电气化铁路牵引供电系统简介

牵引负荷对电力系统的影响和对策
牵引变电所换接相序的基本要求是： • 对称。把各牵引变电所的单相牵引负荷轮换接入电力 系统中的不同的相，使电力系统三相电流大致对称。 • 单相和三相V，v联结、三相Yn，d11联结的两个相邻 牵引变电所之间，两供电臂一般设计为同相，以便必 要时可实现接触网的越区供电或两边供电，牵引变电 所直接相连的两供电臂为不同相。
供电系统的结构与原理
双边枢纽供电 • 分区所的主接线由4台工作断路器接成四边形构成。 • 优缺点同两边供电。
牵引负荷对电力系统的影响和对策
1）负序电流 ） • 由于单相工频交流电气化铁道牵引负荷的特点，当三 相电力系统向它供电时，它将在电力系统中引起负序 电流。 • 通过对称分量法分析得知，单相负荷接入电力系统时 ，将在系统中引起正序电流和负序电流，但不会引起 零序电流。 • 相量图中，正序电流超前30度，负序电流落后30度。
牵引负荷对电力系统的影响和对策
功率因数低的不良影响： • 降低发电机组的输出能力和输变电设备的供电能力， 使电气设备的效率降低，发电和输变电的成本提高； • 增加输电网络中的电能损失。有功功率的损失与功率 因数的二次方成反比； • 增加输电网络中的电压损失，引起电力用户的供电电 压不足。 电业部门要求电气化铁道牵引负荷在牵引变电所牵引 变压器高压侧的月平均功率因数应达到0.90以上，高 者获奖，低者受罚。
供电系统的结构与原理
三相Yn,d11联结牵引变电所 联结牵引变电所 三相
供电系统的结构与原理
• 由一系列相量图分析得知，Ica，Ibc电流相等，等于 供电臂负荷电流的/3，而Iab等于供电臂负荷电流的 1/3，可见牵引变压器容量利用率不高，大约在0.84 左右； • 但它低压侧保持三相，有利于供应牵引变电所自用电 和地区三相电力，并且在我国采用的时间长，有较多 的经验，制造相对简单，价格相对便宜；
牵引负荷对电力系统的影响和对策
减少负序影响的措施
• 牵引供电系统可采取的措施：相邻牵引变电所的牵引变压器 一次侧换接相序，合理安排接触网分段及其相序；所内采用 电流不对称度低的牵引变压器； • 电力系统可采取的措施：在发电厂或枢纽变电站安装同步调 相机。
牵引负荷对电力系统的影响和对策
3）牵引变电所换接相序 ） • 所谓牵引变电所换接相序，就是指个相邻牵引变电所 牵引变压器的一次侧各端子轮换接入电力系统中的不 同的相。
供电系统的结构与原理
同相一边分开供电 • 不同点在于供电臂的上、下行接触网不连接。 • 电力机车通过行驶的本线路的接触网从一个牵引所取用电流 。缺点是不能减少牵引网中的电压损失和电能损失，而且在 运行中，上、下行接触网之间容易出现较大的电压差，易烧 毁接触网的分段绝缘器。优点是倒闸操作和继电保护较简单 。
供电系统的结构与原理
两边供电 • 供电臂分界点设置分区所，才能实现两边供电，分区所的作 用在于缩小接触网故障或检修的停电范围。 • 电流是两边流向电力机车，可以减少牵引网中的电压损失和 电能损失，改善供电臂的电压水平，减少运营成本。缺点是 倒闸操作和继电保护复杂，牵引网中会出现穿越电流导致附 加电能损失。
牵引负荷对电力系统的影响和对策
2）负序电流对电力系统的影响 ） • 单相牵引负荷，引起发电机的不对称运行，限制了发 电机的出力，增加了附加的能量损失，破坏了热稳定 性，动稳定性。 • 影响电动机的出力，电压不对称度越大，制动力矩越 大。 • 降低了变压器、输电线路容量利用率，造成附加的能 量损失。 • 增加了继电保护的复杂性。
2）我国电气化铁路的发展概况 ）
上世纪50年代确定了电气化铁路采用工频单相25kV交流制； 电气化铁路通车里程截至2009年底达到3.2万公里，位居世界第二， 电气化率约40%； 牵引供电系统设施也在不断发展过程中； 自主设计制造的电力机车时速可以达到350kM/h甚至以上；
绪论
3）电气化铁路的优越性与存在的问题
供电系统的结构与原理
3）牵引网 ） 牵引网是由馈电线、接触网、轨道和大地、回流线 构成的供电网的总称。 牵引变电所向接触网的供电方式
供电系统的结构与原理
