电气化铁路牵引供电基本知识探讨

电气化铁路牵引供电基本知识第一篇电力牵引供变电系统概述一概述二总体目录•一、电力系统•二、牵引变电所的一次供电方式•三、牵引变电所的引入方式•四、牵引变压器结线•五、牵引变电电气主接线•六、电气化铁路的供电方式•七、接触网的供电方式•八、牵引变电所防雷、回流及接地•九、负序的影响及对策•十、并联电容无功功率补偿•十一、谐波的影响及对策•十二、牵引变电所的电气设备•附件、武广、广深港、郑西客运专线牵引供变电主要技术标准（建议稿）一、电力系统•（一）电力系统说明1：电力系统概念是由发电、输电、变电、配电及用电等设施构成的综合动力系统。说明2：电力网概念将电力系统中的输电、变电、配电部分称为电力网。一、电力系统•（二）我国电力网分级名称电压等级输电距离范围备注地方电力网35或110kV输电距离几十公里满足城镇、工矿、农村用电区域电力网110或220kV输电距离数百公里用户类型多、供电范围大包含区域发电厂超高压远距离电力网AC330/500kV连接几个区域电力网跨省（甚至跨国）将大型水、火或核电站的电能送至负荷中心DC±500kV更高电压（三）我国电力网电压类型电压等级（kV）电压匹配备注交流输电6、10、35、60、110、154、220、330、5006～10/35/110/220/50060、154kV东北电力网330kV西北电力网6～10/35/110/330直流输电±100、±500一、电力系统•（四）负荷等级负荷等级中断供电后果举例电源要求一级负荷造成人身伤亡大型医院两路电源；故障时两电源不同时损坏政治、经济重大损失重大设备、产品报废影响重要用电单位工作重要铁路/通信枢纽、国际活动场所二级负荷政治、经济较大损失重要设备破坏、大量产品报废常见故障不中断供电；中断后能迅速恢复影响重要用电单位工作铁路/通信枢纽公共场所大型商场、剧院三级负荷不属于一、二级负荷的负荷无要求说明1：分级依据：根据重要性和中断供电对政治、经济造成的损失和影响程度。说明2：电力牵引负荷为一级负荷铁路是国民经济的大动脉、中断运输——影响本线及相临各线、造成重大政治、经济损失作为一级负荷，牵引变电所有两路电源供电，当其中一路发生故障时，另一路仍能正常工作。说明3：所以要求牵引变电所两路电源一般来自电力系统不同的变电站（电厂）；确有困难时，可来自同一变电站，但是不同回路的两段母线。二、牵引变电所的一次供电方式•（一）一边供电方式•1概念：牵引变电所的电能是电力系统的一个方向送来的。•2说明：构成了可靠的供电网络，任一电源故障，不会中断供电。二、牵引变电所的一次供电方式•（二）两边供电方式•1概念：牵引变电所的电能是电力系统的两个方向送来的。•2说明：构成了可靠的供电网络，任一电源故障，不会中断供电。二、牵引变电所的一次供电方式•（三）环形供电方式•1概念：若干发电厂、地区变电所、通过高压输电线构成环形电力网，牵引变电所处于网中的一段环路中。•2优点：电力系统频率稳定、电压波动幅度小。•（四）三种供电方式比较•一边供电方式是可靠的、可以采用；•两边供电和环形供电比一边供电可靠性更高、供电质量更好，应尽量采用。•在一条很长的电气化铁道区段上，往往同时采用几种不同的外部供电方式。三、牵引变电所的引入方式•桥形接线方式：内桥、外桥•分支接线（双T接线）方式：有跨条、无跨条•单母线分段接线方式•（一）桥形接线方式•1概念：当牵引变电所接入的电力系统内有穿越功率时的引入方式。•内桥接线：桥位于牵引变压器侧；外桥接线：桥位于线路侧。外桥接线内桥接线三、牵引变电所的引入方式•2说明：给牵引变电所供电时，两回进线和桥断路器均工作；并入接电力网。•3内、外桥比较比较项目内桥接线外桥接线优点线路故障不影响变电所供电变压器操作方便缺点变压器操作不便线路故障可能影响变电所供电变压器操作影响电力系统线路故障影响电力系统使用条件变压器固定备用时，每月依次切换，不能采用变压器固定备用时采用，应装设自动投入装置备注电气化初期采用较多变压器固定备用后采用4说明：桥形接线方式在我国采用较少。