高速铁路牵引供电系统相关问题的分析与研究毕业设计讲解Word文件下载.docx
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3.2.3负序电流15
3.2.4解决方法15
第4章高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题17
4.1理想牵引供电系统17
4.1.1系统构成17
4.1.2运行过程18
4.2现行方式与同相供电系统19
4.2.1同相供电系统19
4.2.2牵引变电所的（最小）补偿容量20
致谢21
参考文献22
第1章绪论
1.1本文研究的目的和意义
随着我国国门经济的持续稳定发展，人口城镇化进程加速，国际交往急剧增加，旅游事业日益兴旺，诱发了大量的困运需求。
人民生活水平的提高，时间价值观念的增强，客观上提出了发展高速铁路客运系统的社会需求。
之前国家批准铁道部报送的《中国铁路发展中，长期规划》，规划中，明确了将建设四纵，四横快速客运通道，升级速度喂350km/h的武汉客运专线就是四纵中京广客运通道的重要组成部分。
高速客运专线的设计在我国相对完善，单设计中还存在很多没有解决的课题，就牵引供电系统设计而言，也同样存在很多目前国内还未掌握和解决的难题。
告诉客运专线速度高，运量大，行车密度，供电系统出送的功率势必很大。
如今高速铁路飞速发展，在高铁动车组列车大幅投入运营的同时，对高铁安全可靠性也提出了更高要求。
在高铁运行各技术系统中，牵引供电系统尤其重要，因牵引供电系统直接关系高铁的可靠运行。
高速铁路之所以受到广泛青睐，在于其本身具有显著优点：
缩短了旅客旅行时间，产生了巨大的社会效益；
对沿线地区经济发展起到了推进和均衡作用；
促进了沿线城市经济发展和国土开发；
沿线企业数量增加使国税和地税相应增加；
节约能源和减少环境污染。
随着京津城际铁路、武广高速铁路、郑西高速铁路、沪宁城际高速铁路等相继开通运营，中国高铁正在引领世界高铁发展.
进入本世纪，随着环境问题的日益严峻，专家们认为，交通运输各行业中，从单位运量的能源消耗、对环境资源的占用、对环境质量的保护、对自然环境的适应以及运营安全等方面来综合分析，铁路的优势最为明显。
因此欧洲各发达国家在经历了一段曲折的道路之后，重新审视和调整其运输政策，把重点逐步移回铁路，其策略中重要的一环是规划和发展高速铁路。
专家们纷纷指出，发展中国高速铁路势在必行。
1.2国内外研究现状
1.2.1概况
（1）供电制式
电气化铁道最早采用直流和低频交流（以15kV、162/3Hz为主），有的也曾采用单项交流供电，后来居上的是单相工频交流供电。
低频交流和直流供电电压都较低，变电所间距较短，有多一套变频和整流设备，因而供电设备的投资比单相工频供电要大。
单相工频交流供电可以利用公共电力系统，经降压后直接使用，并且由于采用比较高的25kV或2×
25kV电压，在输送相同功率时，接触网的电流减少，接触网上的压损和电能损失也减少，延长了牵引变电所的间距，接触悬挂也可选用轻型结构，支柱容量也可降低，从而大大节省牵引网的投资。
目前高速电气化铁路也是以单相工频供电为主。
法国、日本、西班牙高速铁路采用了单相工频交流供电方式；
德国沿用了15kV，162/3Hz低频交流供电；
意大利沿用了直流供电方式。
（2）减少负序和通信干扰的主要措施
高速电气化铁路牵引负荷为大容量单相负荷，其产生的不平衡电压和电流对公共电力系统构成危害，供电臂上不稳定的负荷，更加重了不平衡度；
以钢轨为回流通路的地中电流对沿线通信和信号设备产生电磁干扰，危及设备和人身安全，影响通信质量；
电力机车整流产生的高次谐波对电力系统和通信线路也产生严重的影响。
减少单相交流供电的不平衡电压和电流，有以下方法：
1 改变主变压器接线
采用Scott和变形伍德桥接线，实现三相-两相平衡交换。
当两供电臂负荷电流和功率因数相同时，电力系统中三相电流平衡。
即使在两供电臂电流不同的情况下，不平衡度也大大降低。
2 无功补偿实现三相-单相平衡
