客运专线牵引供电系统和接触网

1第四章客运专线牵引供电系统和接触网牵引供电系统是客运专线的重要组成部分，是为列车提供能量的关键技术设备，主要包括牵引变电所及接触网两个部分，其任务是保证质量良好地不间断地向机车供电，其系统构成和设备性能上要适应客运专线牵引负荷的特点。牵引变电所是电气化铁路供电系统中的心脏，无论一般线路还是客运专线线路都要求它具有高度的可靠性，两者除在变电所容量的选择上要考虑高速运行的条件外，其他方面均无多大区别。接触网是牵引供电系统的主动脉，与列车速度直接相关，其功能是通过与受电弓在运行中的良好接触将电能传给电力机车，由于列车是通过安装在列车的受电弓与接触线相互滑动接触获取电能的，为了使列车连续不断地获取电能，就要求接触线与受电弓在运行中良好接触，“良好接触”的概念包括的内容有：弓网振动小、相互冲击小、离线次数和时间少、导线和滑板磨耗小。为取得弓网间的“良好接触”各国专家化费了巨大的时间和精力研究接触网和受电弓的结构及主要参数，有的国家已根据不同的运行速度确定了接触网悬挂系列和不同的受电弓类型。在高速情况下，弓网良好配合，保证受流质量是高速必须解决的关键技术之一，我国进入高速电气化铁路研究阶段后，也把重点放在弓网受流的研究上，通过近几年铁路的提速和高速试验及相关理论研究，对200km/h的牵引供电系统，特别是接触网及弓网受流系统的认识有了较大提高，已初步积累了接触网的研究、设计、施工和试验经验，为我国客运专线的建设打下了良好的基础。第一节牵引供电概论1．供电方式电气化铁路中有五种供电方式:1)直接供电；2)吸流变压器供电；3)带回流线的直接供电；4)自耦变压器供电；5)同轴电力电缆供电。在客运专线铁路中一般不再采用吸流变压器供电方式和同轴电力电缆供电方式，前者是因为接触网在吸流变压器处的断开点上有电位差，受电弓高速通过时产生电弧，后者是因为造价昂贵、施工复杂。因此，只介绍直接供电方式、带回流线的直接供电方式和自耦变压器供电方式。1.1直接供电方式，是牵引网中不加特殊防护措施的一种供电方式。它一根馈线接在接触网上，另一根馈线接在钢轨上，如图(4.1.1)所示。(T)2(R)图4.1.1直接供电方式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，复线一般为25km左右。由于电气化铁路是单相负荷，机车由接触网取得电流，经钢轨流回牵引变电所。由于钢轨与大地是不绝缘的，一部分回流由钢轨流入大地，因此对通信线路产生感应影响。这是直接供电方式的缺点。1.2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4.1.2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由回流线流回牵引变电所，因而能部分抵消接触网对邻近通信线路的干扰。(T)(NF)(R)图4.1.2带回流线的直接供电方式1.3自耦变压器供电方式(简称AT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，而供给电力机车的电压仍为25千伏，如图4.1.3所示。25千伏25千伏I1/2I1/2I(T)(R)(AF)图4.1.3自耦变压器供电方式电力机车由接触网受电后，牵引电流一般由钢轨流回，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机车电流时，其另一个绕组感应出电流供给电力机车，因此，当机车负荷电流为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3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。2.电源及变电所2.1电源引入方式我国的一般电气化线路的牵引变电所电源一般从电网110KV系统接入，保证了安全可靠供电。但在高速铁路和客运专线，由于供电能力、供电可靠性和供电质量的要求，如果仍采用110kV供电，很难满足供电要求，电力网的运行指标也会恶化。仅几年来，一些线路采用220KV系统接入，如哈大线和秦沈客运专线。采用220KV电源的优点如下：1）可改善负序对电网其它用户的影响单相工频交流电气化铁道所固有的特点是结构不对称，因此，单相牵引负荷在系统中引起负序电压和电流是肯定的，对电网中的敏感设备带来不利影响。一般来说，对负序最为敏感的设备是小容量发电机和电动机，它们都处于10kV以下的电网中，为了减少负序对它们的影响，可将牵引负荷离的越远越好（负荷转移），其实质是将负序电流进行更多之路的分流，从而减少敏感之路的电流，220kV以前的各种之路要比110kV侧多，因此，将牵引变电所的电源电压由110kV改为220kV可有效的改善负序对电网的影响。2）可改善谐波影响高次谐波的三大要素：（1）高次谐波发生源；（2）电力系统和用户负荷的阻抗；（3）设备对抗高次谐波的能力。电压等级高的系统短路容量大，为减少电压畸变，应选择尽量大的短路容量。2.2客运专线牵引供电系统的特点(1)单车牵引电流大，在300～350km/h时可达到600～1000A，要求牵引供电系统有较大的供电能力。（2）列车通过供电臂时间短，负荷持续时间短，供电臂中的列车数相应少，负荷电流波动大。（3）为减少过分相的次数，尽量延长供电臂长度（4）高速列车采用交－直－交方式，机车功率因数接近于1，牵引负荷的特点：带电时间长；需求功率大；紧密运行程度高；运营时间内负荷集中2.3变电所主接线方式电气主接线反映牵引变电所的主要电气设备，这些设备的规格、型号和技术参数，在电气上是如何连接的，高压侧有几回进线，几台牵引变压器，有几回接触网馈电线。通过电气主接线可以了解牵引变电所等设施规模大小和设备情况。