高速铁路牵引供电系统设计.docx

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高速铁路牵引供电系统设计

高速铁路牵引供电系统设计

第一节电气化铁路的组成

由于电力机车本身不带原动机，需要靠外部电力系统经过牵引供电装置供给其电能，故电气化铁路是由电力机车和牵引供电系统组成的。

牵引供电系统主要由牵引变电所和接触网两部分组成，所以人们又称电力机车、牵引变电所和接触网为电气化铁道的三大元件。

一、电力机车

（一）工作原理

电力机车靠其顶部升起的受电弓和接触网接触获取电能。

电力机车顶部都有受电弓，由司机控制其升降。

受电弓升起时，紧贴接触网线摩擦滑行，将电能引入机车，经机车主断路器到机车主变压器，主变压器降压后，经供电装置供给牵引电动机，牵引电动机通过传动机构使电力机车运行。

（二）组成部分

电力机车由机械部分（包括车体和转向架）、电气部分和空气管路系统构成。

车体是电力机车的骨架，是由钢板和压型梁组焊成的复杂的空间结构，电力机车大部分机械及电气设备都安装在车体内，它也是机车乘务员的工作场所。

转向架是由牵引电机把电能转变成机械能，便电力机车沿轨道走行的机械装置。

它的上部支持着车体，它的下部轮对与铁路轨道接触。

电气部分包括机车主电路、辅助电路和控制电路形成的全部电气设备，在机车上占的比重最大，除安装在转向架中的牵引电机之外，其余均安装在车顶、车内、车下和司机室内。

空气管路系统主要执行机车空气制动功能，由空气压缩机、气阀柜、制动机和管路等组成

（三）分类

干线电力牵引中，按照供电电流制分为：

直流制电力机车和交流制电力机车和多流制电力机车。

交流机车又分为单相低频电力机车（25Hz或162/3Hz）和单相工频（50Hz）电力机车。

单相工频电力机车，又可分为交--直传动电力机车和交—直—交传动电力机车。

二、牵引变电所

牵引变电所的主要任务是将电力系统输送来的110kV三相交流电变换为27.5（或55）kV单相电，然后以单相供电方式经馈电线送至接触网上，电压变化由牵引变压器完成。