在列车高速运行情况下，为克服不平衡电压和电流的影响，应增大电力系统的短路容量，但这往往需要加长输电线的距离，增加建设费用。
而高速电动车组的再生制动的采用，使原理降低不平衡电压和电流的方法变得更加困难。
采用任何接线变压器都做不到三相-单相的平衡对称变换，必须辅以适当的并联无功补偿设备。
日本研究开发了一种静态不平衡馈线补偿装置。
该装置是在Scott接线变压器的M座和T座接上电容器和电抗器组成的平衡补偿装置，借助并联无功补偿方法，实现三相-单相对称变换，从而降低牵引供电系统对电力系统锻炼容量的要求，以利用附近较弱的电源，并且不必考虑馈线负荷的不平衡问题。
1.2.2日本
（1）牵引供电系统概况
日本1964年东海道新干线开通时，采用BT供电方式，变电所间隔20km左右，最大供电电流1000A。
但BT供电方式存在很多问题，如在通过接触网电分段时产生很大的电弧，极易烧坏滑板及解除导线，加之牵引网单位阻抗很大，在大负荷情况下磨损很大，牵引网电能损失很大。
1972年山阳新干线正式采用日本铁道研究所开发的AT供电方式，在这之后的其他新干线均采用AT供电方式，变电所间距约60km左右，最大供电电流约2000~3000A。
日本东海道新干线供电电压为25kV、60Hz，山阳新干线供电电压25kV、60Hz，东北，上越新干线供电电压25kV、50Hz，山形新干线供电电压20kV、50Hz，北陆新干线供电电压25kV、60Hz。
新干线AT供电方式的变电所容量在100~150MVA，供电电压的允许波动范围为：
19~27.5kV，额定电压为25kV，瞬时最低17.5kV，在22.5~27.5kV列车可满功率运行。
为了提高功率因数，变电所端设置了并联电容，容量约为6000kVar/单位电臂，为了增强供电能力，变电所还设置了静止无功率补偿装置（SVC），进行综合补偿。
（2）高次谐波、功率因数、再生制动对牵引供电设备的影响
300系、700系、500系、E1系、E2系、E3系、E4系及300X、STAR21型试验车等均采用PWM变流器和VVVF逆变器。
该变流回流的特点是：
采用再生制动、次数较高的谐波含量高、功率因数高。
1 高次谐波的特点和减少影响的措施
交直交传动与交直传动相比，由于采用的主元件性能有很大的改善，以及动力分散型列车各单元之间采用不同相位、保持一定的相角差来补偿一部分谐波，总体上谐波是比较低的。
但由于采用PWM技术，1500~1800Hz的高次谐波含量明显增加。
采用AT供电方式，供电臂增长，电源阻抗增加，电源电感L和馈线回路电容C在较低频率时会产生共振，当与机车输出频率接近时，产生高次谐波放大。
新干线供电回路的共振频率约为1000~2000Hz。
高次谐波共振的危害有：
a、恶化系统电气设备的绝缘能力；
b、车辆主回路和辅助回路误动作；
c、通信杂音干扰；
d、设备烧损。
通过模拟分析和现场测试，认为共振主要是高次谐波在供电臂末端反射形成的，为了抑制高次谐波共振，在供电臂末端安装HMCR装置；
在供电臂21.5km的复线区间实验结果为：
共振频率为1550Hz，放大倍数为14.66倍，在分区亭设置HMCR装置后，共振频率移至500Hz。
为了防止高次谐波放大，协调并减少车辆、供电设备和环境设备的干扰，日本制定了高次谐波含有率标准，具体如表1.1所示。
表1.1日本新干线高次谐波含有率标准
级数
3
5
7
11
13
17
19
23
25~29
综合
供电系统
4
2
1.5
1
220kV侧
2.5
0.5
2 功率因数特点与减少影响的措施
交直交传动机车功率因数牵引时接近1，再生制动时接近-1，STAR21型实验车实际测量的结果为：
牵引时0.95~1，再生制动时0.9.符合的阻抗特性也发生变化，不再分布于第
象限40左右，而是在第
、
象限内随机出现，这样容易引起保护误动作。
推出的交流电气化贴到用保护范围转换继电器，该继电器仍为四边形特性，但R、X可以进行分别整定，在任意R、X整定值下，保护都有两个动作范围，小范围对应于正常运行状态，大范围对应于馈线故障状态，保护灵敏度高，高阻保护性能好。
