客运专线牵引供电系统和接触网.docx
《客运专线牵引供电系统和接触网.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《客运专线牵引供电系统和接触网.docx（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
客运专线牵引供电系统和接触网
第四章客运专线牵引供电系统和接触网
牵引供电系统是客运专线的重要组成部分，是为列车提供能量的关键技术设备，主要包括牵引变电所及接触网两个部分，其任务是保证质量良好地不间断地向机车供电，其系统构成和设备性能上要适应客运专线牵引负荷的特点。
牵引变电所是电气化铁路供电系统中的心脏，无论一般线路还是客运专线线路都要求它具有高度的可靠性，两者除在变电所容量的选择上要考虑高速运行的条件外，其他方面均无多大区别。
接触网是牵引供电系统的主动脉，与列车速度直接相关，其功能是通过与受电弓在运行中的良好接触将电能传给电力机车，由于列车是通过安装在列车的受电弓与接触线相互滑动接触获取电能的，为了使列车连续不断地获取电能，就要求接触线与受电弓在运行中良好接触，“良好接触”的概念包括的内容有：
弓网振动小、相互冲击小、离线次数和时间少、导线和滑板磨耗小。
为取得弓网间的“良好接触”各国专家化费了巨大的时间和精力研究接触网和受电弓的结构及主要参数，有的国家已根据不同的运行速度确定了接触网悬挂系列和不同的受电弓类型。
在高速情况下，弓网良好配合，保证受流质量是高速必须解决的关键技术之一，我国进入高速电气化铁路研究阶段后，也把重点放在弓网受流的研究上，通过近几年铁路的提速和高速试验及相关理论研究，对200km/h的牵引供电系统，特别是接触网及弓网受流系统的认识有了较大提高，已初步积累了接触网的研究、设计、施工和试验经验，为我国客运专线的建设打下了良好的基础。
第一节牵引供电概论
1．供电方式
电气化铁路中有五种供电方式:
1）直接供电；2）吸流变压器供电；3）带回流线的直接供电；4）自耦变压器供电；5）同轴电力电缆供电。
在客运专线铁路中一般不再采用吸流变压器供电方式和同轴电力电缆供电方式，前者是因为接触网在吸流变压器处的断开点上有电位差，受电弓高速通过时产生电弧，后者是因为造价昂贵、施工复杂。
因此，只介绍直接供电方式、带回流线的直接供电方式和自耦变压器供电方式。
1.1直接供电方式，是牵引网中不加特殊防护措施的一种供电方式。
它一根馈线接在接触网上，另一根馈线接在钢轨上，如图（4.1.1）所示。
（T）
（R）
图4.1.1直接供电方式
这种供电方式最简单，投资最省，牵引网阻抗小，能耗也较低。
供电距离单线一般为30km左右，复线一般为25km左右。
由于电气化铁路是单相负荷，机车由接触网取得电流，经钢轨流回牵引变电所。
由于钢轨与大地是不绝缘的，一部分回流由钢轨流入大地，因此对通信线路产生感应影响。
这是直接供电方式的缺点。
1.2带回流线的直接供电方式，是在接触网支柱上架设一条与钢轨并联的回流线，如图4.1.2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。
（T）
（NF）
（R）
图4.1.2带回流线的直接供电方式
1.3自耦变压器供电方式（简称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25千伏，如图4.1.3所示。
图4.1.3自耦变压器供电方式
电力机车由接触网受电后，牵引电流一般由钢轨流回，由于自耦变压器的作用，经钢轨流回的电流，经自耦变压器绕组和正馈线流回变电所。
当自耦变压器的一个绕组流过机车电流时，其另一个绕组感应出电流供给电力机车，因此，当机车负荷电流为I时，由接触网和正馈线供给的电流为0.5I，另外的负荷电流由自耦变压器感应电流供给。
