AT供电系统知识讲解

AT供电系统AT供电系统AT供电系统AT供电系统•目前，我国铁路正经历着大规模、高速度的发展。•2008年底，铁路营业里程达到8万公里，复线率35%，电气化率33%。•客运专线的建设正以跨越式速度快速发展。已建成运营了京津城际、合宁、合武、石太客专，开工建设了京沪、京石、哈大、武广、郑西、温福、福厦、厦深等客运专线以及沪宁、广珠、成灌、海南东环等城际铁路，合计建设规模超过9300公里。•形成了具有自主知识产权的中国高速铁路技术体系以及高速铁路技术、装备的输出能力。•客专牵引供电系统的系列标准、运营管理和技术要求等与普速铁路有诸多不同。•三基。AT供电系统主要内容•牵引负荷特性•牵引网供电方式•变压器接线•AT供电系统计算•牵引变电所主接线•几种AT供电方式的比较AT供电系统•牵引供电系统的任务是向电力机车（动车组）供电。•牵引供电系统的负荷特性，主要取决于电力机车的电气特性、铁路线路条件和运输组织方案等因素。牵引负荷特性AT供电系统（一）交直型电力机车电力机车从接触网取得25kV工频单相交流电，经车载变压器降压为1500V，整流后向牵引电动机供电。我国目前主要采用交直型电力机车，今后将逐渐淘汰，更换为交直交型电力机车。交直型电力机车工作原理如下图所示：一、电力机车的电气特性受电弓断路器车载变压器钢轨交直型电力机车工作原理图辅助回路牵引电流从钢轨回流至变电所交流25kV接触网独立他励系统整流器直流电机1500VAT供电系统交直型电力机车采用半控桥式整流，通过晶闸管控制导通角来控制机车出力，所以，交直机车在整流过程中会产生谐波，功率因数较低。SS4型货运电力机车SS8型客运电力机车AT供电系统（二）交直交型电力机车（动车组）为克服交直型电力机车的缺点，世界各国竞相开展了交流传动电力机车的研制，1979年德国开发了世界首台大功率干线交流传动电力机车，欧洲等主要发达国家迅速推广，目前已普遍采用。交直交型电力机车工作原理如下图所示：交流25kV接触网受电弓断路器车载变压器钢轨牵引电流从钢轨回流至变电所辅助回路交流电机整流器逆变器直流交直交型电力机车工作原理图AT供电系统交直交机车采用四象限整流，通过GTO或IGBT控制导通和关断角来控制机车的出力，可分别控制导通和关断机车主变压器的若干个低压绕组的整流，使电流波形逼近正弦波，且电流与电压的相位基本同步。所以，交直交型电力机车的谐波含量很小、功率因数高。我国于1991年开始进行交流传动电力机车的研究，先后研制成功了交直交动车组和交直交货运电力机车。将从国外引进技术合作生产高速动车组。铁路计划逐渐淘汰交直型电力机车，全面推广交直交型电力机车和动车组。德国ICE高速列车AT供电系统二、列车的负荷特性列车的负荷大小，主要与列车牵引重量、运行速度、线路坡度等因素有关，铁路设计据此选定机车（动车组）类型及牵引功率。（一）列车负荷与牵引重量的关系在运行速度、线路坡度相同的情况下，列车负荷与牵引重量成正比。（二）列车负荷与运行速度的关系列车运行速度越高，空气阻力越大，空气阻力随速度呈几何级数增长。在牵引重量、线路坡度相同的情况下，运行速度越高，牵引功率和能耗大幅度提高。10016020025030035001002003004002.84.67.413.318.624.8单位重量牵引功率（kW/t)列车速度(km/h)AT供电系统并且在高速时，列车主要克服空气阻力运行，持续受流时间长。（三）负荷与线路坡度的关系列车爬坡的情况下克服重力运行，在运行速度较低时，空气阻力较小，线路坡度对牵引负荷的影响较大。高速列车的空气阻力较大，列车主要克服空气阻力运行，线路坡度对牵引负荷的影响较小。AT供电系统铁路根据运量和线路条件编制运输组织计划，列车在行车调度的指挥下，在铁路上按信号运行。单线铁路一般采用站间闭塞方式，一个区间只能有1列车运行。双线铁路一般采用划分区段闭塞方式，按固定间隔时间追踪运行，目前货车一般追踪时间间隔8分钟，最小追踪时间间隔5分钟；客运专线高速列车设计最小追踪时间间隔，近期4分钟，远期3分钟。