牵引供电系统(第一章 绪论)

牵引供电系统主讲：姚琛第一章概论•1.1电气化铁路的发展概况•1.2牵引供电系统组成•1.3牵引供电系统供电方式•1.4牵引供电系统设计的一般知识1.1电气化铁路的发展概况一、世界电气化铁路简史•1825年世界上第一条铁路在英国建成；•1879年5月31日在德国柏林举办的世界贸易博览会上，由西门子和哈尔斯克公司展出了世界上第一条电气化铁路；•1964年10月日本建成世界上第一条高速电气化铁路--东海道（东京~大阪）新干线，时速210km；•20世纪八十年代，法国和德国先后建成时速300公里的高速电气化铁路；•目前世界上已经有中国、西班牙、日本、德国、法国、瑞典、英国、意大利、俄罗斯、土耳其、韩国、比利时、荷兰、瑞士等16个国家和地区建成运营高速铁路。据国际铁路联盟统计，截至2015年，世界其他国家和地区高速铁路总营业里程1.6万公里，在建高铁规模约5000公里，规划建设高铁1.5万公里。1、日本1964年10月1日，世界上第一条高速铁路日本东海道新干线(东京至大阪)开通营业，全程515.4公里，直达旅行时间3小时，列车最高运营速度210公里/小时。随后，日本大力发展新干线，并不断进行技术升级，山阳新干线和东海道新干线的运行速度分别提高到现在的300公里/小时和270公里/小时，东北新干线的运行速度提高到320公里/小时。如今，新干线的主干线和支线已经覆盖日本本土，截至2015年3月，日本已经开通的新干线共有6条，线路总长度为约3000公里。2、法国1981年9月27日，欧洲第一条高速铁路，由法国首都巴黎至里昂的TGV东南线通车，全程417公里，直达时间2小时，列车运行最高速度270公里/小时，经过改造后，目前速度可达300公里/小时。此后，法国相继建设开通了TGV大西洋线、北方线、地中海线、巴黎东部线等高速铁路，形成了以巴黎为中心，辐射全国的TGV高速铁路干线，并与周边国家连接。TGV高速列车可通行的范围6000公里以上，列车最高运营速度可达320公里/小时。目前，法国共有9条高速铁路开通运营，线路总长度约2000公里。3、德国1971年9月21日，西德铁路开行最高时速200公里的ICE城间特快列车，这是德国真正向现代铁路高速运输发展的第一步。1971年，开工建设第一条高速新线汉诺威—维尔茨堡铁路，并于1991年正式开通运营。目前，ICE高速列车可通达德国境内多数大城市，ICE列车可通行的范围6300公里以上，列车速度最高可达300公里/小时。截至2015年底，已建成的高速铁路共计约4000公里。二、我国的电气化铁路•1961年8月15日我国第一条电气化铁路在新建的宝成线宝鸡～凤州段正式通车，凤州~成都于1975年7月1日全线通车；•“六五”期间修建2507KM；•“七五”期间修建2787KM；•“八五”期间修建3012KM；•“九五”期间修建4783KM（建成时速200公里的广深准高速）；•2001年建成3665KM；•2002年建成1193KM（快速客运专线——秦沈线，时速160公里）；•到2002年底，我国建设里程达18615KM，超过了日本和印度，跃居亚洲第一，世界第三（仅次于俄罗斯40000KM以上；德国20000KM以上）；•2005年底，我国电气化铁路总里程约为20050公里，占全国铁路运营里程（75000公里）的26.7%。•根据04年政府颁布的《中长期铁路网规划》指出，到2010年，全国铁路总里程为85000公里，其中客运专线5000公里，电气化35000公里；2020年铁路总里程达12万公里，客运专线12000公里以上；复线和电气化里程达到5万公里左右；复线率和电气化率达到50%。•到2014年，我国铁路新线投产规模创历史最高纪录，铁路营业里程突破11.2万公里。到2015年我国铁路营业里程大约为12万公里，其中高速铁路营业里程超过1.9万公里，稳居世界第一。“十三五”末铁路网的总里程约为14.5万公里。