这种供电方式的牵引网阻抗很小，电压损失小，电能损耗低，供电能力大，供电距离长，可达40～50km。
由于牵引负荷电流在接触网和正馈线中的方向相反，因而对邻近的通信线路干扰很小。
2.电源及变电所
2.1电源引入方式
我国的一般电气化线路的牵引变电所电源一般从电网110KV系统接入，保证了安全可靠供电。
但在高速铁路和客运专线，由于供电能力、供电可靠性和供电质量的要求，如果仍采用110kV供电，很难满足供电要求，电力网的运行指标也会恶化。
仅几年来，一些线路采用220KV系统接入，如哈大线和秦沈客运专线。
采用220KV电源的优点如下：
1）可改善负序对电网其它用户的影响
单相工频交流电气化铁道所固有的特点是结构不对称，因此，单相牵引负荷在系统中引起负序电压和电流是肯定的，对电网中的敏感设备带来不利影响。
一般来说，对负序最为敏感的设备是小容量发电机和电动机，它们都处于10kV以下的电网中，为了减少负序对它们的影响，可将牵引负荷离的越远越好（负荷转移），其实质是将负序电流进行更多之路的分流，从而减少敏感之路的电流，220kV以前的各种之路要比110kV侧多，因此，将牵引变电所的电源电压由110kV改为220kV可有效的改善负序对电网的影响。
2）可改善谐波影响
高次谐波的三大要素：
（1）高次谐波发生源；
（2）电力系统和用户负荷的阻抗；（3）设备对抗高次谐波的能力。
电压等级高的系统短路容量大，为减少电压畸变，应选择尽量大的短路容量。
2.2客运专线牵引供电系统的特点
（1）单车牵引电流大，在300～350km/h时可达到600～1000A，要求牵引供电系统有较大的供电能力。
（2）列车通过供电臂时间短，负荷持续时间短，供电臂中的列车数相应少，负荷电流波动大。
（3）为减少过分相的次数，尽量延长供电臂长度
（4）高速列车采用交－直－交方式，机车功率因数接近于1，
牵引负荷的特点：
带电时间长；需求功率大；紧密运行程度高；运营时间内负荷集中
2.3变电所主接线方式
电气主接线反映牵引变电所的主要电气设备，这些设备的规格、型号和技术参数，在电气上是如何连接的，高压侧有几回进线，几台牵引变压器，有几回接触网馈电线。
通过电气主接线可以了解牵引变电所等设施规模大小和设备情况。
牵引变电所的主接线由电源侧、主变压器、牵引侧三部分主接线组成
2.3.1电源侧主接线
牵引变电所属用户变电所，一般不接入电力网内，没有穿越功率，属终端型变电所，电源侧主接线较简单，多采用分支接线方式，两回进线间没有跨条，每回进线与一台变压器组成一组，这种接线方式适用于主变压器固定备用方式，要求两回电源均为主供回路，随时可以切换。
2.3.2牵引侧主接线
电力系统的三相高压电源经过牵引变压器变压后，要用27.5kV或55kV的单相电源向接触网供电，牵引变压器低压侧为要向接触网供电，需要结构合理、操作方便、安全可靠和节省投资的主接线，因此称为牵引侧主接线。
客运专线铁路多为复线，在牵引变电所内一般设有四回馈电线，上下行方向各两回，用不同相别供出，上行方向两回线用同一相，设一台备用断路器；下行方向两回线用另一相，设一台备用断路器。
自耦变压器供电方式馈电线有接触网（T）和正馈线（F）两根线，断路器和隔离开关均为两极。
另有中线（N）馈出，不设断路器和隔离开关。
当牵引变压器牵引侧线圈中点不抽出时，在变电所内还应另设自耦变压器，一般将自耦变压器设在馈电线外侧。
当相邻变电所越区供电时，可作为末端的自耦变压器。
复线铁路一般为四回馈电线，每两回同相馈电线设一组备用断路器。
3.牵引变电所安全监控及综合自动化
随着科学技术特别是计算机控制技术和网络技术的发展，传统变电所的继电保护和控制向微机保护、计算机监控和全所自动化方向发展。
