高速列车牵引供电系统.

第一节电力牵引供电系统第二节高速列车供电第三节高速接触网第四节高速受电弓电力系统电力系统接触网电力牵引系统的组成如图所示。发电厂—500KV高压输电线—区域变电所—110KV输电线—牵引变电所—27.5KV输电线、接触网国家公用电网来的三相110KV交流经过牵引变电所降压后，向电气化铁道牵引接触网输出25KV（27.5KV）单相交流供给电力机车。电力机车是通过受电弓从接触网上获取电能的，27.5KV单相交流供给电力机车后经过电力机车上的牵引变压器降压，再通过变流装置变流后输到牵引电动机驱动机车（列车）运行一、供电方式二、牵引变电所高速列车牵引供电系统牵引变电所接触网保证质量良好并不间断地向高速列车供电在高速列车运行中通过与受电弓良好的摩擦接触将电能传给高速列车高速列车牵引供电系统的组成一、供电方式电气化铁路有五种供电方式，即：直接供电吸流变压器供电带回流线的直接供电自耦变压器供电同轴电力电缆供电1.直接供电方式直接供电方式是指在牵引网中不加特殊防护措施的一种供电方式，它以一根馈线接在接触网上，另一根馈线接在钢轨上,如图所示：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，双线一般为25km左右。2.吸流变压器供电方式吸流变压器的供电方式（简称BT供电方式）是在牵引网中架设有吸流变压器－回流线装置的一种供电方式。目前，在我国电气化铁路上采用较为广泛，如图所示：吸流变压器的变比为1:1，它的一次绕组串接在接触网（T）上，二次绕组串接在专为牵引电流流回牵引变电所而特设的回流线（NF）上，所以也称吸流变压器－回流线供电方式（简称吸－回方式）3.带回流线的直接供电方式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回流到牵引变电所，因而能部分抵消接触网对邻近通信线路的干扰。4．自耦变压器供电方式（简称AT供电方式）自耦变压器供电方式是每隔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，而供给高速列车的电压仍然不变。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高速列车电流时，其另一个绕组感应出电流供给高速列车。因此，当高速列车负荷电流为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。5．同轴电力电缆供电同轴电力电缆供电（简称CC供电方式），是一种新型的供电方式。同轴电力电缆沿铁路埋设，其内部芯线作为馈电线与接触网连接，外部导体作为回流与钢轨相接。每隔5～10km作一个分段，如图所示:由于馈线与回流线在同一电缆中，间隔很小，而且同轴布置，使互感系数增大，所以同轴电力电缆的阻抗比接触网和钢轨的阻抗小得多，牵引电流和回流几乎全部经由同轴电力电缆中流过。因此电缆芯线与外部导体电流相等，方向相反，二者形成的磁场相互抵消，对邻近的通信线路几乎无干扰。由于阻抗小，因而供电距离长。但由于同轴电力电缆造价高，投资大，现仅在一些特别困难区段采用。二、牵引变电所1.牵引变电所的作用我国电气化铁路采用的是工频单相25kV交流制，而电力系统是一个三相交流系统，需要经过变换电压等级和由三相变换成单相才能使用。电气化铁路产生的负序和高次谐波对电力系统会造成多种不良影响，需要通过牵引变电所来解决。因此，牵引变电所应具有以下两个方面的作用:（1）将电力系统的电能变换成适合高速列车使用的电能。在牵引变电所内装设有牵引变压器（也称主变压器），将电力系统的高压（一般为110kV或220kV）降为27.5kV或2×27.5kV（自耦变压器供电方式），以单相电馈送给接触网，供高速列车使用。国外有些国家的电气化铁路采用的是直流制式，或是低频（162/3Hz）交流制式，因此，还需要将交流电整流成直流电，或将工频变换成162/3Hz，这些变换工作都由牵引变电所来完成。（2）降低电气化铁路对电力系统的影响。电气化铁路的单相牵引负荷是一个不对称的负荷，对三相电力系统产生负序电流和负序电压。要减轻负序电流和负序电压对三相电力系统的影响，需要牵引变电所采用换相接线方式或不同接线型式的变压器。2．变电所保护装置一个变电所有十多台断路器，每台断路器都要有专门的保护装置来控制。如果没有符合要求的保护装置，那么断路故障就不能迅速地排除，从而造成严重的危害。保护装置除了用来切断断路故障外，也用作发出不正常运行状态的信号，如变压器过负荷和过热、控制回路断线、绝缘不良等不正常状态，运行人员发现不正常信号后，可及时采取措施消除不正常状态，保证供电系统的安全、可靠运行。对保护装置的基本要求如下。a.选择性。保护该跳闸的断路器跳闸，不该跳闸的不跳，以使停电限制在最小的范围；b.速动性。故障后迅速动作，可减小设备的损坏程度及对非故障区段的影响时间。但速动性不能影响选择性。c.灵活性。要求对保护范围的故障反应灵敏，不产生拒动；d.可靠性。要求保护装置的元件和接线处于良好状态，该动作时均能正常工作。一、接触网的构成二、接触悬挂形式三、接触网的性能要求四、接触线及承力索一、接触网的构成接触网是电气化铁路牵引供电系统中的主要供电设备，它的功能是向走行在铁路线上的高速列车不间断地供应电能。但接触网与一般的输电线路不同，它必须架设在铁路线路的正上方，高速列车利用顶部的受电弓与接触网接触而获得电能。因此，在电力高速列车走行的线路都必须架设接触网。由于接触网是露天设置，受着各种恶劣气象条件的影响，其工作状态又是随着高速列车的运行而变化，而且没有备用，因而使得接触网的工作条件非常复杂，对它的要求也非常严格。