牵引变电所的主接线由电源侧、主变压器、牵引侧三部分主接线组成2.3.1电源侧主接线4牵引变电所属用户变电所，一般不接入电力网内，没有穿越功率，属终端型变电所，电源侧主接线较简单，多采用分支接线方式，两回进线间没有跨条，每回进线与一台变压器组成一组，这种接线方式适用于主变压器固定备用方式，要求两回电源均为主供回路，随时可以切换。2.3.2牵引侧主接线电力系统的三相高压电源经过牵引变压器变压后，要用27.5kV或55kV的单相电源向接触网供电，牵引变压器低压侧为要向接触网供电，需要结构合理、操作方便、安全可靠和节省投资的主接线，因此称为牵引侧主接线。客运专线铁路多为复线，在牵引变电所内一般设有四回馈电线，上下行方向各两回，用不同相别供出，上行方向两回线用同一相，设一台备用断路器；下行方向两回线用另一相，设一台备用断路器。自耦变压器供电方式馈电线有接触网(T)和正馈线(F)两根线，断路器和隔离开关均为两极。另有中线(N)馈出，不设断路器和隔离开关。当牵引变压器牵引侧线圈中点不抽出时，在变电所内还应另设自耦变压器，一般将自耦变压器设在馈电线外侧。当相邻变电所越区供电时，可作为末端的自耦变压器。复线铁路一般为四回馈电线，每两回同相馈电线设一组备用断路器。3.牵引变电所安全监控及综合自动化随着科学技术特别是计算机控制技术和网络技术的发展，传统变电所的继电保护和控制向微机保护、计算机监控和全所自动化方向发展。变电所综合自动化系统的智能化、自动化和先进的自检和自诊断技术对客运专线牵引变电所的安全经济运行有突出的贡献。牵引变电所的供电可靠性直接影响到电气化铁路供电系统的可靠性，甚至影响到整个铁路的安全可靠。在设计变电所监控系统中应重点考虑三个指标：1）供电的可靠性；2）牵引供电的全部自动化；3）变电所无人值班。牵引变电所无人值班是大势所趋，无人值班的变电所是指无固定值班人员在当地进行日常监视与操作的变电所。对变电所的操作与监视是由远方调度所来完成。下面以秦沈线的牵引变电所自动化系统为例来说明其组成和功能，图4.1.4为系统组成图。5图4.1.4牵引变电所安全监控及综合自动化系统组成示意图本系统的主要结构特点是，1）网络型，现场网络采用LONWORKS网络，通信媒介采用双环光纤。2）分层分布式，当任意一模块出现故障时，不影响其它模块的正常运行，从而保证供电的可靠性。3）集中组屏方式其功能:各保护测控单元完成变电所的继电保护、测量和控制功能调度中心可以通过通信单元与保护测控单元通信，实现运动功能当地监控单元可就地完成各种操作，当监控机失效时不影响装置的正常使用视频监控单元与自动灭火系统一起组成变电所的安全监控系统具有自检和自诊断功能，大大提高了可靠性各种功能可由软件实现程控和连锁。第二节客运专线接触网1.接触悬挂形式及其主要技术参数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。对接触网悬挂形式的要求是：受流性能满足客运专线铁路的运营要求、安全可靠、结构简单、维修方便、工程造价低。6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。各国对这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，近几年来，日本高速铁路又采用了简单链形悬挂；法国的巴黎—里昂的东南新干线采用弹性链形悬挂，巴黎—勒芒/图尔的大西洋新干线采用接触线带预留弛度的简单链形悬挂；德国比较重视接触网的标准化工作，先后制定了Re75、Re100、Re160、Re200、Re250、Re330几种标准化悬挂形式，行车速度低于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。下面分别介绍简单链形悬挂、弹性链形悬挂、和复链形悬挂三种形式的结构和技术性能。1.1简单链形悬挂结构形式如图4.2.1所示：6365mm1.4图4.2.1带预留弛度的简单链形悬挂性能特点：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。1.2弹性链形悬挂结构形式图如图4.2.2所示76518.018.01.8图4.2.2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：“π”型和“Y”型。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。在支柱悬挂点处配有Y型辅助索，提高了接触网在悬挂点处的弹性，使跨距间的弹性较为均匀。同时使用辅助索可明显后面跟进的受电弓的接触状态。性能特点：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。其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。1.3复链形悬挂：结构形式如图4.2.3所示51.550图4.2.3复链形悬挂在结构上，承力索和接触线之间加了一根辅助承力索。性能特点：接触网的张力大，弹性均匀，安装调整复杂、抗风能力强。日本早期高速铁路采用复链形悬挂并作为高速接触网的标准悬挂形式，主要考虑受流和环境因素：1）从受流方面讲，日本动车组是采用动力分散方式，多弓受流，对接触网弹性值和弹性均匀度要求很严格；2）从环境因素讲，日本地处沿海强台风和地震频繁，要求8接触网有足够的稳定性。1.4三种主要接触悬挂形式的比较选择法国、德国和日本三个国家的三种接触悬挂的主要参数列表如下表4.2.1三种接触悬挂形式的主要技术参数法国TGV-A德国Re330日本HC悬挂形式简单链形悬挂弹性链形悬挂复链形悬挂运营速度(km/h)300330275接触线材质Cu150扁Ris120Cu170接触线密度(kg/m)1.331.071.51接触线张力(kN)2024/2