三、中国高速铁路（CHRS）1、中国高速铁路的定义新建设计开行250公里/小时（含预留）及以上动车组列车，初期运营速度不小于200公里/小时的客运专线铁路。中国高铁的设计时速大多是350公里。快速铁路设计时速在160-250公里而且可以客货兼运（高铁则是客运专线），设计时速一般是200公里。普通铁路设计时速在160公里以下而且可以客货兼运。2、铁路等级根据国家规划和铁总定义可分为：高速铁路—快速铁路—普通铁路•中国铁路投资•中国高铁里程统计四、电气化铁路的特点与航海、航空和汽车运输相比，电气化铁路的突出特点是：高速、高效、安全。1、运输效率高，运量大，运行成本低相比内燃机车，电力机车本身不带燃料，为非自给式牵引动力，机车的总功率大，具有启动和加速快、过载能力强、运输能力大的优点。据有关资料介绍，电气化高速铁路的列车密度可达到每间隔4～5min发出一列，每天可开行200～240列列车，每年可运送旅客6000万～8000万人。其劳动生产效率是其他运输方式无法相比的。2、能耗低，有利于环境保护电气化铁路由于采用电能作为能源，它基本上无粉尘、油烟、废气等污染，这无疑对改善生态环境和人民的健康状况是有益的。3、安全、舒适、准时铁路的旅客车厢空间大，可以给旅客的旅行生活提供很大的活动场所。尤其是豪华车厢，其设施可以和星级宾馆相比，为旅客创造安静、舒适的环境。列车的运行受天气、地面运输环境的影响较小，列车基本上是全天候运输作业，列车的准点率也较高，而这也是飞机和汽车难以实现的。五、牵引供电制式的分类根据电流形式：（1）直流制:主要用于城市轨道交通，额定电压有1500V和750V、3000V或6000V（2）交流制①低频单相交流制:()目前已不采用，额定电压15KV或11KV。②工频(50HZ)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。z25z3216HH或1.2牵引供电系统组成牵引供变电系统是指从电力系统接受电能，通过变压，变相后，向电力机车供电的系统。牵引供电回路是由牵引变电所、馈电线、接触网、电力机车、钢轨、地或回流线构成。另外还有分区亭、开闭所、自耦变压器站等。一、牵引变电所•牵引变电所的主要任务是将电力系统输送来的110kv或220kv三相交流电变换为27.5kv单相电，然后经馈电线将单相供电送至接触网上。•电压变化由牵引变压器完成，三相交流电变为单相交流电，通过牵引变压器的电气接线实现。二、开闭所（SSP）定义：指设有开关，能进行电分段或变更馈线数目的开关站。•当枢纽地区的供电，分为“由里向外供”和“由外向里供”两种方式，前者在枢纽内设置牵引变电所。后者在枢纽内不设牵引变电所，为了增加枢纽地区供电的可靠性和缩小事故的影响范围，一般设开闭所。AT供电方式时，供电臂较长，在供电臂中部也设开闭所。开闭所应有来自不同牵引变电所的（单线区段）或同一牵引变电所的不同馈线段（复线区段）的两回进线。•开闭所应尽量设置在枢纽地区的负荷中心处，以减少馈线的长度和馈线与接触网的交叉干扰。三、分区亭（SP）为了增加供电的灵活性，提高运行的可靠性，在两个牵引变电所的供电区间常加设分区亭。分区亭常用于牵引网为双边供电，或复线区段牵引网为单边供电，但上下行接触网在末端并联时。这时，分区亭起到平时将两个供电臂或上下行接触网联络起来的作用，这样，当事故发生时，可缩小停电范围和实现越区供电。四、自耦变压器站电力牵引供电系统如采用自耦变压器供电方式时，在沿线每隔10-15公里设置一台自耦变压器。设置时尽量将自耦变压器设于沿铁路的各站场上。同时，尽量与分区亭、开闭所合并，以便于运行管理。五、牵引网牵引网是由馈线、钢轨回流线、接触网组成的双导线供电系统，完成对电力机车的送电任务。BT供电方式时，还要有回流线。AT供电供电方式时，还有正馈线和保护线。•馈线：接在牵引变电所牵引母线和接触网之间的导线，即将电能由牵引变电所引向电气化铁路。•接触网：一种特殊的输电线，架设在铁路上方，机车受电弓与其磨擦受电。