三、牵引变电所的引入方式•（二）分支接线（双T接线）方式无跨条有跨条1概念：当牵引变电所接入的电力系统内没有穿越功率时的引入方式。进线间无跨条方式：两回进线间没有跨条；进线间有跨条方式：两回进线间有隔离开关相连。三、牵引变电所的引入方式•2两种方式比较项目进线间无跨条方式进线间有跨条方式优点设备少、操作方便、简单可靠设备较多、操作方便投资投资低增加设备、场地稍大适用对象主变压器固定备用电源进线一回主供、一回备用，正常时只能用主供电源两回源均为主供回路，可随时切换缺点两回进线不许并联工作，切换时全变电所瞬间停电切换主变压器时，两回进线并联工作后切除，全变电所可不停电3说明：分支接线方式在我国绝大多数牵引变电所采用。（终端型变电所）三、牵引变电所的引入方式•1概念：当牵引变电所除了两回电源引入线外，还需要引出线的中心•变电所采用的引入方式。•2优点：母线断路器既能通过穿越功率，又可在不要时将母线分段；•可靠性和灵活性好。四、牵引变压器结线•1说明：牵引变压器是连接牵引供电系统和电力系统的重要设备，起传递功•率和变压的作用。牵引负荷是单相负荷，引起电力系统的三相不平•衡，不同的牵引变压器结线型式引起的三相不平衡度不同。变压器•接线型式的选择，应综合考虑各种因素。•2牵引变压器结线的九种结线型式•目前我国多采用单相结线（V，V型结线），三相结线，近年又采用了斯柯特•结线，由三相YN，d11和d1组成的十字交叉结线、YN，V阻抗匹配平衡结•线、三相V，V结线等变压器。九种结线型式为：•单相结线：简单单相结线•单相V，V结线或V，X结线•三相V，V结线•三相结线：YN，d11结线•YN，d11，d1十字交叉结线•三相—两相平衡结线：SCOTTE（斯柯特）结线•WOOD-BRIDGE（伍德桥或变形伍德桥）结线•YN，V阻抗匹配平衡结线•YN，V非阻抗匹配平衡结线四、牵引变压器结线•（一）单相结线•1简单单相结线2单相V，V结线OCSRCBA简单单相结线CBAR单相V，V结线OCS四、牵引变压器结线•3三相V，V结线4三种单相变压器结线特点表CBA三相V，V结线名称简单单相结线单相V，V结线三相V，V结线特点两台变压器的高压绕组跨接相同的两相、同所无分相两台变压器的高压绕组分别接不同的两个线电压将两台V，V结线的单相变压器置于同一油箱内；高压3个端子、低压2绕组一主一备两台同时运行，另设备用一主一备优点容量利用率100%容量利用率100%容量利用率100%变电所主接线简单、设备少，无分相变电所简单、设备相对少，可实行双边供电两台单相变独立：容量可以不等、有载和无载调压可分别进行投资少投资低缺点对三相电力系统负序影响大对三相电力系统负序影响较纯单相小、仍较大，应设分相对三相电力系统负序影响较纯单相小、仍较大，应设分相不能实行双边供电一台主变故障，倒闸需时间、三相电源中断备注对AT方式，变电所不需设AT无备用AT时低压绕组接成X型保持了单相V，V结线的主要优点，克服了无备用和备用变压器自投的问题。变电所无三相电源变电所可供三相负荷四、牵引变压器结线•（二）三相结线•1YN，d11结线2YN，d11，d1十字交叉接线CBAROCSYN，d11结线CBFRTOYN，d11，d1结线十字交叉接线说明：对电力系统影响和容量利用率：YN，d11，d1结线十字交叉接线与YN，d11结线相同。四、牵引变压器结线•3三种单相变压器结线特点表名称YN，d11结线YN，d11，d1结线十字交叉接线特点一次绕组接成星形，二次绕组接成三角形一次YN绕组，二次有两个d11绕组对顶接（接地）成三角形、十字交叉方式一主一备或并联运行一主一备优点牵引变压器容量较大、(高压中性点抽出接地、可分级绝缘)造价低，引起的不对称程度较轻牵引变压器造价低(中性点抽出、可按半绝缘设计)，引起的不对称程度较轻技术成熟、安全可靠用于AT方式时，牵引变电所内不单设自耦变压器，减少投资。