電氣化鐵路供電系統(tǒng)

1、 電氣化鐵路供電系統(tǒng)電氣化鐵路供電系統(tǒng) 將電能從電力系統(tǒng)傳送到電力機(jī)車的電力設(shè)備，總稱為電氣化鐵道的供電系統(tǒng)。牽引供電系統(tǒng)主要包括牽引變電所和接觸網(wǎng)兩部分。 一，電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)設(shè)置 供電系統(tǒng)示意圖 圖3-53 電力牽引系統(tǒng)的組成 發(fā)電廠(1)發(fā)出的電流，經(jīng)升壓變壓器(2)提高電壓后，由高壓輸電線(3)送到鐵路沿線的牽引變電所(4)。在牽引變電所里把電流變換成所要求的電流或電壓后，經(jīng)饋流線(5)轉(zhuǎn)送到鄰近區(qū)間和站場線路的接觸網(wǎng)(6)上供電力機(jī)車使用。 （1）定義 牽引變電所是設(shè)置于電氣化鐵路沿線，安裝有受電、變電、配電設(shè)備的建筑物。 1 牽引變電所 （2）任務(wù) 牽引變電所的任務(wù)是將電力系

2、統(tǒng)高壓輸電線輸送來的110千伏（或220千伏）的三相交流電，變壓為27.5千伏的單相交流電，向其鄰近區(qū)間和所在站場線路的接觸網(wǎng)送電，保證可靠而又不間斷地向接觸網(wǎng)供電。 （3）設(shè)備 在牽引變電所里，主要設(shè)有主變壓器、電壓互感器、電流互感器、高壓斷路器、各種高壓隔離開關(guān)以及避雷器等電氣設(shè)備。 （4）牽引變電所的供電安全 a）電網(wǎng)向牽引變電所供電：我國電氣化鐵路為國家一級(jí)電力負(fù)荷。因此，每個(gè)牽引變電所都采用兩路輸電線供電，且兩路輸電線有各自的桿塔、走線，以保證在一路輸電線發(fā)生故障時(shí)，牽引變電所供電不致于長時(shí)間中斷。牽引變電所內(nèi)還裝有各種控制、測量、監(jiān)視儀表和繼電保護(hù)裝置等。 b)牽引變電所向接觸網(wǎng)供

3、電：目前。供電方式有兩種，即單邊供電和雙邊供電。在單邊供電方式下，接觸網(wǎng)在相鄰兩個(gè)牽引變電所之間的中央部位是斷開的，將兩個(gè)牽引變電所之間的接觸網(wǎng)分成為兩個(gè)供電分區(qū)，電力機(jī)車只從一個(gè)牽引變電所取用電能。單邊供電的操作和保護(hù)都比較簡單，故障范圍也比較小，所以我國電氣化鐵路接觸網(wǎng)普遍采用單邊供電方式。 通常，將接觸網(wǎng)、鋼軌、回流線構(gòu)成的線路稱為牽引網(wǎng)。接觸網(wǎng)和鋼軌是牽引網(wǎng)的主體。 2 牽引網(wǎng) 接觸網(wǎng)（圖3-54）是架設(shè)在電氣化鐵路上空，向電力機(jī)車供電的一種特殊形式的輸電線路，其質(zhì)量和工作狀態(tài)直接影響電氣化鐵路的運(yùn)輸能力。 接觸網(wǎng)根據(jù)其接觸懸掛類型，可以分為簡單接觸懸掛和鏈形接觸懸掛兩類。圖3-54

4、接觸網(wǎng) 鏈形接觸懸掛是將接觸導(dǎo)線通過吊弦掛在承力索上。 簡單接觸懸掛是將接觸導(dǎo)線直接固定在支持裝置上的懸掛類型。 圖3-56 簡單接觸懸掛圖3-55 鏈形接觸懸掛二牽引供電系統(tǒng)原理概述圖1、牽引供電系統(tǒng)示意圖牽引供電系統(tǒng)的主要組成部分： 電源進(jìn)線、牽引變壓器、高壓開關(guān)設(shè)備、導(dǎo)線、絕緣子、電壓互感器、電流互感器、避雷器、饋出線等。 牽引供電系統(tǒng)主要指標(biāo) 供電電壓：27.5kV，227.5kV 供電頻率：50Hz 變電所間距：4050km（直供方式） 80100km（AT方式） 相數(shù)：單相主要的牽引供電方式： 直供方式、BT供電方式、AT供電方式等。 AT供電方式的優(yōu)點(diǎn)：供電距離長、通信干擾小、供

