高速铁路牵引供电系统概论

高速铁路牵引供电系统概论一、牵引供电方式和牵引变电所1.1牵引供电系统结构牵引变电所电力系统牵引网钢轨接触网YNd11接线单相Ii接线单相Vv接线YN接线YN接线Scott接线YNd11d1接线直接供电方式带回流线的直接供电方式吸流变压器(BT)供电方式自耦变压器(AT)供电方式牵引供电系统结构1.2供电方式：1.2.1直接供电方式TR特点：结构简单，投资少，维护费用低；一部分电流从大地回流，对邻近通信线干扰大。1.2.2带回流线的直接供电方式UsFTRI特点：防干扰效果不如BT供电方式；牵引网阻抗较小；目前应用比较广泛。1.2.3吸流变压器供电方式（BT方式）UsFTRIBT负馈线（回流线）吸上线钢轨接触网特点：防干扰效果好；牵引网阻抗偏大；电力机车过BT时，易产生电弧；由于是串联系统，可靠性较低。1.2.4自耦变压器供电方式（AT方式）Us400A200A200A200A200A300A100A200A200A100A100A100A100A100A特点：防干扰效果与BT方式相当牵引网阻抗小，输送容量大，供电臂长（可达40～50km）结构复杂，投资大，维护费用高适合于高速铁路1.2.5同轴电缆供电方式（CC方式）UsCCTR特点：防干扰效果好，占用空间小；牵引网阻抗小；投资大1.3牵引变电站（TractionSubStation，SS）从公用电力系统（PublicElectricPowerSystems）接受电能，通过变压器将电能从三相110kV或220kV变换成单相27.5kV（对AT系统为2×27.5kV），并向铁路上、下行两个方向的牵引网供电。变电所两侧的牵引网区段被称作供电臂。变电所的主要设备牵引变压器（有多种接线方式）断路器（SF6、真空、少油、油断路器），隔离开关避雷器、避雷针电压互感器、电流互感器控制、保护、测量、计量、监视和电源设备无功补偿装置、调压装置1.4牵引网（TractionNetwork）由馈电线、接触网、轨道、回流线等设施构成的输电网络馈电线连接牵引变电所和接触网的导线接触网沿线路露天敷设，通过和受电弓的滑动接触，把电能输送给电力机车的供电设施。由接触线、承力索以及支持、悬挂和定位器等装置组成。轨道牵引电流的回流导线；支撑与导向；信号专业轨道电路其它设备负馈线（回流线），吸上线，BT，AT，正馈线，保护线，地线，供电线1.5牵引供电系统的其他设备：分区所（SectionPost,SP）设于两变电所之间，把电气化铁道牵引网分成不同供电区段，装有开关设备，根据运行需要可以连接同一供电臂的上、下行接触网，或连接相邻供电臂以实现越区供电。开闭所（Sub-feederSwitchingPost,SFSP）实际上是开关站，多设于铁路枢纽，一般两路进线、多路馈线，用以实现对站场各股道群的分别供电控制。（1）进线和馈线都经过断路器，可灵活地对各分区接触网停、供电（2）在断路器上可实现短路故障保护，从而缩小事故停电范围（3）对AT牵引网，往往同ATP合建，增强对供电臂供电的灵活性自耦变压器（AT）所（ATPost,ATP）AT供电系统，除变电所、分区所和开闭所外，在牵引网上放置自耦变压器的场所。220KV牵引变电所主接线图京津城际AT所电气主接线图京津城际变电所用27.5KVGIS组合开关8DA12电气接线图京津城际AT所用27.5KVGIS组合开关8DA12电气接线图Sitras®8DA11/8DA12组合开关柜Sitras®8DA11/8DA12开关柜机械参数Sitras®8DA11/8DA12开关柜剖面图1.6牵引变压器1.6.1单相变压器类纯单相I/i接线单相V/v接线三相V/v接线二次侧中抽式单相接线（专用于AT系统）V/x接线（专用于AT系统）ABabABCabc纯单相接线单相V/v接线a1x1ABCa2x2A1X1A2X2ABTFN－+UABC三相V/v接线单相中抽式（AT专用）V/x接线（AT专用）特点：接线简单变压器容量利用率为100％二次侧不能直接提供三相电源对于纯单相接线，理论上可取消变电所出口的电分相；存在负序问题，仅适用于电网容量较大场合1.6.2三相变压器类YNd11接线变压器三相不等容YNd11接线变压器十字交叉接线变压器ABCa(y)b(z)c(x)**ΔΔ··OAIBICIIIbyIaxIczIUU12BACb1a1c1a2b2c2NTαFαTβFββphaseαphaseO123YNd11接线变压器十字交叉接线变压器特点：变压器容量利用率为75.6％一次侧中性点可接地运行二次侧能直接提供三相电源负序方面优于纯单相接线，与V/v接线相当滞后相电压水平往往偏低1.6.3平衡变压器类Scott接线变压器星形－延边三角形接线变压器星形—曲折延边三角形接线变压器LeBlanc接线变压器（我国台湾用）变形Woodbridge接线变压器（日本新干线用）三相变两相平衡变压器的共性：在一次侧施加三相对称电压时，只要二次侧两端口的负荷相等（幅值和功率因数均相等），则二次侧两相端口电压保持幅值相等、相位相差90°，一次侧三相电流对称。ABCadDbc－+UIIU+－ABCa(y)db(z)c(x)e****ΔΔ··OAIBICIIIbyIaxIczIUUOI1234ABCa(y)db(z)c(x)e****ΔΔ··OAIBICIIIbyIaxIczIUU12gfΔ·Scott变压器星形－延边平衡变压器星形－曲折延边平衡变压器BCIU+－－+UIABACO－+UIIU+－adbcLeBlanc接线变压器变形Woodbridge接线变压器二、高速铁路接触网2.1接触网的悬挂方式简单链形悬挂弹性链形悬挂复链形悬挂简单链形悬挂特点：结构简单，安全可靠，安装调试维修方便，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。