三相系统转变为两相系统，该两 相系统分别向牵引变电所两侧供电，因此， 列车在通过某些点时，需要从一相（如a相） 过渡到另外一相（如b相），在这两相之间需 要设置一个绝缘断口，这就是电分相。
与之相关的还有电分段，在同相之间设 置的绝缘断口。
距离做横向连接；
• 利用接触网支柱基础作接地极； • 沿线增设综合接地线，与钢轨、保护线充分连接； • 利用线路本身、线路旁建筑和结构等自然接地体接
地；
• 设几种接地极。
降低轨道电位的技术措施实现的困难：
1、改变钢轨泄漏电阻、设置横连线，将上下 行钢轨充分横向连接、上下行各架设保护线，在 钢轨与保护线间每隔一定距离做横向连接等技术 措施的采取必须考虑对轨道信号电路的传输信号 距离的影响；
图3-53 电力牵引系统的组成
1 牵引变电所
（1）定义 牵引变电所是设置于电气化铁路沿线，安装有受电、变电、配电 设备的建筑物。 （2）任务 牵引变电所的任务是将电力系统高压输电线输送来的110千伏 （或220千伏）的三相交流电，变压为27.5千伏的单相交流电，向其 邻近区间和所在站场线路的接触网送电，保证可靠而又不间断地向接 触网供电。 （3）设备 在牵引变电所里，主要设有主变压器、电压互感器、电流互感器、 高压断路器、各种高压隔离开关以及避雷器等电气设备。
80~100km（AT方式） 相数：单相
主要的牵引供电方式：
• 直供方式、BT供电方式、AT供电方式等。 • AT供电方式的优点：供电距离长、通信干扰小、
供电功率大等。
• 目前常速电气化铁路的供电方式多为直供+回流 线的方式，高速和重载电气化铁路多采用AT供电 方式
对牵引供电系统的基本要求：
• 可靠性：一级负荷、电源为双电源、电源接 入电压等级高（110kV、220kV、330kV）、两 座主变压器、馈出断路器备用。可靠性薄弱 环节：接触网系统（无备用、在运动中列车 作用下容易发生故障）。弥补措施：必要时 实施越区供电（越区供电时，由于供电能力 不足，列车无法按正常运行图运行）。
2、列出运行速度的提高，突出了一些 新的问题，如硬点、拉弧电流幅值以及离线 率。
解决手段： 1、改变接触网悬挂方式； 2、改变接触网结构及材料； 3、优化布置； 4、新的检测技术； 5、新的施工技术和维护手段。
绝缘配合问题
高压设备的带电部分与设备外壳、大地 之间需要绝缘，不同电压等级、不同相别的 高压设备之间也需要绝缘。
1、机车取流越来越大，机车的电流在经 过整流变压器后进入钢轨和大地，大的取流 电流有可能抬升轨道电位，使跨步电压达到 危害相关设备和人员安全的水平；
2、供电系统接入电力系统处的短路容 量大，这使得牵引供电系统发生短路故障时 的短路电流大大增加，在同样的泄流通道上 产生的轨道电位抬升和跨步电压水平将大大 提高。
柱上控制方式：中性段由若干相互断开的 段构成，利用机车运行进入中性段或离开中 性段时电流的变化自动合上或分开相应的断 路器。
机车过电分相的问题在常速电气化铁路中 并不突出，原因之一是列车的速度较低，但
在高速电气化铁路中将不容忽视。
接地问题
接地问题也是随着列车的提速而逐步涌 向出来。
高速和重载电气化铁路的主要特点（与 供电系统相关）有：
高速电气化铁路对综合自动化系统提出 了更高的要求：更高的可靠性、纳入综合调 度系统。这影响到继电保护系统在综合自动 化系统中的集成。
在综合自动化系统中，继电保护装置 （系统）与其它设备交换的信息通过网络完 成，调度系统的需求不同，会影响到继电保 护装置（系统）的通信接口技术、通信规约 等方面。
弓网关系问题
系统状态 接触电压允许値（V） 轨道电位（V）
正常运行
60
120
状态下（t>300s）
正常运行
65
130
状态下（t=300s）
故障状态
842
1684
下（t=100ms）
降低轨道电位的技术措施：
• 降低钢轨泄漏电阻； • 设置横连线，将上下行钢轨充分横向连接； • 上下行各架设保护线，在钢轨与保护线间每隔一定
地面控制方式：在机车到达分相前， 地面控制系统发出对断路器合闸的命令， 使中性段带电，在机车运行到中性段某 一位置后，地面控制系统对断路器分闸 的命令，并延时发出对另外一台断路器 的合闸命令，在机车脱离中性段后，对 断路器分出分闸命令。
车上控制方式：工作原理与地面过电分相 基本相同，所不同的是检测和控制系统安装 在机车上。
牵引供电方式的改变：1）新的牵引变 压器接线的应用，使得继电保护工作原理发 生变化，这种变化没有运行经验的支持，必 须通过对牵引新型牵引变压器的试验、分析 计算逐步完善对新型牵引变压器电磁关系的 认识。2）新型供电方式的应用，使得原有的 供电系统模型发生变化，而这种变化由于影 响因素较多，难以通过获得精确的模型拓扑 结构和参数，使继电保护的工作参数存在偏 差，这需要通过试验、分析计算完善模型。
• 供电能力：满足在不同牵引工况下电能的输 送。关键点：牵引供电臂末端电压水平。
• 运行方式的灵活性：在确保供电的前提下， 为设备的检修、运行方式的调整等提供灵活 的操作方式。改变运行方式的动作迅速。
• 完备的确保一次系统运行可靠性的措施。
目前牵引供电系统面临的主要问题：
• 谐波问题 • 负序电流问题 • 功率因数问题 • 机车过分相问题 • 接地问题 • 继电保护问题 • 弓网关系问题 • 绝缘配合问题 • 电磁兼容问题