电力系统的三相交流电改变为单相，是通过牵引变压器的电气接线来实现的。

牵引变电所通常设置两台变压器，采用双电源供电。

以提高供电的可靠性。

变压器的接线方式目前采用的有三相Yd11接线，单相V/V接线，单相接线以及三相-两相斯科特变压器。

牵引变电所还设置有串联和并联的电容补偿装置，用以改善供电系统的电能质量，减少牵引负荷对电力系统和通信线路的影响。

三、牵引供电回路

电力牵引供变电系统是指从电力系统接受电能，通过变压，变相后，向电力机车供电的系统。

牵引供电回路是由牵引变电所、馈电线、接触网、电力机车、钢轨、地或回流线构成。

另外还有分区亭、开闭所、自耦变压器站等。

（一）开闭所（SSP）

电力牵引系统中的开闭所，实际上是起配电作用的开关站开闭所就是高压开关站，实际上从严格意义上讲是“高压配电”站，仅仅起配电作用，实现环网供电、双路互投等功能。

当枢纽地区的供电，分为“由里向外供”和“由外向里供”两种方式，前者在枢纽内设置牵引变电所。

后者在枢纽内不设牵引变电所，为了增加枢纽地区供电的可靠性和缩小事故的影响范围，一般设开闭所。

AT供电方式时，供电臂较长，在供电臂中部也设开闭所。

开闭所应有来自不同牵引变电所的（单线区段）或同一牵引变电所的不同馈线段（复线区段）的两回进线。

开闭所应尽量设置在枢纽地区的负荷中心处，以减少馈线的长度和馈线与接触网的交叉干扰。

（二）分区亭（SP）

为了增加供电的灵活性，提高运行的可靠性，在两个牵引变电所的供电区间常加设分区亭。

分区亭常用于牵引网为双边供电，或复线区段牵引网为单边供电，但上下行接触网在末端并联时。

这时，分区亭起到平时将两个供电臂或上下行接触网联络起来的作用，这样，当事故发生时，可缩小停电范围和实现越区供电。

（三）自耦变压器站

电力牵引供电系统如采用自耦变压器供电方式时，在沿线每隔10-15公里设置一台自耦变压器。

设置时尽量将自耦变压器设于沿铁路的各站场上。

同时，尽量与分区亭、开闭所合并，以便于运行管理。

（四）牵引网

牵引网是由馈线、钢轨回流线、接触网组成的双导线供电系统，完成对电力机车的送电任务。

BT供电方式时，还要有回流线。

AT供电供电方式时，还有正馈线和保护线。

馈线：

接在牵引变电所牵引母线和接触网之间的导线，即将电能由牵引变电所引向电气化铁路。

接触网：

一种特殊的输电线，架设在铁路上方，机车受电弓与其磨擦受电。

回流线：

牵引变电所处的横向回流线，它将轨或与轨平行的其它导线与牵引变压器指定端子相联。

分相绝缘器（电分相）：

串在接触网上，目的是把两相不同的供电区分开，并使机车光滑过渡，主要用在牵引变电所出口处和分区处。

分段绝缘器（电分段）：

分为纵向电分段和横向电分段，前者用线路接触网上，后者用于站场各条接触网之间。

通过其上的隔离开关将有关接触网进行电气连通或断开，以保证供电的可靠性、灵活性和缩小停电范围等。

供电分区：

正常供电时，由牵引变电所馈线到接触网末端的一段供电线路，也称为供电区。

第二节电气化铁路的供电方式

一、电力系统对牵引变电所的供电方式

电力系统向牵引变电所供电的方式可分为单电源供电，双电源供电和混合供电。

当同一电气化区段有不同那个的电力系统功能供电时，在牵引网的分界处，应设置分相电分段而不应并联。

牵引变电所设置两台变压器，它要求双电源供电。

（五）单边供电

单边供电是由一个区域变电所给1-2个牵引变电所供电，为保证供电可靠性，应采用双回路供电。

单边供电的可靠性一般比双边供电和环形供电要差，而投资不会比环形供电和双边单回供电少。

（六）双边供电

特点：

电源来自两个区域变电所，给铁路供电的输电线是联络这两个区域变电所的通路。

可以分为单回路供电和双回路供电。

单回路供电比双回路供电投资省，但双回路供电比单回路供电可靠性更好。

（七）环形供电

特点：

牵引变电所在高压侧与一次系统联成环形网。

供电可靠性好，但成本较高。

国内现行电网模式中，有更高一级电网时，往往不再使低一级电网结环运行。

因此，在目前220kV及更高系统逐步形成之情况下，当采用110kV系统给铁道牵引供电时，就较少采用环形方式，双边供电等方式，而多用单边供电或带有备用开关的双边侧供电及环形供电等方式。