回流线：牵引变电所处的横向回流线，它将轨或与轨平行的其它导线与牵引变压器指定端子相联。•回流线：牵引变电所处的横向回流线，它将轨或与轨平行的其它导线与牵引变压器指定端子相联。•分相绝缘器（电分相）：串在接触网上，目的是把两相不同的供电区分开，并使机车光滑过渡，主要用在牵引变电所出口处和分区处。•分段绝缘器（电分段）：分为纵向电分段和横向电分段，前者用线路接触网上，后者用于站场各条接触网之间。通过其上的隔离开关将有关接触网进行电气连通或断开，以保证供电的可靠性、灵活性和缩小停电范围等。•供电分区：正常供电时，由牵引变电所馈线到接触网末端的一段供电线路，也称为供电区。1.3牵引供电系统供电方式牵引牵引供电系统首先从电力系统取得电能，然后由牵引变电所向牵引网供电，牵引网向电力机车供电，因为铁路运输的特殊性，牵引供电系统供电方式遵循一定的要求。一、电力系统对牵引变电所的供电电力系统向牵引变电所供电的方式可分为单电源供电，双电源供电和混合供电。当同一电气化区段有不同那个的电力系统功能供电时，在牵引网的分界处，应设置分相电分段而不应并联。牵引变电所设置两台变压器，它要求双电源供电。二、牵引变电所对牵引网的供电我国铁路运输分为单线区段和双线区段1、单线区段•单线区段中，牵引变电所馈出线有两条，分别向上行和下行接触网供电。•单线区段一般采用单边供电方式，是指各牵引变电所相互独立，接触网的供电分区由牵引变电所从一边供应电能，相邻两个牵引变电所之间的供电臂相互绝缘，机车只从相关的某个牵引变电所取电的供电方式。2、双线区段•牵引变电所馈出线有4条，分别向两侧上、下行接触网供电。1）双线区段的单边末端并联供电•当某一供电臂故障时，为了保证另一供电臂正常供电，需通过继电保护装置自动将末端并联的断路器打开，这样缩小了停电的区域；如果是某一牵引变电所故障，则接通两供电分区相连的断路器、实现由另一牵引变电所的越区供电、双线区段普遍采用这种供电方式。2）双线区段的单边全并联供电•全并联供电的优点是：比末端并联供电能更有效地减小接触网阻抗，降低接触网电压损失和电能损失，另一方面又能对接触网的短路故障进行更有效的保护。三、牵引网的供电方式牵引网的供电方式有直接供电方式、带回流线的直接供电方式、自耦变压器供电方式、吸流变压器供电方式和同轴电力电缆供电方式。1、直接供电方式牵引网结构最简，投资最小，但钢轨电位较高，对通信线的干扰感应最大，主要适用于通信线路（主要是明线）较少或很易将受扰通信线迁改径路的场合。2、带回流线的直接供电方式带回流线的直接供电方式简称DN供电方式：在钢轨上并联架空回流线（又称为负馈线）。增加回流线后，原来流经轨道、大地的回流，一部分改由架空回流线流回牵引变电所，其方向与接触网中馈线电流方向相反，架空回流线与接触网距离较近，因此相当于对邻近通信线路增加了屏蔽效果；另外，钢轨电位大为降低，对通信线的干扰得到较好抑制。还能降低牵引网阻抗，使供电臂延长30%以上。•补充:BT供电方式在牵引网中，每相距1.5km—4km间隔，设置一台变比为1:1的吸流变压器。吸流变压器设在分段中央，其原边串入接触网，副边串入沿铁路架设的回流线。回流线通常就悬挂在铁路沿线的接触网支柱外侧的横担上。1—接触网；2—为轨道；3—为回流线；4—为吸流变压器，变比1:1，一次线圈串接入接触网，二次线圈串接入回流；5—为吸上线，一端接回流线，另一端与轨道或吸流变压器线圈中点连接，以提供从电力机车到轨道的返回电流流到回流线中去的通路。6—为位于远端的吸上线处的电力机车；这种装置的防护作用在于：把本来是尺寸很大的接触网—轨道大地回路改变成尺寸相对很小的接触网—回流线回路。当牵引电流流经吸流变压器原边时，副边在回流线中产生很大的互感电势。吸流变压器的作用也就是在接触网和回流线之间集中地加大互感。即：设吸流变压器原边电流为I1，匝数为ω1；副边电流I2，匝数为ω2。根据磁势平衡关系：I2ω2≈I1ω1又因为变比为1:1，则ω1=ω2，所以I2≈I1说明：采用吸流变后，只有