电气化铁道牵引供电系统

电力牵引供电系统张丽西南交通大学电气工程学院牵引网供电方式目前单相工频25kV牵引网供电方式主要有:直接供电方式(TR)BT(吸流变压器)供电方式带回流线的直接供电方式(TRNF)AT(自耦变压器)供电方式直接供电方式(TR)牵引电流通过电力机车后直接从钢轨或大地返回牵引变电所。

结构简单，投资最少，维护费用低。

在负荷电流较大的情况下，钢轨电位高；对弱电系统的电磁干扰较大BT(吸流变压器)供电方式在接触网和回流线中串接吸流变压器，让牵引电流通过电力机车后从回流线返回牵引变电所。

电磁兼容性能好，对周围环境影响小接触网中串接吸流变压器，牵引网阻抗增大，供电臂压降增大，牵引变电所的供电距离缩短带回流线的直接供电方式(TRNF)牵引电流通过电力机车后部分从回流线返回牵引变电所，部分从钢轨地返回。

兼有直接供电方式结构简单，投资和维修量小、供电可靠性高等优点相对直接供电方式，钢轨电位和对通信线路的干扰有所改善。

钢轨电位降低；牵引网阻抗降低，供电距离增长；对弱电系统的电磁干扰减小相对BT方式，结构简单，投资少，维护费用低；牵引网阻抗减小，供电距离增长AT(自耦变压器)供电方式牵引电流通过电力机车后部分从正馈线返回。

供电电压提高，更能适应大功率负荷的供电，功率输送能力强，供电距离远，可减少牵引变电所数量，减少电分相数目，机车通过分相中性段短时失电产生的速度和功率损失得到降低；有效降低对通讯线路的干扰; 。

AT供电方式接触网结构复杂，供变电设施较多，运营维护难度较大9高速铁路特点：具有行车速度高，机车功率大、取流大9BT方式牵引网单位阻抗高，功率输送能力较弱9直接供电方式在负荷电流较大的情况下，对通讯线路干扰大，钢轨电位高的缺点更为突出9技术上AT和带回流线直供方式均能满足300km/b及以上高速牵引。

两者相比，AT供电方式更能适应大功率负荷的供电，同时由于电分相数目的减少。

但AT供电方式接触网结构复杂，供变电设施较多，运营维护难度较大。

高速铁路牵引供电方式应采用AT供电方式或带回流线的直接供电方式牵引压器变压器接线型式应用于直接供电方式的主要有：单相接线、V/v接线、YNd11接线、三相/两相平衡接线(Scott接线、Wood-Bridge接线等)、阻抗匹配平衡接线应用于AT供电方式的主要有：单相接线、V/X接线、三相/两相平衡接线(Scott接线、Wood-Bridge接线等)、十字交叉接线目前，国外高速铁路牵引变压器多采用三相-两相平衡变压器、单相变压器。

意大利、新西兰采用单相接线牵引变压器法国TGV采用单相和V/v接线变压器日本东海道新干线采用Scott接线山阳新干线采用Modified-Woodbridge接线变压器台湾高速铁路采用的是Le Blanc接线变压器从广义的角度上讲，牵引变压器原次边之间除了有电压的变换外，还有电流和阻抗变换，可称为系统变换，如A B Cοαβ⇔....通过系统变换，可以获得一次侧的牵引变压器、牵引负荷的等值电路模型，或二次侧的电力系统、牵引变压器等值电路模型。

这两个等值电路模型对于牵引供电系统的电气分析十分方便、有用，如用于电压损失，故障分析，电能计量，负序含量，谐波水平等计算。

CA B AB I •abI •abU •以接入AB 线电压为例一、单相牵引变压器原边接入系统线电压（AB 、BC 、CA 间线电压中的一个）原次边电流关系110A abTB A abTC I I K I I I K I ==−=−=1ω原边绕组匝数2ω次边绕组匝数1122l T l U K U ωω==ab I •abU •bcU •caU •ϕAI •BI •−归算到负荷端口的变电所等值电路abI •abU •abE •S TZ Z +2222%(Ω)(Ω)100d NNS S T T dTU UUZ X Z X S S ====S d ：电力系统（原边）短路容量（MVA ）S T ：牵引变压器容量（MVA ）U d %：短路电压以接入AB 和BC 间线电压为例二、V/v 牵引变电所V/v 接线牵引变压器的内部接线类似两台I/i 接线变压器的组合。