变电所综合自动化系统的智能化、自动化和先进的自检和自诊断技术对客运专线牵引变电所的安全经济运行有突出的贡献。
牵引变电所的供电可靠性直接影响到电气化铁路供电系统的可靠性，甚至影响到整个铁路的安全可靠。
在设计变电所监控系统中应重点考虑三个指标：
1）供电的可靠性；2）牵引供电的全部自动化；3）变电所无人值班。
牵引变电所无人值班是大势所趋，无人值班的变电所是指无固定值班人员在当地进行日常监视与操作的变电所。
对变电所的操作与监视是由远方调度所来完成。
下面以秦沈线的牵引变电所自动化系统为例来说明其组成和功能，图4.1.4为系统组成图。
图4.1.4牵引变电所安全监控及综合自动化系统组成示意图
本系统的主要结构特点是，
1）网络型，现场网络采用LONWORKS网络，通信媒介采用双环光纤。
2）分层分布式，当任意一模块出现故障时，不影响其它模块的正常运行，从而保证供电的可靠性。
3）集中组屏方式
其功能:
各保护测控单元完成变电所的继电保护、测量和控制功能
调度中心可以通过通信单元与保护测控单元通信，实现运动功能
当地监控单元可就地完成各种操作，当监控机失效时不影响装置的正常使用
视频监控单元与自动灭火系统一起组成变电所的安全监控系统
具有自检和自诊断功能，大大提高了可靠性
各种功能可由软件实现程控和连锁。
第二节客运专线接触网
1.接触悬挂形式及其主要技术参数
接触悬挂形式是指接触网的基本结构形式，它反映了接触网的空间结构和几何尺寸。
不同的悬挂形式，在工程造价、受流性能、安全性能上均有差别，另外，对接触网的设计、施工和运营维护也有不同的要求。
对接触网悬挂形式的要求是：
受流性能满足客运专线铁路的运营要求、安全可靠、结构简单、维修方便、工程造价低。
世界上发展高速铁路的主要国家如：
日本、德国、法国的高速接触网悬挂形式是在不断改进中发展起来的，主要有三种悬挂形式：
简单链形悬挂、弹性链形悬挂、复链形悬挂。
各国对这三种悬挂形式有不同的认识和侧重，根据各自的国情发展自己的悬挂形式，日本的高速线路如：
东海道新干线、山阳新干线、东北新干线、上越新干线均采用复链形悬挂，近几年来，日本高速铁路又采用了简单链形悬挂；法国的巴黎—里昂的东南新干线采用弹性链形悬挂，巴黎—勒芒/图尔的大西洋新干线采用接触线带预留弛度的简单链形悬挂；德国比较重视接触网的标准化工作，先后制定了Re75、Re100、Re160、Re200、Re250、Re330几种标准化悬挂形式，行车速度低于160km/h的线路采用简单链形悬挂，在160km/h及以上的线路采用弹性链形悬挂。
下面分别介绍简单链形悬挂、弹性链形悬挂、和复链形悬挂三种形式的结构和技术性能。
1.1简单链形悬挂
结构形式如图4.2.1所示：
图4.2.1带预留弛度的简单链形悬挂
性能特点：
结构简单、安全可靠、安装调整维修方便，适应于高速受流。
定位点处弹性小，跨中弹性大，造成受电弓在跨中抬升量大，跨中采用预留弛度，受电弓在跨中的抬升量可降低；定位点处易形成相对硬点，磨耗大。
如果选择结构形式合理、性能优良的定位器，则可消除这方面的不足。
1.2弹性链形悬挂
结构形式图如图4.2.2所示
图4.2.2弹性链形悬挂
在结构上，相对于简单链形悬挂在定位点处装设弹性吊索，主要有两种形式：
“π”型和“Y”型。
弹性吊索的材质一般与承力索相同，其线胀系数与承力索相匹配。
在支柱悬挂点处配有Y型辅助索，提高了接触网在悬挂点处的弹性，使跨距间的弹性较为均匀。
同时使用辅助索可明显后面跟进的受电弓的接触状态。
性能特点：
结构比较简单，改善了定位点处的弹性，使得定位点处的弹性与跨中的弹性趋于一致，整个接触网的弹性均匀，受流性能好。
其缺点是弹性吊索调整维修比较复杂，定位点处导线抬升量大，对定位器的安装坡度要求也较严格。