单线区段 一边供电
供电系统的结构与原理
• 接触网供电分区由牵引变电所从一边供应电能。由于 我国的电气化铁路接触网普遍采用一边供电方式，越 区供电方式也不经常使用，所以在相邻两牵引变电所 之间的供电分区分界点，目前不设置分区所，只设分 相绝缘器和一台隔离开关； • 优点是倒闸操作和继电保护比较简单，独立性强；
牵引负荷对电力系统的影响和对策
不同联结形式的牵引变压器负荷引起的不对称影响 综合分析
• 单相联结牵引变压器负荷，在电力系统中引起的不对称度最 严重，达到100%； • 单相和三相V，v联结、三相Yn，d11联结牵引变压器负荷， 在电力系统中引起的不对称度相同，当两供电臂电流相等时 ，为50%。当两供电臂中一臂有电流，另一臂无电流时，为 100%。
电气化铁路 牵引供电系统简介
一、绪论 二、供电系统的结构与原理 三、牵引负荷对电力系统的影响和对策 四、牵引网对通信线路的影响和对策 五、可以减轻对通信线路影响的供电方式 六、地中电流 七、供电系统设计和运行的若干问题
绪论
1）电气化铁路的组成 ）
电力牵引指由外电源供给动力车电能的牵引方式，采用电力牵引的铁 路称为电气化铁路。电气化铁路除了一般的铁路线路、车站、通讯、信号 等设施外，还包括特殊的牵引供电系统、电力机车以及相应的运行、维修 和管理单位供电段、电力机务段、电力调度及其主管部门等；
牵引负荷对电力系统的影响和对策
• 正序有功功率等于单相负荷的有功功率，负序有功功 率为零。单相负荷的正序视在功率等于负序实在功率 ，都等于单相负荷的视在功率。单相负荷电流在三相 系统电路中产生的电能损失，等于正序电流电能损失 与负序电流电能损失之和，并且正序电流电能损失与 负序电流电能损失相等。 • 对于输电线、变压器和电抗器等静止元件，不存在旋 转磁场问题，因此负序电抗等于其正序电抗。但对于 同步发电机就不一样了。
牵引负荷对电力系统的影响和对策
减少谐波影响的措施： • 在牵引变电所牵引侧装设并联电容补偿装置； • 在电力机车上加装并联补偿滤波装置。
牵引负荷对电力系统的影响和对策
5）功率因数 ） • 功率因数的大小与电路的负荷性质有关， 如白炽灯 泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电 感性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力 系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设 备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于 交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用 率，增加了线路供电损失。所以，供电部门对用电单 位的功率因数有பைடு நூலகம்定的标准要求。
供电系统的结构与原理
三相V,v联结牵引变电所 三相 联结牵引变电所 • 这种牵引变电所装设两台三相V，V联结牵引变电所，一台运 行，一台固定备用。它是将两台容量相等或不相等的单相变 压器器身安装于同一油箱内组成的。 • 保持了单相V，v联结的主要优点，而且完全克服了它的缺点 。并且解决了单相V，v联结牵引变电所不便于采用固定设备 及其自动投入的问题。两台的容量可以选择不一致，两侧的 二次侧电压可以不一致，有利于实现分相有载或无载调压。
牵引负荷对电力系统的影响和对策
• 在牵引变电所装设可调并联电容补偿装置，可以完善 的、即时的综合解决功率因数和谐波等问题。最有效 的是SVC（静止无功补偿器），它是由TSC（晶闸管 投切电容器）和TCR（晶闸管控制电抗器）组成， TSC实现粗调，TCR实现细调，由于TCR不仅价格较 贵，而且解决谐波问题的效果不理想，故对电气化铁 道而言，采用TSC比较适宜。
拉得多，跑得快，运输能力大； 节约能源消耗，综合利用能源； 经济效益好； 对环境无污染，劳动条件好，有利于实现环保运输； 有利于铁路沿线实现电气化，促进工农业发展； 对给电气化铁路牵引负荷供电的电力系统造成负序电流和高次谐波含 量增大、功率因数降低等不良影响； 对沿电气化铁路架设的通信线路有干扰； 基建投资比蒸汽牵引和内燃牵引投资大； 接触网检修需要天窗时间；