原边接入系统两个线电压（AB 、BC 、CA 间线电压中的两个）CA B A I •B I •C I •ab I •bc I •ab U •bc U •1、原次边电流关系111A ab T B ab bc T C bc T I I K I I I K I I K •••••••⎧=⎪⎪⎪⎪⎛⎞=−+⎨⎜⎟⎝⎠⎪⎪=−⎪⎪⎩1011101A ab B T bc C I I I K I I •••••⎡⎤⎢⎥⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=−⋅⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥−⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎣⎦ab I •bcI •ab U •bc U •caU•ϕϕA I •C I •BI •C I •−AI •−cos cos ab bcab bc I I ϕϕ==再考虑其他两种接线情况,可得到以下通式1011110011A ab B bc T C ca I I I I K I I ••••••⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥−⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥−⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦1ω原边绕组匝数2ω次边绕组匝数1122l T l U K U ωω==11027.54T K ==对于110kV/27.5kV 牵引变电所220554T K ==对于220kV/55kV 牵引变电所2、归算到负荷端口的等值电路模型bcI •bcU •abU •TZ aE •S Z cE •SZ bE •SZ TZ abI •CA B A I •BI •CI •abI •bcI •(2)(2)bc a bab S T ab S ab S T ab S bcU Z Z I Z I E E E Z Z I Z I ••••••••=−+++−=−++端口电压方程式(2)(2)ab b cbc S T bc S bc S T bc S abU Z Z I Z I E E E Z Z I Z I ••••••••=−+++−=−++bcI •bcU •abU •TZ aE •S Z cE •SZ bE •SZ TZ abI •归算到负荷端口的变电所等值电路(2)(2)bc a b ab S T ab S ab S T ab S bcU Z Z I Z I E E E Z Z I Z I ••••••••=−+++−=−++(2)(2)ab b c bc S T bc S bc S T bc S ab U Z Z I Z I E E E Z Z I Z I ••••••••=−+++−=−++bcI •abI •bcU •abU •S T Z Z +bcE •abE •S T Z Z +SZ 2222%(Ω)(Ω)100d NNS S T Td T U U U Z X Z X S S ====S d ：电力系统（原边）短路容量（MVA ）S T ：牵引变压器容量（MVA ）U d %：短路电压（一般为10.5%）对于直接供电或BT 供电方式，变压器次边输出电压为27.5kV ，比牵引网标准电压（网压）25kV 高10％。

三、YNd11牵引变压器接供电臂接供电臂(z)(x)(y)(c)(a)(b)(C)(A)(B)(Z)(X)(Y)(C)(A)(B)(c)(b)(a)展开图1、绕组电流与负荷端口电流的关系0a a c b b c a b c I I I I I I I I I •••••••••′′=−′′=−′′′++=1010111110a a b b cI I I I I •••••⎡⎤⎡⎤′⎢⎥⎢⎥−⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥′−=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦′⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦11010111110a a b b c I I I I I ••−•••⎡⎤⎡⎤′⎢⎥⎢⎥−⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥′=−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦′⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦A B CAI •BI •CI •aI •′cI •′b I •′aI •bI •aU •bU •aU •bU •cU •AU •BU •CU •213312331133aa bba b c a b I I I I I I I I I •••••••••′=−′=−+′=−−YNd11变压器次边三相绕组电流相量图aI •′aI •bI •aU •bU •cU •ϕϕbI •′cI •′213312331133a a bb a bca bI I I I I I I I I •••••••••′=−′=−+′=−−21111213112a a b b c c I I I I I I ••••••⎡⎤⎡⎤′⎢⎥⎢⎥−−⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥′=−−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥−−⎣⎦′⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦推广到a、b、c三相都带负荷的情形cos cos a ba bI I ϕϕ==2、原边三相电流与负荷电流的关系2113121112A a B b T C c I I I I K I I ••••••⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥−−⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=−−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥−−⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦11027.54T K ==对于110kV/27.5kV 牵引变电所A B CAI •BI •CI •aI •′cI •′b I •′aI •bI •aU •bU •aU •bU •cU •AU •BU •CU •1ω原边绕组匝数2ω次边绕组匝数12l T l U K U =11223p Tp U K U ωω==3、YNd11归算到负荷端口的等值电路模型考虑一般情况：α，β为两个负荷端口，γ为自由相S T Z Z +S TZ Z +S TZ Z +I α•′I γ•′I β•′I α•I β•U α•U β•E α•E γ•1()(2)()311()()()33S T S T S T S T U E I Z Z E I I Z Z E Z Z I Z Z I I αααααβαααβ••••••••••′=−+=−−+=−+−+−端口电压方程式1()(2)()311()()()33S T S T S T S T U E I Z Z E I I Z Z E Z Z I Z Z I I ββββαββββα••••••••••′=−+=−−++=−+−+−S T Z Z +S TZ Z +S TZ Z +I α•′I γ•′I β•′I α•I β•U α•U β•E α•E γ•归算到负荷端口的变电所等值电路1()(2)()311()()()331()(2)()311()()()33S T S T S T S T S T S T S T S T U E I Z Z E I I Z Z E Z Z I Z Z I I U E I Z Z E I I Z Z E Z Z I Z Z I I αααααβαααβββββαββββα••••••••••••••••••••⎧′=−+=−−+⎪⎪⎪=−+−+−⎪⎨⎪′=−+=−−++⎪⎪⎪=−+−+−⎩I α•I β•U α•U β•()13S T Z Z +E α•E β•()13S T Z Z +()13S T Z Z +归算到两个负荷端口的变电所等值电路2222%(Ω)(Ω)10330d NNS S T T dTU UUZ X Z X S S ×==×==S d ：电力系统（原边）短路容量（MVA ）S T ：牵引变压器容量（MVA ）U d %：短路电压（一般为10.5%）I α•I β•U α•U β•()13S T Z Z +E α•E β•()13S T Z Z +()13S T Z Z +三、三相-两相平衡变压器1、概述电气化铁道牵引负荷通过特定接线的牵引变压器不会在电力系统中产生零序分量，但通常造成负序分量。