1.3复链形悬挂：
结构形式如图4.2.3所示
图4.2.3复链形悬挂
在结构上，承力索和接触线之间加了一根辅助承力索。
性能特点：
接触网的张力大，弹性均匀，安装调整复杂、抗风能力强。
日本早期高速铁路采用复链形悬挂并作为高速接触网的标准悬挂形式，主要考虑受流和环境因素：
1）从受流方面讲，日本动车组是采用动力分散方式，多弓受流，对接触网弹性值和弹性均匀度要求很严格；2）从环境因素讲，日本地处沿海强台风和地震频繁，要求接触网有足够的稳定性。
1.4三种主要接触悬挂形式的比较
选择法国、德国和日本三个国家的三种接触悬挂的主要参数列表如下
表4.2.1三种接触悬挂形式的主要技术参数
法国TGV-A
德国Re330
日本HC
悬挂形式
简单链形悬挂
弹性链形悬挂
复链形悬挂
运营速度（km/h）
300
330
275
接触线材质
Cu150扁
Ris120
Cu170
接触线密度（kg/m）
1.33
1.07
1.51
接触线张力（kN）
20
24/27
14.7
导线预留弛度（%）
1.0
0
0
承力索材质
青铜70
青铜65
ST180+TJ150
承力索张力（kN）
14
45/48
24.5+14.7
承力索密度（kg/m）
0.623
0.58
1.45+1.377
波动传播速度（km/h）
441
539/572
355
无量纲速度
0.68
0.58～0.65
0.77
多普勒系数
0.19
0.21～0.27
0.13
反射系数
0.36
0.48/0.47
0.58
增强因数
1.92
1.75～2.19
4.46
跨中弹性（mm/N）
0.53
0.36
0.29
弹性不均匀系数（%）
41.2
<10
<10
跨距
63
65
50
表中几个技术参数的定义
（1）波动传播速度C:
由于受电弓抬升力的作用，引起接触线的振动，该点的振动传播速度称为波动传播速度。
C与接触线张力T和线密度ρ的关系如下：
C=
（2）无量纲速度β：
列车运行速度V与波动传播速度C之比，即：
β=V/C当列车速度越接近C，即β接近于1时，弓网振动越剧烈。
（3）多普勒系数α:
是无量钢速度的另一种表达式，α=（C-V）/（C+V）
V--列车行驶速度C--接触线波动传播速度
（4）反射系数:
指接触网的振动波在非均质点被反射。
这些非均匀质点如：
吊弦线夹、接头线夹等，反射系数γ用下式表示：
γ=
………………（4.2.1）
Pm、Fm--分别代表接触线的线密度和接触线的张力.
Pc、Fc—分别代表承力索的线密度和承力索的张力.
（5）增强因数:
r=γ/α接触网的振动波在非均质处被反射，被反射回的波形与该物体相向运动，并被继续向前运动的物体以输入能量的方式再次反射回去，波的能量被增强，增强因数用下式表示：
r=
……………………………………（4.2.2）
γ—反射系数α—多普勒系数
根据我国铁路的实际情况和客运专线设计暂行规定，我国客运专线接触网悬挂形式可能选择简单链形悬挂或弹性链形悬挂两种方式，复链形悬挂方式由于其结构复杂、安装施工费用较高，不适合我国客运专线接触网，在这里对其性能不作讨论。
下面重点对简单链形悬挂和弹性链形悬挂的性能作一下比较讨论。
简单链形悬挂和弹性链形悬挂在静态特性上主要表现在静态弹性和弹性差异系数两个方面，下面以秦沈线接触网的静态特性说明弹性链形悬挂与简单链形悬挂的区别。
秦沈线在300km/h的试验区段的上下行线上分别设计了简单链形悬挂接触网和弹性链形悬挂接触网。
1）弹性链型悬挂
线型：
THJ95+CuMg-120、张力：
15kN+20kN、接触线高度：
5500mm、结构高度:
1600mm
图中为三个跨距的静态弹性，最大弹性差异系数为7.96%
2）简单链型悬挂
线型：
THJ95+CuMg-120、张力：