这两种方式成功的解决了新干线供电保护设备与车辆的协调。
3 再生制动对牵引供电设备的影响
a、自动过分相的切换开关故障
当牵引工况的车辆位于中性区时，供电臂恰有一列车处于再生工况，而此时，自动过分相切换开关正处于向备用开关切换的状态，如果开断与切换真空断路器串联的隔离开关，就有可能产生大的电弧。
b、变电所供电臂停电，再生产不能及时撤除再生制动
供电臂中只有一列车时，如果供电臂停电，通过检测竭诚为电压和换流装置的电压，可立即中断再生。
但如果同一供电臂中，再生车与牵引车的功率发生平衡时，供电臂停电，再生车不能马上检测出，此时对停电的反应时间是0-100ms。
c、再生工况电路系统故障战场牵引变压器已座过电压
再生工况，电力系统故障，以此侧断路器跳开后而馈线断路器未跳开，再生车尚未停止再生前，经由主变的一次线圈，对另一座产生过电压。
SCOTT变压器如T座车辆再生时发生以此相间短路，M座将产生√3倍的过电压。
1.2.3法国
法国TGV东南线的运行速度为270km/h，追踪间隔时分为5min，大西洋的运行数的为300km/h，追踪间隔时分为3min，英吉利还写谁的客货混运，追踪间隔时分为2.5min。
法国TGV告诉铁路在东南线第一次采用AT供电方式，而后大西洋高速线、北方高速线等高速铁路均采用AT供电方式。
（2）东南线供电系统
东南线的牵引变电所是法国电力公司通过双回225kV供电，主要供电设备均采用100%备用。
主变压器全部为单相牵引变压器，低压次侧设有电压自动调整装置，该装置具有一定的延时性，当母线电压持续60s低于26kV时，可自动调整电压并班车电压在26kV以上，因此，仅一列动车组通过时不动作，当动车组交会时才动作。
电压调节共分20级，每级350V，具有补偿高压变化的作用。
牵引变压器容量均为60MVA。
东南线共设有8个牵引变电所，其中2/3/4变电所为AT变电所，其余变电所均为直供变电所。
AT变电所间平均距离为90km左右，直接变电所为40km左右。
AT主变压器二次侧绕组中点引出并接地，这样可不必在变电所馈线上安卓自耦变压器，简化了变电所的接线。
全线总安装容量为800MVA，检修在夜间，为了检查和简易维护，白天也有80min天窗。
AT供电区段AT变间距约为15km。
主变压器采用油浸自冷变压器，变压器电抗较高，可使短路电流限制在12000A以下。
每个变电所通过4个断路器向架空接触网供电。
变电所25kV侧采用六氟化硫断路器，断路器的额定电流为1250A，断流能力15000A。
为了限制电梯对电流系统的负序影响，法国采取了如下措施：
1 牵引变电所由225kV供电，以确保变电所与系统联结点有足够的短路容量；
2 所有牵引变电所通过相序轮换接入电力系统；
3 在电力系统薄弱、大密度行车时，单相负荷对系统影响可能超标的牵引变电所，变电所按可以单相与“V”接相互转换设计；
4 电网短路容量不足的地区，牵引变电所设置补偿装置。
1.2.4德国
德国高速铁路采用15kV、162/3Hz供电，铁路有自营的专用单相162/3Hz的发电厂，给牵引变电所供电，也有部分采用公共电力系统，静电气化铁路的变频站供给牵引网。
汉诺威-维尔茨堡ICE高速线有4个既有线和7个新建的牵引变电所供电；
曼海姆-斯图加特ICE高速线由2个既有和3个新建牵引变电所供电。
在新建和既有线的联接处，设有分区亭。
为高速线供电的既有线牵引供电设备都根据符合的增加和短路功率的提高进行了加强和现代化的改造。
高速线上的新建牵引变电所和配电室都是统一规格的。
每个牵引变电所都装有2台15MVA的变压器，实行双边供电，变电所间距约为30km。
为了将新建村的或经过现代化改造的高速线牵引供电设施接通到原来的供电系统上，对电力调度、美茵河畔的法兰克福中心调度所以及有关的遥控装置的日常控制设备进行了适当的改造。
1.3本文主要工作
本文针对高速铁路牵引供电系统，对牵引供电系统做了详细的介绍。
从各供电制式，供电方式入手，发现并研究了供电系统中从在的诸多问题，做出了解决办法。
结合我国多年来的经验，详细分析了牵引供电发展的问题，并做出了理想牵引供电系统.
