交流电气化铁路供电系统

电气化铁道牵引供电系统ThePowerSupplySystem绪论我们国家的铁路发展大致分为三个阶段：一、电气化铁路的组成电气化铁路的牵引动力是电力机车，它本身不带能源(非自己性)，必须从外部电源和牵引供电系统获得电能。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)。蒸汽牵引—蒸汽机车(烧煤)内燃牵引—内燃机车(柴油)电力牵引—电力机车(电能)二、我国电气化铁路发展概况1.电流制与额定电压根据电流形式：HzHz25,3216直流制:主要用于城市轨道交通，额定电压有1500V和750V。交流制低频单相交流制:()目前已不采用。工频单相交流制:主要用于大运量、重载的铁路运输，额定电压为25kV，广泛采用。2.发展概况国外:1881年巴黎有轨电车1895年美国直流制电车600V1897年德国电气化铁路我国：1961年宝凤线(宝鸡—凤州)第一条电气化铁路1986年大秦线(大同—秦皇岛)第一条开行重载单元双线电气化铁路1995年干武线(干塘—武威)第一条沙漠电气化铁路1997年广深线(广州—深圳)第一条准高速电气化铁路平均时速160公里2002年秦沈线(秦皇岛—沈阳)第一条高速客运专线最高时速318公里3.牵引供电系统设施的发展(1)牵引供电系统向电力机车供电的方式直接供电方式(DF)Directfeeding带回流线的直接供电方式(DN)自耦变压器供电方式(AT)Auto-Transformer吸流变压器供电方式(BT)Booster-Transformer(2)牵引变电所主变压器的主结线型式YN,d11接线—广泛应用于DF和BT方式单相V,V接线斯科特(Scott)—广泛应用于AT方式YN,d11,d1三相结线等等。(3)断路器：少油、多油、SF6、真空断路器。(4)继电保护(5)接触网悬挂方式(6)调度方式(7)检测技术4.电力机车的发展三、电气化铁路的优越性与存在的问题1.优越性：重载、快速、大容(运)量、节约能源、经济效益好、无污染。2.存在的问题：对沿线通信线路有干扰。四、主要内容(一)电力系统及牵引供电系统概述(二)牵引变电所1.主变压器的结线方式2.主变器的容量计算和选择3.供电方式和供电回路4.变电所换相联接5.牵引变电所电压损失(三)牵引网1.牵引网阻抗2.牵引网电压损失3.牵引网电压改善的方法(四)牵引网对通信线路的影响专业课与基础课的差别：1.工程应用和理论性2.精确与粗略3.逻辑推理与模糊推理第一章供电系统的结构、原理与电力机车的相关知识§1.1电力系统与电气化铁道供电系统一、构成1.电力系统—是一个包括发电厂、输电(线)、变电、配电、用电装置的完整工作系统。发电机升压变压器降压变压器输电线路用户发电厂配电系统GTMTML接触网馈线27.5kV回流线牵引变电所钢轨110kV专用高压输电线路(牵引)供电系统电气化铁道供电系统牵引变电所:把电力系统供应的电能变换成适合电力机车牵引要求的电能。馈电线:连接牵引变电所和接触网的导线。它将牵引变电所变换后的电能送到接触网。接触网:是一种悬挂在轨道上方，沿轨道敷设的、和铁路轨顶保持一定距离的输电网。通过电动车组的受电弓和接触网的滑动接触，牵引电能就由接触网进入电动车组，从而驱动牵引电动机使列车运行。轨道:在非电牵引情形下只作为列车的导轨。在电力牵引时，轨道除仍具有导轨功能外，还需要完成导通回流的任务。因此，电力牵引的轨道，需要具有良好的导电性能。回流线:是连接轨道和牵引变电所的导线。通过回流线把轨道中的回路电流导入牵引变电所的主变压器。牵引网:通常将接触网、馈电线、钢轨回路(包括大地)和回流线称为牵引网。牵引变电所和牵引网构成牵引供电系统。