15kN+20kN、接触线高度：
5500mm、结构高度:
1400mm。
图中为三个跨距的静态弹性，最大弹性差异系数为27.64%
从以上两图可以看出，当主要参数相同时，简单链形悬挂与弹性两性悬挂在跨中的静态弹性相差不大，而在悬挂点的静弹性两者差别很大，这导致了弹性差异系数相差很大，简单链形悬挂为27.6%,弹性链形悬挂为7.96%。
一般地来说，接触网设计所追求的目标是接触网弹性均匀，这样受电弓在运行中振动均匀，运行平稳。
德国200km/h以上线路接触网均采用弹性链形悬挂，法国TGV东南线采用弹性链形悬挂；TGV大西洋线和北方线采用简单链形悬挂；我国广深线采用简单链形悬挂，哈大线采用弹性链性悬挂，实践证明，两种接触悬挂均能满足200km/h以上的列车运行速度要求。
两种悬挂方式的主要区别在于接触网的弹性不均匀性，理论研究表明，接触网静态弹性好，弹性均匀，受电弓激发的接触线周期振动振幅越小越好，也就是接触网越均匀越好，接触网的尺寸精度越高越好，这样有利于弓网运行平稳。
弹性链形悬挂弹性均匀，但弹性吊索的施工和维修调整较为困难，如果弹性吊索调整不好，容易造成受流恶化；对简单链形悬挂来说，为了降低简单链形悬挂弹性不均匀对弓网受流的不利影响，通过以下三种方法对接触网处理：
1）加大接触线张力；2）设置接触线预留尺度；3）改善定位器的弹性。
法国国铁的观点是，速度超过250km/h时，受流质量与接触网的弹性均匀度关系不大，而更大程度上取决于接触线的振动，采用简单链形悬挂，同时对吊弦进行合理的布置，提高接触线的张力，虽然跨中的弹性均匀度不是很好，但足够大的接触线张力足以保证高速受流。
德国的标准接触网悬挂所达到的弹性不均匀度如下：
Re100µ=60％～50％
Re160µ=26％～19％
Re200µ=14％
Re250µ=10％
Re330µ<10％
1．4欧洲200km/h以上高速接触网的基本物理特性要求
表4.2.2
序号
设计速度
>200～230km/h
>230～
300km/h
>300km/h
1
弹性差异系数µ
简单链形悬挂
<40‰
<40‰
<25‰
弹性链形悬挂
<20‰
<10‰
<10‰
2
波动的传播速度Vc
>110m/s
>120m/s
>Vmax+40m/s
3
多普勒效应α
>0.26
>0.18
>0.17
4
反射因素γ
<0.5
<0.4
<0.4
5
放大因素r
<1.9
<2.2
<2.3
2．接触网的主要技术参数
2.1导线高度:
指接触线距钢轨面的高度。
它的确定受多方面的因素制约，如：
车辆限界、绝缘距离、车辆和线路振动、施工误差等。
一般地，客运专线铁路接触线的高度比常规电气化铁路的接触线低，这主要因为：
①高速铁路一般无超级超限列车通过，车辆限界为4800mm；②为了减少列车空气阻力及空气动态力对受电弓的影响，受电弓的底座沉于机车车顶顶面，受电弓的工作高度较小。
所以，高速铁路接触线的高度一般在5300mm～5500mm左右。
2.2结构高度：
指定位点处承力索距接触线的距离。
它由所确定的最短吊弦长度决定的，吊弦长时，当承力索和导线材质不同时，因温度变化引起的吊弦斜度小，使锚段内的张力差小，有利于改善弓网受流特性；长吊弦的另一个优点是高速行车引起的导线振动时，吊弦弯度小，可以减少疲劳，延长使用寿命。
下表为三种高速悬挂的结构高度：
表4.2.3
TGV-A
Re330
HC
结构高度
1.4m
1.8m
1.5m
我国接触网的结构高度为1.1～1.6m
2.3跨距及拉出值：
取决于线路曲线半径、最大风速和经济因素等。
考虑安全因素及对受电弓滑板的磨耗，我国客运专线铁路一般在保证跨中导线及定位点在最大风速下均不超过距受电弓中心300mm的条件下，确定跨距长度和拉出值的大小。
2.4锚段长度：