5、電功率大等。 目前常速電氣化鐵路的供電方式多為直供+回流線的方式，高速和重載電氣化鐵路多采用AT供電方式對(duì)牽引供電系統(tǒng)的基本要求： 可靠性：一級(jí)負(fù)荷、電源為雙電源、電源接入電壓等級(jí)高（110kV、220kV、330kV）、兩座主變壓器、饋出斷路器備用?？煽啃员∪醐h(huán)節(jié)：接觸網(wǎng)系統(tǒng)（無備用、在運(yùn)動(dòng)中列車作用下容易發(fā)生故障）。彌補(bǔ)措施：必要時(shí)實(shí)施越區(qū)供電（越區(qū)供電時(shí)，由于供電能力不足，列車無法按正常運(yùn)行圖運(yùn)行）。 供電能力：滿足在不同牽引工況下電能的輸送。關(guān)鍵點(diǎn)：牽引供電臂末端電壓水平。 運(yùn)行方式的靈活性：在確保供電的前提下，為設(shè)備的檢修、運(yùn)行方式的調(diào)整等提供靈活的操作方式。改變運(yùn)行方式的動(dòng)作迅速。

6、 完備的確保一次系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的措施。目前牽引供電系統(tǒng)面臨的主要問題： 諧波問題 負(fù)序電流問題 功率因數(shù)問題 機(jī)車過分相問題 接地問題 繼電保護(hù)問題 弓網(wǎng)關(guān)系問題 絕緣配合問題 電磁兼容問題諧波問題 無論是整流型機(jī)車，還是交-直-交機(jī)車，都會(huì)向供電系統(tǒng)注入諧波電流，前者注入的是低頻的諧波電流（以3、5、7次諧波為主），后者注入的是高頻的諧波電流（以15到21次諧波為主）。 諧波電流注入供電系統(tǒng)帶來的危害：1、對(duì)通信設(shè)備（系統(tǒng)）、控制設(shè)備（系統(tǒng)）的可靠性帶來不利因素； 2、降低用電設(shè)備的運(yùn)行效率。諧波問題 整改措施：在牽引變電所增加濾波器（單調(diào)諧濾波器、高通濾波器），存在增加投資的問題。 限制：

7、諧波電流問題一直是鐵路部門和電力部門之間爭論的焦點(diǎn)問題。負(fù)序電流問題 牽引供電系統(tǒng)的負(fù)荷為單相負(fù)荷，導(dǎo)致從電力系統(tǒng)三相去用的電能不平衡，從而向電力系統(tǒng)注入負(fù)序電流。 負(fù)序電流的危害：降低用戶電能的利用率，引起用戶旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子表面溫升過高。 整改措施：牽引供電系統(tǒng)采用換相方式接入電力系統(tǒng)，采用新型供電方式。 限制：電力部門一直在對(duì)牽引供電系統(tǒng)注入電力系統(tǒng)的負(fù)序電流進(jìn)行限制。功率因數(shù)問題 列車從牽引供電系統(tǒng)取用的電能會(huì)隨著列車牽引定數(shù)、路況（限坡、彎道）、運(yùn)行圖、司機(jī)操作技術(shù)等因素的影響，因此改變列車取用的有功功率和無功功率，導(dǎo)致功率因素發(fā)生變化。 電力部門要求大工業(yè)用戶的功率因數(shù)達(dá)到0.9以上，

8、高出部分獎(jiǎng)勵(lì)、低于該數(shù)值將罰款。 整改措施：加功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，困難在于負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致功率因數(shù)大范圍波動(dòng)，難以達(dá)到理想的補(bǔ)償效果。 交-直-交機(jī)車的功率因數(shù)基本接近1.0。 但我國電氣化鐵路仍然存在大量的交-直機(jī)車，所采用的功率因數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置由于電力電子技術(shù)、器件造價(jià)等問題，仍然無法大規(guī)模應(yīng)用。機(jī)車過分相問題 在牽引變電所中，通常是把電力系統(tǒng)的電能由高壓降低為牽引供電系統(tǒng)所需要的電壓，同時(shí)把三相系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閮上嘞到y(tǒng)，該兩相系統(tǒng)分別向牽引變電所兩側(cè)供電，因此，列車在通過某些點(diǎn)時(shí)，需要從一相（如a相）過渡到另外一相（如b相），在這兩相之間需要設(shè)置一個(gè)絕緣斷口，這就是電分相。 與之相關(guān)的還有電分段，在