第2章高速铁路牵引供电系统系统介绍
由于电力机车功率大，拉的多，跑的快，世界各国的高速铁路几乎都采用电力机车牵引。
电力机车与蒸汽机车和内燃机车不同，它本身不带能源，必须由外部供应电能。
为了给电力机车供应电能，需要在铁路沿线架设一套牵引供电系统。
高速铁路的牵引供电系统，与常速铁路的牵引供电系统不同，它的供电能力和供电可靠性必须满足高速列车运行的要求。
自1964年10月1日，日本建成世界上第一条高速铁路以来，经过几十年的实践和发展，各国高速铁路的牵引供电系统都有了很大的改进，达到了很高的水平，而且都各具特色。
最具有代表性的是日本、法国和德国高速铁路的牵引供电系统。
高速铁路的牵引供电系统主要包括牵引供电和接触网两大部分。
下面就其采用的主要技术标准做一简单的介绍。
2.1牵引供电部分
（1）牵引供电方式
高速铁路要求接触网受流质过高，分段和分相点数量少。
目前各国大多采用自耦变压器（AT）供电方式和带回线的直接（RT）供电方式。
自耦变压器（AT）供电方式是每隔10km左右在接触网与正馈线之间并联接入一台自耦变压器，其中性点与钢轨相连。
自耦变压器将牵引网的供电电压提高一倍，而供给电力机车的电压仍为25kv，如图所示。
带回线的直接（RT）供电方式是在接触网支柱上架设一条与钢轨并联的回流线，如图所示，利用接触网与回流线之间的互感作用，使钢轨中的电流尽可能地由回流线流回牵引变电所，因而能部分抵消接触网对邻近通信线路的干扰。
日本、法国采用AT供电方式；
德国、意大利和西班牙采用RT供电方式。
AT供电方式的优点是：
供电质量高,变电所数量少,便于牵引变电所选址和电力部门的配合,牵引变电所间距大、分相点少。
因此，便于高速列车运行，防干扰效果也好。
我国京沪高速铁路牵引供电优先采用2×
25kV（AT）供电方式。
（2）电源电压等级
高速铁路负荷电流大，对电力系统的不平衡影响也大。
为了减少对电力系统的影响，高速铁路一般都采用较高的电源电压。
日本采用154kV、220kV和275kV三种电压等级，法国采用225kV电压等级，德国采用110kV电压等级，意大利采用130kV电压等级，西班牙采用132kV和220kV两种电压等级。
（3）接触网电压
接触网的电压对电力机车功率发挥及机车运行速度有很大影响，而且直接关系到牵引供电设备技术参数的选定和供电系统的工程投资，各国都非常重视这一技术标准。
日本接触网的标准电压为25kV，最高电压为30kV，最低电压为22.5kV。
法国分别为25kV、27.5kV和18kV。
德国分别为15kV、17kV和12kV。
西班牙分别为25kV、27.5kV和19kV。
意大利采用直流供电，分别为3kV、3.6kV和2kV。
我国京沪高速铁路接触网的标称电压为25kV，长期最高电压拟定为27.5kV，短时（5min）最高电压为29kV，设计最低工作电压为20kV。
（4）牵引变压器接线形式
牵引变压器是牵引供电系统中最重要的设备。
它对牵引供电系统和工程投资起决定性的影响，不同类型的牵引变压器对电力系统产生不同的不平衡影响。
日本采用斯科特接线和变形伍德桥接线三相变压器。
法国、德国、意大利和西班牙采用单相变位器。
单相变压器的优点是变压器容量大、利用率高、经济效果好，最适合在高速铁路上应用。
我国京沪高速铁路应优先采用单相变压器。
（5）牵引变电所继电保护和自动控制装置
日本、法国、德国及西班牙高速铁路的牵引变电所均按无人值班设计，采用运动装置在电力调度中心监控。
牵引变电所的继电保护和自动控制系统仍采用传统的控制保护盘方式，微机控制保护和全部自动化等技术都还没有采用。
但在保护系统的配置、继电器的特性、控制回路的联动等方面比较先进，系统的安全性和可靠性也比较高。
（6）电力调度和运动系统
日本列车运行指挥中心集列车、车辆、信号、牵引供电、防灾报警、旅客服务等多种业务调度为一体，构成一个综合调度处理系统。
电力调度及运动是其中的一个子系统。
法国高速铁路的综合调度系统由行车调度和电力调度组成。
德国和西班牙高速铁路的牵引供电调度及运动系统则是一个设在调度中心的独立系统。
由调度所对高速线上所有开关设备和接触网柱上开关进行遥控。
为了便于列车调度指挥，电力调度和运动系统集中设在行车调度室内。
2.2牵引网供电方式
2.2.1直接供电方式
图2.1直接供电方式
牵引供电系统，两个牵引变电所之间将接触网分成两个供电分区（又称供电臂），正常情况两相邻供电臂之间在接触网上是绝缘的，每个供电臂只从一端牵引变电所获得电能的供电方式称为单边供电。