实际电力系统的电源与牵引变电所的布局是多种多样的，所以电气化铁道一次系统的供电方式也是多种多样的。

二、牵引变电所对接触网的供电方式

（一）单线区段的单边供电

各变电所相互独立，接触网供电分区由牵引变电所从一边供应电能。

每个接触网供电分区通常称为一个供电臂，相邻两个牵引变电所之间的供电臂相互绝缘，机车只从相关的某个牵引变电所取电。

对于两个异相牵引端口的牵引变电所，通常在牵引变电所出口两馈线相连的接触网上和分区的接触网上设分相绝缘器。

当某一牵引变电所因故障失电时，可将两端分区亭的开关合上进行越区供电。

有较好的电能质量（电压，电能损失小），设备（接触网导线，变压器）负荷较均匀，继电保护较为复杂，且有穿越电流流经接触网，目前单线普遍采用这种供电方式。

（二）复线区段的单边末端并联供电

复线区段也可以采用单边供电和双边供电，但由于复线的双边供电分区亭设备复杂，对接触网短路故障的保护十分困难，故目前我国只采用复线单边供电。

由于复线区段牵引变电所同一侧的上下行接触网均供应同相电，故可在接触网供电末端用分区厅中的断路器连接起来，形成单边末端并联供电。

单边末端并联供电时，电力机车由上下行接触网线路并联供电，使分配在每条接触网中的电流减小，从而使接触网的电压损失和电能损失减小，故目前普遍采用这种方式。

机车由相邻的两个变电所供电，由与分相绝缘器并联的断路器合闸而实现的。

当一供电臂故障时，如保证另一供电臂正常供电，则需通过继电保护自动将断路器打开，以缩小故障区域；当接触网停电维修时，也需要（通过远动）进行断路器分合操作。

因此，双边供电时，两相邻牵引变电所之间要设置分区亭。

复线区段的全并联供电

单边全并联供电是在每个车站利用负荷开关将上下行接触网并联，形成并联网络。

并联负荷开关可自动投切，也可由设于车站的远动终端由电力调度控制。

全并联供电的优点是其比末端并联供电更有效的减小接触网阻抗，降低接触网电压损失和电能损失，另一方面又能对接触网的短路故障进行更有效的保护，即当接触网短路故障时，牵引变电所两馈线断路器自动跳闸，接触网瞬时失电，负荷开关自动断开，上下行接触网分开，此时通过变电所的故障判断装置确定故障线路，而非故障线路及可自动重合闸送电，如果是瞬时性故障，两条线路分别送电成功后，负荷开关自动合闸，又恢复到全并联供电方式。

一、接触网对机车的供电方式

（1）直接供电方式

牵引网结构最简，投资最小，但钢轨电位较高，对通信线的干扰感应最大，主要适用于通信线路（主要是明线）较少或很易将受扰通信线迁改径路的场合。

基本型直接供电方式在法国、英国、原苏联都广泛应用。

（2）带回流线的直接供电方式

带回流线的直接供电方式简称DN供电方式：

在钢轨上并联架空回流线（又称为负馈线）。

增加回流线后，原来流经轨道、大地的回流，一部分改由架空回流线流回牵引变电所，其方向与接触网中馈线电流方向相反，架空回流线与接触网距离较近，因此相当于对邻近通信线路增加了屏蔽效果；另外，钢轨电位大为降低，对通信线的干扰得到较好抑制。

还能降低牵引网阻抗，使供电臂延长30%以上。

（3）BT供电方式

在牵引供电系统中加装吸流变压器-回流线装置的供电方式，称为吸流变压器供电方式，简称BT（BoosterTransformer）供电方式。

它是在牵引网中，每相距1.5-4km，设置一台变比为1：

1的吸流变压器，其一次线圈串接入接触网，二次线圈串接在回流线中，（即吸流变压器-回流线方式，简称吸-回方式），或串接在轨道中（即吸流变压器-轨道方式，简称吸-轨方式）。

吸轨方式需要自吸流变压器处作绝缘轨缝，将轨道进行绝缘分段，依靠吸流变压器的作用，使绝大部分回归电流流经由轨道和吸流变压器二次线圈流回牵引变电所。

与吸--回方式相比，吸轨方式造价要低得多，对接触网的运行维护也比较有利，对于地形比较困难，或穿越长大隧道的的电气化区段是有意义的。

但是，对邻近线路的防护效果要差一些。

而且，在绝缘轨缝两侧的轨端之间可能出现数百伏的电压，对线路维修人员的安全是个威胁，为了解决这个矛盾，可在吸流变压器出做两个绝缘轨缝，以加长带有不同电位的两段钢轨之间的距离，此外，当列车通过绝缘轨缝的整段时间内，吸流变压器由于副边线路被短路而失去作用。

吸--回方式比吸--轨方式抑制通信干扰的效果好。

我国采用的BT方式均为吸-回方式，日本东海道新干线也如此，而英国、法国、瑞典两种方式都有应用，挪威只用BT-钢轨方式。

吸流变压器采用变比为1：

1的特殊变压器，其特点是要求励磁电流小。

吸流变压器的原边串接在接触网上，次边串接在回流线中。

间隔约1.5-4km设置一台吸流变压器，在两个吸流变压器中间，把轨道和回流线连接起来，这个连接成为吸上线。

它是机车电流返回回流线的通路。

吸流变压器工作时，使接触网和回流线间集中的加强了互感耦合，设吸流变压器的原边电流为I1，匝数为w1，负边电流为I2，匝数为w2，根据变压器的原理，I1w1=I2w2，而w1=w2，所以，I1=I2，I1和I2的差别是I1种含有吸流变压器的励磁电流，励磁电流流经轨道和大地，但数值很小。

吸--回方式能迫使由轨道回路和大地返回牵引变电所的机车牵引电流的绝大部分经由回流线路流回牵引变电所，而不经由轨道和大地。

从而把本来距离很大的接触网—轨道大地回路，改变为距离相对很小的接触网—回流线线路。

而且，回流线中流回的电流与接触网内流过的牵引电流大小基本相等，方向相反，它们形成的电磁场相互抵消，这样就达到了牵引供电回路比较对称的目的，显著的消弱了接触网和回流线周围空间的交变磁