它的确定主要考虑接触线和承力索的张力增量不宜超过10%，且张力补偿器工作在有效工作范围内。
客运专线铁路接触网的锚段长度与常规电气化铁路基本一样。
2.5绝缘距离：
参照电气化铁路接触网的绝缘配合标准。
2.6吊弦分布和间距：
吊弦间距指一跨内两相邻吊弦之间的距离，吊弦间距对接触网的受流性能有一定的影响，改变吊弦的间距可以调整接触网的弹性均匀度，但是，如果吊弦过密，将影响接触线的波动速度，而对弹性改善效果不大，所以，确定吊弦间距时，既要考虑改善接触网的弹性，又要考虑经济因素。
吊弦分布有等距分布、对数分布、正弦分布等几种形式，为了设计、施工和维护的方便，吊弦分布一般采用最简单的等距分布。
2.7接触线预留弛度：
指在接触线安装时，使接触线在跨内保持一定的弛度，以减少受电弓在跨中对接触线的抬升量，改善弓网的振动。
对高速接触网，简单链形悬挂设预留弛度，弹性链形悬挂一般不设预留弛度。
2.8锚段关节：
锚段关节是接触网的张力的机械转换关节，是接触网的薄弱环节，其设计和安装质量对受流影响较大，接触网一般采用两种形式的锚段关节：
①非绝缘锚段关节采用三跨锚段关节；②绝缘锚段关节采用五跨锚段关节。
安装处理上，尽量缩短接触线工作支和非工作支同时接触受电弓滑板的长度，提高非工作支的坡度。
2.9接触线的张力：
提高接触线的张力，可以增大波形传播速度，改善受流性能。
同时增加了接触网的稳定性。
导线张力的确定受导线的拉断力，接触网的安全系数等因素影响。
2.10承力索的张力：
受接触网的稳定性，载流容量，结构高度、支柱容量等因素影响，提高承力索的张力可以增加接触网的稳定性，但对弓网受流性能影响不大。
减少承力索的张力，有利于减少反射系数，承力索的张力受接触网的结构高度的限制，也就是在一定的结构高度上，要保持跨内最短吊弦的长度。
2.11欧洲接触网的主要特性
1）静态特性
表4.2.4
序号
设计速度等级
>200到230km/h
>230到
300km/h
>300km/h
单位
1
接触线的标准高度
误差
5000到5500
±30
5080/5300
0+20/±10
[mm]
2
在两个连续支撑点处所测得接触线最大的高度差，
30
10
10
[mm]
3
在设计速度小于等于230km/h接触线最低高度（在特殊点：
桥梁、隧道等）
4920
[mm]
4
在设计速度小于等于230km/h时考虑到抬升量（在特殊点）的接触线最高高度
6500
[mm]
5
允许接触线坡度和坡度的变化
1
0
0
[‰]
2）主要设计参数
表4.2.5
序号
设计速度的参数
>200到230km/h
>230到
300km/h
>300km/h
单位
1
最大的跨距长度
明线
65
65
65
[m]
隧道内
50
50
50
2
在两个相邻跨距的最大长度差
≤15
≤10
≤10
[m]
3
标准接触网系统最短吊弦长度
0.20
0.25
0.25
[m]
4
结构高度
明线
1.25
1.40
1.40
[m]
隧道内
0.60
0.80
0.80
5
在支撑处最小抬升量
无抬升限制允许的最大抬升量2倍值
240
240
240
[mm]
有抬升限制允许的最大抬升量1.5倍值
180
180
180
[mm]
6
定位器的设计：
安装防风装置和限制抬升装置，并按轻重量设计。
需要
需要
需要
7
吊弦间隔
<9.50
<9.50
<9.50
[m]
8
弛度
≤1
≤0.5
≤0.5
[‰]
9
定位处接触线拉出值
≤0.30
≤0.30
≤0.30
10
每100m长度的接触线水平方向上最小侧向偏移。
0.50
0.50
0.50
[m]
11
锚段关节的跨距数量
≥3
≥4
≥4
跨数
12
接触线和承力索的下锚方式分别下锚。
建议
需要
需要
升级会员 