缺点主接线较复杂、设备多、占地面积大主接线复杂(不接钢轨相容量未得到利用)容量利用率75.6%（引入温度系数，84%）(不接钢轨相容量未得到利用)容量利用率75.6%（引入温度系数，84%）备注采用轮换接线减少不对称牵引变电所易与配电所合建易获得三相电源变电所可供三相负荷在电力系统使用最多大秦线两个所采用四、牵引变压器结线•（三）三相—两相平衡结线•1SCOTTE结线(大秦、京秦、郑武采用)CBASCOTTE结线特征：SCOTTE结线变压器是一种平衡变压器，其结线可看作两个单相变压器组成，一台变压器原绕组w接两相上，另一台变压器的原绕组w/2的一端引出，接第三相——另一端接第一台变压器的绕组中点。两副边绕组相等。3四、牵引变压器结线•优点：SCOTTE变压器把三相对称电压变换为两相对称电压（相位相差•900）；当两臂负荷电流相等（相位相差900）时，原边三相电流对•称——不含负序电流。•每所设两台，一主一备。•SCOTTE变压器的两个输出电压可以根据需要取值：如适应AT供电方•式，取55kV，两个输出电压分别接两个自耦变压器的两端点，中间抽•头接地网和钢轨，获得2*27.5kV电压。•但55kV绕组无中间抽头，用于AT供电方式时，应另设2台AT变压器。•输出容量与额定容量接近相等，容量利用率接近1。•可采用逆SCOTTE变压器产生三相对称电压供牵引变电所的自用电。•缺点：绕组需全绝缘，变压器造价高。•主接线复杂，设备多，工程投资大。•存在中性点不能引出问题：原边接点0随负荷变化而产生漂移，漂移•引起各绕组电压不平衡，加重绕组绝缘负担。故只能用于中性点不接•地系统。容量利用率接近100%。四、牵引变压器结线•2WOOD-BRIDGE结线AC伍德桥结线B特征：与SCOTTE相同，实现三相-两相变换，副边电压相差900。二次侧绕组具有相同的负荷电流时，一次侧的三相电流对称。分析：一次侧很方便的引出中点（SCOTTE不能），在单相接地情况下，变压器绝缘较SCOTTE变压器低，只按相电压绝缘即可。解决了中性点不能引出问题优点：随运量增加和速度的提高，迫使电气化使用AT方式，AT方式——提高供电电压，使变电所距离加长，则两牵引的负荷变得均匀，采用三相-两相变压器接线方式，使三相系统的不对称得到改善。缺点：变压器内部接线复杂。对AT方式，需配备一台AT变压器。造价提高。四、牵引变压器结线•3YN，V阻抗匹配平衡结线(成昆线采用)CBROCSYN，V阻抗匹配平衡结线AGOW2W1W3平衡绕组1313特征：在YN，d11的基础上，通过阻抗匹配，实现三相-两相变换，副边电压相差900。即与SCOTTE相同。分析：三相变压器，三相不对称和容量利用率低的原因：副边存在轻负荷。为此：采取增加轻负荷相绕组匝数办法，适当改变轻负荷相阻抗值，使三相磁势平衡，实现原边三相电流对称。数学关系：非接地相O的阻抗：ZO=（）ZG非接地相的两端增加了两个对称的外移绕组——平衡绕组W3：W3=（）/2W2容量利用率接近100%。四、牵引变压器结线•4YN，V非阻抗匹配平衡结线GOW2CBROCSYN，V非阻抗匹配平衡结线W1W3平衡绕组W4补偿绕组特征：与YN，V阻抗匹配平衡结线相同分析：在YN，V阻抗匹配平衡结线的基础上，不进行阻抗匹配，只设平衡绕组，则非接地相的电流显然回增大，为此，可在两个接地相各增加一个匝数为W4的绕组，使三相磁势仍保持平衡。数学关系：根据磁势平衡原理可以推出（平衡绕组W3、补偿绕组W4）容量利用率为100%。332423五、牵引变电电气主接线•牵引变电所主接线•分区所主接线•AT所主接线•开闭所主接线五、牵引变电电气主接线•（一）牵引变电所主接线五、牵引变电电气主接线•（二）分区所主接线五、牵引变电电气主接线•（三）AT所主接线五、牵引变电电气主接线•（四）开闭所主接线TF分区所方向变电所方向N开闭所主接线六、电气化铁路的供电方式•牵引供电系统的五种供电方式•TR（直接）供电方式•BT