铁路建设时，基础设施均按远期线路能力一次规划建设到位，运输设备按近期需要配置。三、铁路运输组织方案AT供电系统四、牵引变电所负荷特性牵引变电所一般向两侧供电臂供电，牵引变电所的负荷大小，与供电臂中运行的列车数量、铁路线路坡度及列车运行速度等因素有关。实测牵引变电所负荷曲线实例如下图：AT供电系统牵引变电所负荷具有如下特点：（一）负荷波动频繁每一条铁路沿线线路条件千差万别，列车在运行时速度和线路坡度随时都在变化；且列车在铁路上按信号运行，在铁路运输状态发生变化时，在供电臂内列车数量疏密不等。所以，牵引变电所两供电臂内，列车的数量及每一列车的负荷状态随时都在变化，牵引变电所的负荷呈现出频繁波动的状态。（二）负荷大小不均衡牵引变电所的负荷随着两供电臂内列车的数量及每一列车的负荷状态随时波动，有时轻载，甚至空载。有时负载较重，在节假日、铁路故障后恢复行车等情况下，会出现列车紧密追踪情况，在军运、煤电油运、农运等特殊运输期间，也会出现列车紧密追踪情况。此时，牵引变电所会出现负荷高峰值。AT供电系统（三）负载率低牵引变电所的负荷是由铁路运量、列车速度、线路条件等因素决定的，列车运行时受流状态随时都在发生变化，平均负荷较低。但牵引变电所供电能力必须适应短时出现的高峰负荷的需要。所以，牵引变电所的负载率很低，一般不超过20%，个别能达到30%。（四）牵引变电所供电能力适应最大负荷需要牵引供电系统作为铁路运输的配套基础设施，应满足铁路运输的要求。所以，牵引变电所设计供电能力必须适应任何高峰负荷的需要，并具备铁路远期规划发展的条件。AT供电系统五、客运专线负荷特性（一）牵引负荷大，可靠性要求高客运专线列车速度高，高峰时段密度大。空气阻力随速度呈几何级数增长，列车牵引力主要克服空气阻力运行，牵引负荷很大。350km/h速度时，列车运行所需功率最高达到24000kW。客运专线速度快，运输能力大，将成为旅客运输的主要交通工具。在国民经济和社会生活中，具有十分重要的作用。高速铁路运输必须确保安全、可靠、正点。AT供电系统（二）列车负载率高，受电时间长列车在运行中，主要克服轮轨磨擦阻力、线路坡道阻力和空气阻力前进。轮轨磨擦阻力、线路坡道阻力与速度关系不大，而空气阻力随速度呈几何级数增长。高速时，空气阻力成为列车运行的主要阻力，列车需要持续从接触网取得电能。所以，高速列车负载率高，受电时间长。（三）短时集中负荷特征明显客运专线具有显著的时段特征。在早、晚时段和节假日的高峰客流期，根据客流量需要，可能组织大编组、高密度运输，甚至在短时形成紧密追踪，牵引负荷集中特征明显。牵引供电系统应具有应对各种集中负荷供电的能力和条件。AT供电系统（四）越区供电能力要求高由于旅客运输能力和准点的需要，牵引供电系统应具有应对各种各样条件下的供电能力。在出现某一牵引变电所解列，退出供电的情况下，往往采用由两相邻牵引变电所越区进行供电。为了尽量减少越区供电对运输能力和准点的影响，应避免过多的限制列车数量或降低列车速度，这样会相应加大两相邻牵引变电所的供电负荷。AT供电系统（五）国外普遍采用高电压、大容量电源供电日本、法国等国家高速铁路建设起步较早，积累了比较丰富的经验。目前，国外高速铁路考虑到牵引负荷大，可靠性要求高，绝大多数都采用220kV或以上的电压供电，个别采用132kV或154kV时，都要求有较大的系统短路容量。日本高速铁路建设最早，在电源问题上曾走过弯路。东海道新干线1964年建设时，限于当时电网的条件，采用了77kV电源供电。上世纪80年代，旅客运输量急增，供电能力严重不满足需要，只得对电源系统进行了改造，改用275kV电源供电，适应了旅客运输的需要，列车速度也提高到了270km/h，最高300km/h。我国客运专线建设刚开始起步，尚没有成熟的经验和标准。国外的经验值得我们研究和参考。