lecture1-牵引供电系统外部电源与供电方式2015.10

1955年 前苏联
奥热烈利耶—巴维列兹
工频单相交流制 20kV 从此以后, 工频单相交流制在俄罗斯、 法国、日本、印度、南斯拉夫、保加利亚等国家 得到了广泛采用。
一、电气化铁道概述
当前干线铁路主要供电制式
供电制式 采用国家
俄罗斯、中国、日本、印度、 英国、南斯拉夫、罗马尼亚、 保加利亚、匈牙利、芬兰、 乌克兰、土耳其、澳大利亚、 葡萄牙、巴基斯坦、南非、 刚果 俄罗斯、南非、意大利、波 兰、捷克、西班牙、巴西、 斯洛伐克、比利时、智利
状态随时发生变化，供电臂内列车数量疏密不等；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。
一、电气化铁道概述
高速铁路列车负载率高，受电时间长，运行密度大，单 相负载的冲击性更大 空气阻力随速度呈几何级数增长。高速时，空气阻 力成为列车运行的主要阻力，持续从接触网取得电能； 高速列车单车电流可达600～1000A，而普速列车电流一
用电网）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
电能质量 牵 引 供 电 系 统 牵引 变电所 牵 引 网
电力系统
牵引 变电所
馈线 回流线
25kV
钢轨
接触网
二、牵引供电系统对外部电源的要求
电能质量 供电电压偏差 GB 12325-2008
实际运行电压对系统标称电压的偏差相对值，以百分数表示。
直交型电力机车的谐波含量很小、功率因数高。
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
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
电气化铁道的外部电源——电力系统（公用电网）
中小型 电厂
电气化铁路牵引供电系统
电力系统
牵引变电所 降压变压器
牵引网 电力机车 交流单相负荷
一、电气化铁道概述
单相工频交流制的牵引供电系统的优点： （1）结构简单，不需要在变电所设置整流和变频设备；
（2）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； （3）地中电流对地下金属的腐蚀作用小，一般可不设专
供电制式发展 1930～1950年 直流制 1.5kV 低频单相交流制 直流制 3kV
1932年 铁路
1950 年
匈牙利 布达佩斯—黑基也什霍洛姆
16kV
工频单相交流制 法国
埃克斯.累.班—里亚罗什休尔伏龙区段
工频单相交流制
25kV
一、电气化铁道概述
供电制式发展 1954年 日本 仙山—松岛间 工频单相交流制 20kV
情况下，换向条件较工频（50～60Hz）时更为有利；
低频单相交流制牵引系统的缺点： （1）单相整流子牵引电动机设备复杂； （2）牵引变电所需要变频装置，结构复杂。 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、牵引供电系统负荷的特殊性
一、电气化铁道概述
直流电力牵引供变电系统
电力系统 380/220V 电源 车站与区间 机电设备 照明负荷 通信信号
牵引变电所 降压变压器 整流机组
牵引网
电动车组 直流负荷
一、电气化铁道概述
（1）直流制：
最初采用直流电力牵引制的出发点有以下几方面： （1）直流串励电动机机械性能好、调速方便。电动车辆应用直流牵引 电机调速方便且易于实现，借助传统的电阻调节控制，改变牵引电机 端压或调节励磁即可调节速度； （2）利用直流电向直流电机供电可以极大地简化机车设备； （3）直流供电相对交流供电的牵引网电压损失和功率损失要小得多， 有利于保持网压稳定，确保列车频繁启动下的电压质量，从而有利于 保证列车的运行速度。
电气化铁道牵引供电系统
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、轨道交通的供电制式
轨道交通电力牵引是利用电能作为牵引动力，将电能转化 为机械能，驱动铁路列车、电动车组和城市轨道电动车辆 等载运工具运行的一种运输形式。
轨道交通（电力）牵引供变电系统主要包括电气化铁道交 流牵引供电系统和城轨交通（地铁与轻轨等）直流牵引供 电系统两大部分。取决于机车的供电制式。
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
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
E
E U 压降：U -U 压损： ΔU E
ΔU (压降)
矢量差
算数差
δ
ΔU
jIX S
A

I
IR B U S
C
I E
ΔU (压损) Z S RS jX S U
δ 很小，近似 E E cos δ
工程上
E U U Z S I ( RS jX S ) I
一、电气化铁道概述
供电制式发展 1900年～1915年 低压直流制 500～750V 直流串激电动机 16 2/3Hz或25Hz 直流串激电动机
1915 年~1930年
低频单相交流制 11kV或15kV 整流子电动机 直流制 1.2kV或1.5kV 三相交流制 3.6kV 三相异步电动机
一、电气化铁道概述
门防护装置。
一、电气化铁道概述
单相低频交流电力牵引供变电系统
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。
25kV工频单相交流制 （日本旧20kV）
wenku.baidu.com3kV直流