专用高压输电线路和牵引供电系统称为电气铁路供电系统。牵引变电所一次侧的供电方式：(1)单边供电：电能由一个方向送来1C2C3C1A1B2B2A3A3B110kV35kV(2)两边供电：就是牵引变电所的电能由电力系统中两个方向的发电厂送来。(3)环形供电：若干个发电厂、地方变电所通过高压输电线连接成环形的电力系统，牵引变电所处于环形电力系统的一段环路之中。二、电力系统的参数和短路容量1.电力系统参数(1)发电机次暂态电抗：指突然短路时发电机表现出来的电抗的初始值。同步发电机在电力系统中，相当于一个电势与电抗串联的有源支路。在发生短路时，有一个过渡过程，突然短路的瞬间为，称为次暂态电抗。dXdX过渡过程反映出来的为，称为暂态电抗；达到稳态时，为同步电抗。通常在供电系统短路分析和计算中，由于本身分析的是次暂态过程，并且关心的是短路电流最大值，所以总是以次暂态电抗作为同步发电机的电抗进行分析计算。负序电抗：对负序电流表现出来的电抗。(2)变压器短路阻抗：以双绕组变压器为例，当一个绕组接成短路，另一个绕组中产生额定电流时所加的电压叫短路电压，常以额定电压的百分数表示，此时表现出来的阻抗为短路阻抗。dXdX2X特点：(1)电抗百分值与其阻抗电压百分值相等。%bX%dU%%%100%1003%1003%100%%100%dbedebeeebebbeddUXUUUXIIUXXXXUUU(2)单相变压器与三相变压器电抗百分值相同。(3)三相变压器和接成三相的单相变压器，其负序电抗和正序电抗相等。(4)三绕组变压器的等值电抗还与高、中、低压绕组的排列有关。三绕组变压器中通常给出短路电压百分值为：，是指一绕组开路，另外两绕组按双绕组变压器关系得到的。若以分别表示三绕组变压器高、中、低压的短路电压百分值，则有：%%%231312ddd、U、UU%%%321ddd、U、UU%%%%%%%%%322331132112dddddddddUUUUUUUUU联立得：%)%%(21%%)%%(21%%)%%(21%122313313122322313121ddddddddddddUUUUUUUUUUUU排列方式不同，绕组间漏抗不同，其短路电压也不同。(3)输电线的常用参数架空输电线电抗主要与线路长度有关，与截面积、电压等级关系不关。单位长度电抗：d—三相导线相互间的距离，距离不等时取--导线的等效半径。)(lg145.0kmRdx3cabcabddddR2.短路容量电力系统的短路容量是选择牵引变电所110kV开关设备所必须的，也是估计电力系统的负荷能力的重要依据。它主要是指电力系统在牵引变电所进线点(通常称负载点)短路时的短路容量。把电力系统元件的电抗归算到同一基准容量(100MVA)便可由等效发电机原理，得出电力系统到进线点的总电抗的标么值。*XX*XXXXep*d*d*UUUUUII；IIX，，线电压及标么值相电压标么值为，，额定电压平均线电压为该点所在电网电压级的；，标么值为正常时该点每相电流及，路电流及标么值为该点三相短路时每相短；设进线点每相总电抗为*****************11113333djjjjdjXdXXjXXjjjjXdjjdjdpIXXSSSSSXSISSXXUIUUUIXIXIIXXIXUISIIUIUS§1.2牵引变电所一、概述我国现行的牵引变电所供电方式绝大多数为三相-两相制式。对于三相YN,d11或V,v接线的牵引变电所，次边两相电压的相别是原边三个相(或线)电压三中取二的某种组合；而对于平衡变压器，经变压器的变换，次边形成大小相等而相位相互垂直的两相电压。从广义角度上讲，牵引变压器原次边之间除了有电压的变换外，还有电流和阻抗变换，可称为系统变换。