若两个供电臂通过开关设备，在电路上连通，两个供电臂可同时从两个牵引变电所获得电能，这种供电方式称为双边供电。
双边供电可提高接触网电压水平，减少电能损耗。
但馈线及分区亭的保护及开关设备都较复杂，因此，目前采用较少。
单边和双边供电为正常的供电方式，还有一种非正常供电方式（也称事故供电方式）叫越区供电。
越区供电是当某一牵引变电所因故障不能正常供电时，故障变电所担负的供电臂，经开关设备与相邻供电臂接通，由相邻牵引变电所进行临时供电。
这种供电方式称越区供电。
因越区供电增大了该变电所主变压器的负荷，对电器设备安全和供电质量影响较大，因此，只能在较短时间内实行越区供电，是避免中断运输的临时性措施。
复线区段供电方式与上述基本相同，但每一供电臂分别向上、下行接触网供电，因此牵引变电所馈出线有四条。
同一侧供电臂上、下行线实行并联供电，可提高供电臂末端电压。
越区供电时，通过分区亭开关设备来实现。
2.2.2吸流变压器—回流线装置BT
在牵引网中，每相距1.5km—4km间隔，设置一台变比为1:
1的吸流变压器。
吸流变压器设在分段中央，其原边串入接触网，副边串入沿铁路架设的回流线。
回流线通常就悬挂在铁路沿线的接触网支柱外侧的横担上。
图2.2BT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，钢轨电位低
2.2.3自耦变压器供电方式（AT）
日本铁路为防止通讯干扰，在实行交流电气化的前期，在牵引网中普遍应用了BT供电方式。
但当高速、大功率机车在这种电路中通过吸流变压器分段时，在受电弓上会产生强烈电弧，为了克服此缺点，后来发展了一种新的牵引网供电方式—自耦变压器供电方式。
图2.3自耦变压器供电方式。
T—接触网；
R—轨道；
F—正馈线；
AT—自耦变压器
AT供电方式：
由接触网T、正馈线F、轨道大地系统R以及每隔一定距离的自耦变压器（AT）构成。
AT并联于接触导线与正馈线之间，AT中点与钢轨相连。
结构上：
AT方式是用自耦变压器代替了吸流变压器，正馈线代替了回流线。
自耦变压器是并入电路，这一改变，首先是消除了接触网中的吸流变压器分段。
大部分回流流经正馈线，从而降低对邻近通信线的干扰。
自耦变压器的工作原理：
一次和二次回路共用部分绕组（n2部分），而n1只有一次电流通过。
图2.4自耦变压器工作原理
输入电压为输出电压的2倍，也就是说，通过自耦变压器可以输入较高的电压而得到机车所需的低电压。
电流则相反，输入电流为输出电流的一半。
从牵引变电所看，以两倍接触网电压沿线输送1/2I。
送电电压加倍，送电电流减半，送电电路中的电压损失将降低为1/4。
利用AT这个特点，可增大变电所间的距离和增大传输功率，减少牵引网损耗。
缺点：
必须在沿线安设电压较高、容量较大的自耦变压器，牵引网设备的投资相应增加。
2.2.4带回流线的直接供电方式（DN）
由于AT方式设备复杂，一次投资高、运营费用高、维护困难，特别在多隧道区段应用更为困难。
BT方式由于其半段效应、接触网分段及牵引网阻抗大等弱点，对高速和重载行车的适应能力差。
因此，常采用直接供电加回流线（负馈线）。
DN供电方式：
由接触网、钢轨、沿全线架设的负馈线NF（每隔几公里用P金属线和钢轨相连）组成。
由于NF和钢轨并联连接，使得正常运行时钢轨中负荷电流的一部分分流到NF中去，因此，可以减少流入大地的电流，减轻对通讯的干扰危害，降低钢轨电位，减小馈电回路的阻抗。
DN方式与AT、BT相比，其馈电回路和设备简单、投资省、运营维护方便。
为了能取得最好的防干扰效果，需研究回流线的空间布置（与接触网的磁耦合关系）和设法降低回流线—地、钢轨—地回路的阻抗，以提高回流率。
图2.5带回流线的直接供电方式
回流率与各导线—地回路自阻抗以及各导线—地回路间的互阻抗有关，当回流率=1时，则接触网电流完全由回流网吸上，地中电流为零。
2.3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。
（1）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。
（2）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
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