弹性链形悬挂特点：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：“”形和“Y”形结构比较简单，改善了定位点处的弹性，使得定位点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。复链形悬挂特点：在结构上，承力索和接触导线之间加了一根辅助承力索。接触网的张力大，弹性均匀，安装调整复杂，抗风能力强2.3高速接触网的主要结构参数导线高度：指接触导线距钢轨面的高度。一般地，高速铁路接触导线的高度比常规电气化铁路的接触导线低。原因：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，高速铁路接触导线的高度一般在5300m左右。结构高度：指定位点处承力索距接触导线的距离。它是由最短吊弦长度决定的。我国结构高度为1.1~1.6m。TGV-ARe330HC结构高度1.4m1.8m1.5m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我国高速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锚段长度：它的确定主要考虑接触导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。高速铁路接触网的锚段长度与常规电气化铁路基本一样绝缘距离：参照电气化铁路接触网的绝缘配合标准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，一般采用最简单的等距分布接触导线预留弛度：指在接触导线安装时，使接触导线在跨内保持一定的弛度，以减少受电弓在跨中对接触导线的抬升量，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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，高速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，尽量缩短接触导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。接触导线的张力：提高接触导线的张力，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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。2.4接触网的主要设备和零部件2.4.1接触网的线材接触导线：接触导线是接触网中直接与机车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基本要求：（1）机械强度高；（2）单位质量尽量小；（3）导电性能好；（4）良好的耐磨及耐腐蚀性能及高温软化特性，使用寿命长；（5）摩擦性能与受电弓滑板相匹配。运行速度(km/h)接触线类型接触线线密度(kg/m)接触线张力(kN)波动传播速度(km/h)日本240Cu1701.5114.7355300CT-CS1100.94220525300CT-CSD1100.95720520法国300Cu1501.3220441270CdCu1201.0714412350SuCu1201.0724539德国250AgCu1201.0715426330MgCu1201.0827569国外高速接触导线的比较随着运行速度的提高，为了提高抗拉强度，增大波动传播速度、耐磨性，国外有关国家对高速铁路的接触导线都趋向于研制铜合金导线或复合导线。铜合金导线是在铜中加入其他金属元素，如镁、银，采用合金方法制成的。复合导线是用铜与另一种机械强度高的金属制成的。承力索：承力索是接触网承载接触导线，并传输电流的线材基本要求：(1)承力索的线胀系数与接触导线相匹配；(2)机械强度高；耐疲劳、耐腐蚀性能好，耐温特性好；(3)导电率高。我国接触网的承力索一般采用95mm和70mm的铜合金绞线日本法国德国承力索镉铜绞线BZ65120—BZ张力（kN）24.51421国外高速铁路使用的承力索性能表弹性吊索对弹性链形悬挂，弹性吊索一般选用截面积为35mm的青铜绞线，张力为2.8~3.5kN。2.4.2高速铁路接触网的支持装置支柱：高速铁路接触网支柱的选择，区间一般采用环形等径预应力混凝土支柱；桥上支柱采用热浸镀锌钢柱；跨度小时用环形等径预应力混凝土支柱，跨度大时选用热浸镀锌钢柱。硬横跨：是用于站场或两股以上线路的接触网支持钢结构，一般用型钢焊接成粱式结构横跨于线路上空，支持接触悬挂。特点：各股道上的接触网在机械上和电气上相互独立。接触悬挂在硬横跨上采用吊柱旋转腕臂的支持结构优点：机械上独立，结构稳定，抗风能力强，寿命长，在受流性能上与区间接触悬挂相同。法、英、日本等国家的高速铁路接触网几乎全部采用硬横跨。我国的高速铁路的接触网也趋向使用刚性硬横跨。腕臂支持结构：高速铁路接触网采用刚性腕臂支持结构，由水平腕臂和斜腕臂组成的稳定三角形结构，提高了腕臂结构的整体稳定性和抗风能力。组合定位装置：组合定位装置包括：定位器、定位管、支持器，定位防风拉线和定位管防风支撑，这部分零部件对接触导线起定位和支持作用，影响弓网受流性能。对定位器的要求：(1)构造简单，安装方便，不形成接触悬挂硬点；(2)材质上一般采用