通过这种变换，可以获得变换到一次侧的牵引变压器、牵引负荷的等值电路模型，或变换到二次侧的电力系统、牵引变压器的等值电路模型。二、三相YN,d11接线牵引变电所目前在三相牵引变电所中大多采用的是110KV油浸风冷式变压器，该牵引变压器的接线采用YN,d11标准联结组。1.原理电路图及展开图a.原理电路图ABC**(A)(X)(B)(Y)(C)(Z)(a)(b)(c)(x)(y)(z)接供电臂接供电臂（）内符号表示端子号，大写为原边，小写为次边其中绕组(ax)，(cz)为负荷相绕组；绕组(by)为自由相绕组b.展开图为分析的直观与方便，更常见使用YN,d11接线牵引变压器的展开图。画展开图有如下约定：(1)为施工和运行安全起见，统一规定次边绕组的(c)端子接钢轨和地；(2)原、次边对应绕组相互平行；(3)原、次边每相绕组的同名端放在同一侧；由此，先画次边，后画原边，可作出展开图。(4)画成“，”形式(A)(B)(C)*(a)*(b)(c)(A)(B)(C)**(a)(b)(c)如约定次边绕组的(a)端子放在图左边，(b)端子放在图右边，则得展开图(图1),反之则得展开图(图2)(A)(B)(C)*(a)*(b)(c)图1图2简单讲就是：对于原边：电压U首端为正尾端为负；电流I首端流入，尾端流出。对于次边：电压U首端为正尾端为负；电流I首端流出，尾端流入。2.电压、电流相量的规格化定向在牵引供电系统分析中，对所有牵引变压器均采用规格化定向。规格化定向的具体含义：(1)原边绕组电压、电流采用电动机惯例定向，即牵引变压器从电力系统吸收电能。(2)次边绕组电压、电流采用发电机惯例定向，即牵引变压器是次边负荷的电源。(3)负荷吸收正功率。就某一YN,d11接线牵引变电所而言，规格化定向还应注意以下两条：(1)原边绕组电压与实际进线电压相别一致；(2)次边绕组按同名端与原边绕组电压一致；通常，完成电压定向后(先原边，后次边)，先标次边电流，再标原边电流。这种方法不仅方便于单个变电所的电气分析，也方便多个变电所的相量图和相量分析。下标确定原则：(1)电流、电压相量的下标表示其实际相别，与绕组端子号无关。(2)臂负荷的电压相别与其对应的工作绕组相别一致。AIBICIAU+-BUCUcIaIbI+-cUaU*La*ABCLbbU次边电压、电流相量图：将负荷端口电压相比较，引前120°者称为引前相；另一为滞后相；另一端口(无负荷)为自由相。aUbUcUaIbIabaUbUcUab(以为参考相量)aU，分别表示负荷La、Lb的功率因数角。3.绕组电流与负荷端口电流的关系仍以上图所示电路进行讨论。电力系统的电源电压和短路阻抗、牵引变压器的绕组漏抗归算到二次侧的等值电路如图：(假设电力系统三相电压正序对称，阻抗平衡)+-+-+-TSZZTSZZTSZZaECEbEaUbUaIbIaIcIbIaLbLZS—电力系统总电抗折算到次边ZT—变压器短路阻抗视负荷La、Lb为电流源(替代定理)，应用叠加原理：(1)仅有A相作用时,即作用，令，做出等值电路。aI)Z2(ZTSTSZZbCEE+--+aEaIaaIbacaII+-aU②①+-+-+-TSZZTSZZTSZZaECEbEaUbUaIbIaIcIbIaLbL0)(aaTSaaUEZZI②0)()(2abcTSbaUEEZZI①aabaaIIICE+-+-+-TSZZTSZZTSZZaEbEaUaIaIcIbIaLbUbICE+-+-+-TSZZTSZZTSZZaEbEaUaIcIbIaI0bI0cbaEEE0)(aaTSaaUEZZI①0)()(2abcTSbaUEEZZI②aabaaIII0cbaEEEacabaaaaIIIII3132(2)同理：仅有B相作用时，即作用，令作出等值电路。bI0aI-++--+