高速列车实际上是一个边受流边行驶的移动负荷。为了保证不间断地供给高速列车电能，就必须使高速列车的受电弓与接触网的接触导线在高速列车行驶时有良好的接触，为此，对接触网的结构有特殊的要求。接触网的主要组成如下：1．接触悬挂部分包括承力索、接触导线、吊弦、中心锚结、补偿装置等。补偿装置承力索是接触网承载接触导线，并传输电流的线材。承力索的选择应符合的条件是，承力索的线胀系数与接触导线相匹配；机械强度高；耐疲劳性能好，耐温特性好；导电率高等。接触导线是接触网中直接与受电弓作摩擦运动传递电能的线材。它对接触网－受电弓系统的受流性能的好坏产生至关重要的作用，受流系统的许多性能指标直接由接触导线决定，如波动传播速度、接触导线的抬升量、接触导线的磨耗、安全系数等。表4-1给出了国外高速接触导线的比较。2．支持装置用以悬吊和支撑接触悬挂并将其各种载荷传递给支柱或桥隧等大型建筑物。支持装置还应将承力索、接触导线固定在一定范围内，使受电弓滑行时与接触导线有良好的接触。根据根据接触网所在的位置及作用不同，支持装置的结构又可分为腕臂支持装置、软横跨、硬横跨、桥梁支持装置和隧道支持装置等。支持装置3．支柱与基础用以安装支持装置、悬吊接触悬挂，并承受其载荷。此外，接触网还包括供电线，加强线，因供电方式不同而设置的回流线、正馈线（AF线）、保护线（PW线）等附加导线，以及为安全而设置的保护设备和电气设备等。二、接触悬挂形式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。对高速接触网悬挂形式的要求是，受流性能满足高速铁路的运营要求、结构简单、安全可靠、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。1．简单链形悬挂其性能特点是，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。定位点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：“丌”形和“Y”形。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。其性能特点是，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。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。3．复链形悬挂在结构上，承力索和接触导线之间加了一根辅助承力索。其性能特点是，接触网的张力大，弹性均匀，安装调整复杂、抗风能力强。各国对以上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。法国的巴黎－里昂的东南线采用弹性链形悬挂，巴黎－勒芒／图尔的大西洋线采用接触导线带预留弛度的简单链形悬挂。德国在行速度低于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。三、接触网的性能要求高速列车运行时，受电弓给接触导线向上的抬力，使接触导线抬升。由于接触导线是一条长软线，而受电弓又是一个弹性装置，因此，这种压力和抬力是变化的，而且变化迅速。此外，列车在以空气为介质的空间运行时，还会对受电弓弓臂和弓头产生具有一定压力的空气流，形成对受电弓向上或向下的附加力。上面几种力的合成作用结果，使接触网产生振荡，从而使受电弓滑板不能良好地追随接触导线的轨迹，导致脱离接触导线。其后果是使高速列车受流时通时断，造成高速列车行驶时出现牵引力不稳定的状态。恶劣的气象条件还会直接影响接触网的工作状态。为了安全可靠的供电，接触网设备应具备以下性能要求。1．有足够的强度，保证接触网具有稳定性；2．在恶劣的气象条件下保证列车在规定的速度运行时能良好地受流；3．对各导线和支持结构、零部件及绝缘子等应当采取有效的防腐蚀和防污秽技术措施，以保持整个接触网设备的良好状态；4．接触悬挂的各项技术性能应满足受电弓与接触导线在滑动接触摩擦时可靠地工作的要求，使用寿命应尽可能的延长；5．各类支持结构和零部件应力求轻巧耐用，做到标准化并具有互换性，便于施工和维修保养，发生事故时也便于抢修，为迅速恢复供电创造条件；6．接触导线和安装在接触导线上的有关设备要有良好的平滑度和耐磨性能，接触导线不应有不平直的小弯及悬挂零件等形成的硬点，以免受电弓与其发生碰撞，造成受电弓和接触导线的机械损伤和电弧烧伤。四、接触线及承力索1.对接触线及承力索的要求接触线是接触悬挂中与受电弓直接接触的部分，通过接触线向电力机车输送电能，是接触悬挂最为重要的导线。接触线如果发生断线等故障，将直接中断行车，会给运输生产造成重大损失，接触线与其他输电线的工作条件又完全不同，接触线是在受拉的情况下又与电力机车的受电弓直接接触并在滑动摩擦的状态下工作的，所以必须具有良好的电气性能、足够的机械强度和耐磨性能。根据铁路全面提速和向高速方向发展的要求，接触线还应具有线密度小(波动传播速度高)和高温强度大(耐软化性能好)的特征。我国目前规定接触线的额定张力为10kN(TCG-100)和8.5kN(TCG-85)，其中考虑了锚段内可能出现额定张力15％的张力增量，以及接触线磨耗后截面积的减小值，然后还要考虑不小于2.5的安全系数。接触线中部位置有两个沟槽，用以固定吊弦线夹、定位线夹及电连接线夹等零部件，沟槽的下部为与受电弓接触部分，其底面称为工作面。接触线及有关零部件的重量均由承力索承受，并通过支持装置传给支柱及有关结构物。因此，要求承力索要有一定的机械强度。承力索架设后，既能减小接触线的弛度，又可通过吊弦调整接触线的高度，改善接触悬挂的弹性。在电气方面，必要