9、同相之間設(shè)置的絕緣斷口。 機(jī)車在過電分相時(shí)，其過程可舉例說明為：受電弓由帶電的接觸導(dǎo)線（a相）滑入中性段，中性段由兩臺(tái)斷路器分別連接到分相兩側(cè)的帶電部分，在機(jī)車進(jìn)入中性段時(shí)，先使中性段帶電（a相），當(dāng)機(jī)車接近分相另一側(cè)帶電導(dǎo)線（b相）時(shí)，斷開a相電，延時(shí)使中性段帶b相電，保證機(jī)車順利運(yùn)動(dòng)到b相。 機(jī)車過電分相時(shí)出現(xiàn)的電磁現(xiàn)象： 1、中性段（或機(jī)車）斷電時(shí)出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，其過電壓水平有時(shí)能達(dá)到擊穿接觸導(dǎo)線絕緣子的數(shù)值，出現(xiàn)的電弧有可能燒損接觸網(wǎng)吊弦； 2、機(jī)車重新帶電時(shí)，出現(xiàn)過電流現(xiàn)象，其過電流水平有可能達(dá)到機(jī)車正常運(yùn)行電流的5-7倍，過流有可能損害設(shè)備的正常壽命、影響繼電保護(hù)動(dòng)作正確性。機(jī)車自

10、動(dòng)過電分相的幾種方式： 地面控制方式：在機(jī)車到達(dá)分相前，地面控制系統(tǒng)發(fā)出對(duì)斷路器合閘的命令，使中性段帶電，在機(jī)車運(yùn)行到中性段某一位置后，地面控制系統(tǒng)對(duì)斷路器分閘的命令，并延時(shí)發(fā)出對(duì)另外一臺(tái)斷路器的合閘命令，在機(jī)車脫離中性段后，對(duì)斷路器分出分閘命令。 車上控制方式：工作原理與地面過電分相基本相同，所不同的是檢測和控制系統(tǒng)安裝在機(jī)車上。 柱上控制方式：中性段由若干相互斷開的段構(gòu)成，利用機(jī)車運(yùn)行進(jìn)入中性段或離開中性段時(shí)電流的變化自動(dòng)合上或分開相應(yīng)的斷路器。 機(jī)車過電分相的問題在常速電氣化鐵路中并不突出，原因之一是列車的速度較低，但在高速電氣化鐵路中將不容忽視。接地問題 接地問題也是隨著列車的提速而逐

11、步涌向出來。 高速和重載電氣化鐵路的主要特點(diǎn)（與供電系統(tǒng)相關(guān)）有： 1、機(jī)車取流越來越大，機(jī)車的電流在經(jīng)過整流變壓器后進(jìn)入鋼軌和大地，大的取流電流有可能抬升軌道電位，使跨步電壓達(dá)到危害相關(guān)設(shè)備和人員安全的水平； 2、供電系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)處的短路容量大，這使得牽引供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)的短路電流大大增加，在同樣的泄流通道上產(chǎn)生的軌道電位抬升和跨步電壓水平將大大提高。 3、新型的軌道電路應(yīng)用要求鋼軌對(duì)地的阻抗要足夠大，這使得軌道對(duì)地電壓水平難以降低。接地的目的： 1、泄流（雷電流、工頻電流）； 2、限制地電位、相關(guān)設(shè)備電位升高，確保人員、設(shè)備安全。接地系統(tǒng)的評(píng)估指標(biāo)： 1、接地電阻； 2、軌道電位

12、、跨步電壓。對(duì)接地系統(tǒng)要求的技術(shù)指標(biāo)：歐標(biāo)規(guī)定接觸電壓和軌道電位値（EN50122-1）系統(tǒng)狀態(tài) 接觸電壓允許値（V） 軌道電位（V）正常運(yùn)行 60 120狀態(tài)下（t300s）正常運(yùn)行 65 130狀態(tài)下（t=300s）故障狀態(tài) 842 1684下（t=100ms）降低軌道電位的技術(shù)措施： 降低鋼軌泄漏電阻； 設(shè)置橫連線，將上下行鋼軌充分橫向連接； 上下行各架設(shè)保護(hù)線，在鋼軌與保護(hù)線間每隔一定距離做橫向連接； 利用接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)作接地極； 沿線增設(shè)綜合接地線，與鋼軌、保護(hù)線充分連接； 利用線路本身、線路旁建筑和結(jié)構(gòu)等自然接地體接地； 設(shè)幾種接地極。 降低軌道電位的技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)的困難： 1、改變