供电系统的结构与原理
1）电气化铁道供电系统 ）
供电系统的结构与原理
2）牵引变电所 ）
单相联结牵引变电所
供电系统的结构与原理
• 优点：牵引变压器的容量利用率可达100%，主接线 简单，设备少，占地面积小，投资省等。 • 缺点：不能供应地区和牵引变电所三相负荷用电，对 电力系统的负序影响最大，对接触网的供电不能实现 两边供电。
牵引负荷对电力系统的影响和对策
• 电力牵引负荷的功率因数比较低，这是因为我国的电 气化铁道所采用的电力机车多数是整流型机车，在交 流侧电流波形畸变以及整流换相过程中重叠导通角的 影响导致功率因数在0.8~0.85左右，由于牵引网阻抗 的影响，牵引变压器低压侧的功率因数要降低 0.01~0.05，由于牵引变压器阻抗的影响，高压侧的 功率因数还要降低0.05，这样平均值大约0.77~0.78。
供电系统的结构与原理
双线区段 同相一边并联供电
供电系统的结构与原理
• 两相邻牵引变电所之间毗连的供电臂上、下行接触网 电压皆属同相，分界点设置分区所，通过分区所的断 路器将上、下行接触网联通。目前普遍采用。 • 电力机车通过上、下行接触网从一个牵引所取用电流 ，可以显著减少牵引网中的电压损失和电能损失，改 善供电臂的电压水平，减少运营成本。缺点是倒闸操 作和继电保护复杂。
牵引网对通信线路的影响和对策
1）概述 ） • 牵引网是一种特殊形式的单相工频交流高压输电线路 。直接供电方式牵引网的“一条导线”是接触网，另 “一条导线”是轨道和大地。牵引（或短路）电流的 一部分经轨道流入大地，另一部分沿轨道流回牵引变 电所。 • 从地面来看，直接供电方式牵引网是一种极端不对称 的输电线路，一方面，接触网所带高电压将在邻近空 间产生高压电场；另一方面，接触网中流通的交流电 流将在环绕其周围空间产生很强的未被平衡的交变磁 场，对沿线通信线路产生比较大的影响。
牵引负荷对电力系统的影响和对策
4）谐波电流 ） • 整流型电力机车变压器一次侧的电流波形发生了明显 的畸变，成为周期性的非正弦波，含有谐波成分。
牵引负荷对电力系统的影响和对策
谐波对电力系统的不良影响： • 谐波电流引起电力系统内的谐振，并联谐振时引起谐 波电压放大，容易损坏设备；串联谐振会引起串联回 路中元件过电流，过热。 • 谐波电流流入发电机，会引起振动扭矩，增加定子绕 组和定子铁芯的附加电能损失和发热，引起转子励磁 绕组的附加发热，引起阻尼绕组过热。 • 对计量的影响，计算方法不一样。 • 谐波电流流入变压器，引起附加铁损和铜损，是变压 器总电能损失增大，容量利用率减少。
供电系统的结构与原理
单相V,v联结牵引变电所 单相 联结牵引变电所
供电系统的结构与原理
• 优点：牵引变压器的容量利用率可达100%，正常运 行时，牵引侧保持三相，所以可以供应牵引变电所自 用电和地区三相负载，主接线较简单，设备较少，投 资较省，对电力系统负序影响比单相联结小，对接触 网可实现两边供电。 • 缺点：一台牵引变压器故障时，另一台必须跨相供电 ，地区三相电力供应要中断。
牵引负荷对电力系统的影响和对策
• 提高牵引负荷功率因数的措施： • 提高用电的自然功率因数。例如提高电力机车的功率 因数，改善牵引网的阻抗特性，包括减少牵引网单位 阻抗值和阻抗角，限制供电臂的长度，合理选择牵引 变压器容量，提高容量利用率； • 在牵引变电所牵引侧装设并联电容补偿装置，目前普 遍采用。
牵引负荷对电力系统的影响和对策
6）并联电容补偿 ） 在牵引变电所牵引侧设计和 安装并联电容补偿装置，既 是减少牵引负荷谐波影响的 一项措施，又是提高牵引负 荷功率因数的一种对策。
牵引负荷对电力系统的影响和对策
• 电容器组1DR：用于无功补偿，与串联电抗器匹配， 滤掉一部分谐波电流； • 串联电抗器1DK：用于限制断路器合闸时的涌流和分 闸时的重燃电流。与电容器匹配，滤掉一部分谐波电 流。防止并联电容补偿装置与供电系统发生高次谐波 并联谐振。