AT供电系统世界主要高速铁路国家电铁供电电源电压等级一览表国名序号铁路名称最高速度（km/h）供电方式供电电压（kV）附注日本1东海道新干线300AT275个别牵引站154kV2山阳新干线300AT275个别牵引站154kV3北陆新干线300AT2754东北新干线260AT275个别牵引站154kV5上越新干线275AT275法国1巴黎－里昂300AT2251个牵引站400kV2巴黎－图尔300AT2251个牵引站400kV3巴黎－加莱300AT2251个牵引站400kV4里昂－瓦朗斯300AT2255瓦朗斯－马赛350AT2256巴黎－斯特拉斯堡350AT2251个牵引站400kV西班牙1马德里－塞维利亚250直供2203个牵引站132kV，但短路容量不小于2000MVA2马德里－巴塞罗拉350AT4003个牵引站220kV德国德国高速铁路最高速度330km/h，采用铁路自建电网供电。电铁供电制式为15kV、162/3Hz，采用独特的同相供电方式，牵引站间距约为普通不同相供电方式的1/3，牵引变压器容量一般为2×15MVA。牵引站外部电源采用110kV，系统短路容量不小于1000MVA。AT供电系统牵引网供电方式目前单相工频25kV牵引网供电方式主要有:•直接供电方式(TR)•BT(吸流变压器)供电方式•带回流线的直接供电方式(TRNF)•AT(自耦变压器)供电方式AT供电系统直接供电方式(TR)27.5kV电力机车接触网AC钢轨CT牵引电流通过电力机车后直接从钢轨或大地返回牵引变电所。结构简单，投资最少，维护费用低。在负荷电流较大的情况下，钢轨电位高；对弱电系统的电磁干扰较大AT供电系统27.5kV接触网ACCT电力机车R钢轨回流线吸流变压器吸流变压器BT(吸流变压器)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，对周围环境影响小接触网中串接吸流变压器，牵引网阻抗增大，供电臂压降增大，牵引变电所的供电距离缩短AT供电系统27.5kV接触网ACCT电力机车R钢轨回流线带回流线的直接供电方式(TRNF)牵引电流通过电力机车后部分从回流线返回牵引变电所，部分从钢轨地返回。兼有直接供电方式结构简单，投资和维修量小、供电可靠性高等优点相对直接供电方式，钢轨电位和对通信线路的干扰有所改善。钢轨电位降低；牵引网阻抗降低，供电距离增长；对弱电系统的电磁干扰减小相对BT方式，结构简单，投资少，维护费用低；牵引网阻抗减小，供电距离增长AT供电系统55kV接触网ACCF电力机车T钢轨负馈线AT(自耦变压器)供电方式牵引电流通过电力机车后从负馈线返回。供电电压提高，更能适应大功率负荷的供电，功率输送能力强，供电距离远，可减少牵引变电所数量，减少电分相数目，机车通过分相中性段短时失电产生的速度和功率损失得到降低；有效降低对通讯线路的干扰;。AT供电方式接触网结构复杂，供变电设施较多，运营维护难度较大AT供电系统•在牵引网中并联自耦变压器形成AT供电方式，其除具有显著地降低电气化铁路对通信线路的干扰外，还具有现行其他供电方式所不具备的技术优势而被许多国家所采用。AT供电系统中，牵引变电所牵引侧电压为55kV或2x27.5kV，牵引网电压为27.5/0/-27.5kV三线制。•牵引网接触线C和负馈线F接在自耦变压器的原边，构成55kV供电回路，而钢轨与自耦变压器的中点连接，使接触网与钢轨间的电压仍然保持为27.5kV。•自耦变压器的容量，视铁路运量及AT间隔大小而定，通常AT间距为8～12km，自耦变压器电磁容量约为2000～5000kVA。AT供电系统高速铁路特点：具有行车速度高，机车功率大、取流大BT方式牵引网单位阻抗高，功率输送能力较弱直接供电方式在负荷电流较大的情况下，对通讯线路干扰大，钢轨电位高的缺点更为突出技术上AT和带回流线直供方式均能满足300km/b及以上高速牵引。两者相比，AT供电方式更能适应大功率负荷的供电，同时由于电分相数目的减少。但AT供电方式接触网结构复杂，供变电设施较多，运营维护难