13、鋼軌泄漏電阻、設(shè)置橫連線，將上下行鋼軌充分橫向連接、上下行各架設(shè)保護(hù)線，在鋼軌與保護(hù)線間每隔一定距離做橫向連接等技術(shù)措施的采取必須考慮對(duì)軌道信號(hào)電路的傳輸信號(hào)距離的影響； 2、降低接地電阻是確保大電流泄流的有效技術(shù)措施，但受環(huán)境因素影響很大，如土壤電阻率、設(shè)置接地網(wǎng)處的地理環(huán)境、接地極布置方式、降阻劑對(duì)環(huán)境的影響及有效期等。 實(shí)現(xiàn)限制軌道電位和接觸電壓的有效技術(shù)手段是綜合接地技術(shù)的應(yīng)用。 綜合接地技術(shù)特點(diǎn)可以歸納為： 充分利用各種地形、自然接地體、結(jié)構(gòu)，以達(dá)到降低泄流通道電阻的目的。繼電保護(hù)問題 繼電保護(hù)裝置（系統(tǒng)）是一種能自動(dòng)檢測故障特征、完成對(duì)故障的定位并依據(jù)一定的規(guī)則把故障影響限制（對(duì)故

14、障部分?jǐn)嚯姡┰谝欢ǚ秶鷥?nèi)的自動(dòng)化裝置（系統(tǒng)）。 繼電保護(hù)面臨的問題：牽引供電系統(tǒng)供電方式的改變；故障和特征信息的改變；計(jì)算方法與電氣化鐵路變化的更新；在綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的集成等。 牽引供電方式的改變：1）新的牽引變壓器接線的應(yīng)用，使得繼電保護(hù)工作原理發(fā)生變化，這種變化沒有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的支持，必須通過對(duì)牽引新型牽引變壓器的試驗(yàn)、分析計(jì)算逐步完善對(duì)新型牽引變壓器電磁關(guān)系的認(rèn)識(shí)。2）新型供電方式的應(yīng)用，使得原有的供電系統(tǒng)模型發(fā)生變化，而這種變化由于影響因素較多，難以通過獲得精確的模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)，使繼電保護(hù)的工作參數(shù)存在偏差，這需要通過試驗(yàn)、分析計(jì)算完善模型。 機(jī)車類型和負(fù)荷特征的變化：1）整流型機(jī)車

15、正常運(yùn)行是，牽引電流中存在著明顯的3、5、7次諧波，而交-直-交機(jī)車運(yùn)行時(shí)只存在較高頻的諧波，兩者負(fù)荷特征也存在差別，這需要對(duì)機(jī)車各種運(yùn)行工況下的負(fù)荷特征進(jìn)行研究，以改變原有繼電保護(hù)區(qū)分負(fù)荷和短路電流的方法；2）故障特征和正常負(fù)荷特征的區(qū)分方法需要新的計(jì)算規(guī)則的支持。 高速電氣化鐵路對(duì)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)提出了更高的要求：更高的可靠性、納入綜合調(diào)度系統(tǒng)。這影響到繼電保護(hù)系統(tǒng)在綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的集成。 在綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，繼電保護(hù)裝置（系統(tǒng)）與其它設(shè)備交換的信息通過網(wǎng)絡(luò)完成，調(diào)度系統(tǒng)的需求不同，會(huì)影響到繼電保護(hù)裝置（系統(tǒng)）的通信接口技術(shù)、通信規(guī)約等方面。弓網(wǎng)關(guān)系問題 接觸網(wǎng)系統(tǒng)是無備用系統(tǒng)。 機(jī)車通過

16、受電弓與接觸網(wǎng)滑動(dòng)連接，取得電能。 機(jī)車在運(yùn)動(dòng)過程中，存在不同方向的振動(dòng)，這些振動(dòng)通過受電弓傳遞到接觸網(wǎng)，接觸網(wǎng)隨之振動(dòng)。 良好的弓網(wǎng)關(guān)系是接觸網(wǎng)振動(dòng)特性和受電弓振動(dòng)特性一致，兩者之間為一各隨動(dòng)系統(tǒng)，使接觸網(wǎng)和受電弓保持良好的接觸。問題： 1、接觸網(wǎng)的振動(dòng)特性受到很多因素的影響，如導(dǎo)線的材料、接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式等，使得受電弓與接觸網(wǎng)之間存在短暫的脫離現(xiàn)象（離線），當(dāng)受電弓與接觸網(wǎng)處于離線狀態(tài)時(shí)，將出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象； 2、列出運(yùn)行速度的提高，突出了一些新的問題，如硬點(diǎn)、拉弧電流幅值以及離線率。解決手段： 1、改變接觸網(wǎng)懸掛方式； 2、改變接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)及材料； 3、優(yōu)化布置； 4、新的檢測技術(shù)； 5、新的施工技術(shù)和維護(hù)手段。 絕緣配合問題 高壓設(shè)備的帶電部分與設(shè)備外殼、大地之間需要絕緣，不同電壓等級(jí)、不同相別的高壓設(shè)備之間也需要絕緣。 絕緣配合，就是在一個(gè)供電系統(tǒng)中，由于存在眾多的絕緣部分，通過對(duì)各部分絕緣水平（耐工頻