一、电气化铁道概述
当前干线铁路主要供电制式
供电制式 11kV，15kV低频单相交流制 16 2/3Hz 采用国家 德国、瑞士、 瑞典、奥地利、 挪威
低压直流制和25Hz单相交流制在干线铁路已逐渐
淘汰，前者被广泛用于城市轨道交通和城市无轨电车。
1972年日本山阳新干线引入2×25kV自耦变压器 （AT）供电方式，在世界许多国家的长距离繁忙干线 上得到了推广使用。
电力系统
供电电压偏差
牵 引 供 电 系 统
大容量波动性负 载；整流型机车 功率因数低
25kV
牵引 变电所
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
电能质量 三相电压不平衡度 GB/T 15543-2008
三相电力系统中三相不平衡的程度。用电压、电流负序基波分量
或零序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比表示。
受电弓 交流25kV 接触网 断路器 整流器 1500V 直流电机
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
交直交型电力机车（动车组）
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
二、牵引供电系统对外部电源的要求
电力系统优质的供、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； (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
电力系统
电压不平衡度 三相-两相的结构 牵引 变电所
馈 线
牵 引 供 电 系 统
回 流 线 接触网
25kV
钢轨
二、牵引供电系统对外部电源的要求
电能质量 公用电网谐波 GB/T 14549-1993
对周期性交流量进行付立叶级数分解，得到频率为基波频率大于1 整数倍的分量。
电力系统
谐波 整流型机车谐 波含量丰富 25kV 牵引 变电所
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
E Z I E U U S Z I U
S
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
电压损失概念及计算方法
牵引供电系统直接接入高压系统
电气化铁道牵引供电系统接入110kV电网，随着铁
路客运高速和货运重载的不断发展，高速铁路均拟直接
接入220kV电网。 单相负载 牵引负载是接入三相电力系统的单相负载，相对三相 电力系统而言，牵引负荷具有不对称性，将在电力系统
中造成三相不平衡。
一、电气化铁道概述
负载波动频繁，负荷大小不均衡 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。铁路线路条件千差万别，线路坡度随 时变化，列车速度随时变化；列车按信号运行，铁路运输
一、电气化铁道概述
直流电力牵引制的缺点：
（1）受直流牵引电动机额定电压的限制，直流制供电电
压较低，通常只有1500V； （2）供电电压较低，要保证电力机车足够的功率，供电 电流就比较大，线路损耗也大，送电距离较短，一般不超 过20~30 km，变电所的数目相对增加；又由于电流较大， 需要导线的截面大，金属消耗增加； （3）三相整流装置，会产生较大的谐波。
馈 线
牵 引 供 电 系 统
回 流 线 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
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%；
般不大于300A；高速列车追踪间隔一般为3～4分钟。
功率因数取决于机车类型 交-直（AC/DC 整流）电力机车功率因数低、谐波含量
大；交-直-交动车组，功率因数在0.95以上，谐波含量低
。
一、电气化铁道概述
（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。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，整流过程中会产生谐波，功率 因数较低。
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
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
牵引供电系统与其电源，即三相电力系统（公
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： （1）电力机车或动车组采用牵引特性良好的单相整流子 牵引电动机驱动； （2）整流子牵引电动机换向困难，在低频（16 2/3Hz）
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 20kV，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。
牵引变电所 电压损失 牵引网电压损失
（4）杂散电流对沿线地下金属设施的腐蚀比较严重。
一、电气化铁道概述
单相工频交流电力牵引供变电系统
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。
一、电气化铁道概述
ΔU E cos δ U ) Re( ΔU RS cos I X S sin I