牵引供电系统学习包

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1、牵引供电系统学习包牵引供电系统学习包 第一章第一章 电力系统与牵引供电系统电力系统与牵引供电系统 第一节 电力系统 电力系统是指发电、送电、变电和用电组成的整体。电力系统的规模大小、结构合理与否直接关系到国家工农业生产和交通运输的发展。我国电气化铁道的建设更与电力能源的发展和建设紧密相关。 电力系统的组成可用图 1 一 1 的示意图说明。图中的电力系统如果把发电厂的汽轮机、锅炉、水电厂的水轮机、水库等动力部分包括进来，统称为动力系统。 电力系统主要包括以下几部分 一、发电厂 发电厂将其他形式的能源转换为电能。根据能源的不同，发电厂分为火电厂，水电厂，核电厂等。此外还有地热电厂，风力电厂，潮汐海

2、洋电厂。 （一）火电厂：目前我国仍以燃煤为主的火电厂居多数。这些电厂多建在煤炭基地附近，故称为“坑口”电厂，其单机容量可达 600 MW（兆瓦） 。如果把已作过功的乏气再供给用户作为热能，这种电厂又称为热电厂。 （二）水电厂：水电厂是建于江河之上并把河流的落差能量变成电能的发电厂。水能发电不仅效率高，而且水能是在自然界不断循环的再生资源，具有用之不竭的特点。我国水能资源丰富，水能发电的潜力很大，目前世界最大发电机的容量为 750 MW o 我国水轮发电机的单机容量为 700 M W，例如长江三峡装设了数台 700 M W 的水轮发电机。 （三）核电厂：核电厂是将原子核裂变时所产生的核能转变为电

3、能。核电厂的重要部分是核子反应堆和蒸汽发生器，相当于发电厂的蒸汽锅炉。其发电设备仍为一般汽轮机和发电机。核电厂建设需要大量公用辅助和防护设施，故为了提高效益，核电厂的单机容量较大，近年来多在 900 MW 以上。 发电机一般采用三相同步发电机，电压多为 10.5 kV。每台发电机都有相应的升压变压器，组成发电机一变压器组。 二、电力网及电网电压 电力网简称电网，由输电线路，配电线路和变电所组成。输电线路的作用是输送电能，其特点是电压较高，线路较长；配电线路的作用是分配电能，电压较低，线路较短。 电网按其规模主要分为地区电网和区域电网， 前者多限于一个地区或一个省，电压等级为 110220 kV

4、 。区域电网是几个地区或几个省联合而成，电压等级为330500 kV 。 国家规定的电网额定电压分别为(kV) :750,500,330,220,110,60,35,10,6 等 9 个电压等级。 为了提高电网的输送容量和输送距离，世界各国都在探索电压等级更高的输电线路。同时由于直流电压输电无电抗存在，稳定性好，故受到世界各国的普遍重视。我国也已建成了多条500 kV 的直流高压输电线路。 三、变电所 变电所除具有变换电压的作用外，还具有集中电能、分配电能和控制电能以及调整电压的作用。一般把变电所分为以下 3 种： （一）枢钮变电所。它通常都有两个及其以上电源汇集，进行电能的分配和交换，从而形

5、成电能的枢钮，如图 1 一 1 所示的 S1， S2变电所。此类变电所规模大，并采用三绕组变压器获得不同级别的电压，送到不同距离的地区。 （二）地区变电所。其作用是供给一个地区用电，如图中的 S3等。通常也采用三绕组变压器，高压受电，中压转供，低压直配。 （三）用户变电所。此类变电所属于电力系统的终端变电所，直接供给用户电能。通常采用双绕组变压器，如图中的 S4，S5等。铁路牵引变电所就属于此类变电所。 第二节 牵引供电系统 牵引供电是指拖动车辆运输所需电能的供电形式。例如城市电车、城市地下铁道、工厂矿山的电力交通运输供电等，都可称为牵引供电。电气化铁道供电，因其用电量大、分布广，因而形成相对

6、独立于电力系统的电气化铁道牵引供电系统。 一、牵引供电系统的电流制 电气化铁道供电采用何种电流制，关系到许多重大技术问题和铁路运输的经济效益，故成为每个建造电气化铁道的国家首先要考虑的问题。目前主要有以下 4种电流制。 （一）直流制 直流制是世界上早期电气化铁道普遍采用的方式，到目前为止，直流制在电气化铁道中所占的比例仍占 43%左右。其原因是电力机车多采用机械性能好，调速方便的直流申励电动机牵引，显然，利用直流电向直流电机供电可以极大地简化机车设备。 但是受直流牵引电动机额定电压的限制，直流制供电电压较低，通常只有1500 V 。由于供电电压较低，要保证电力机车足够的功率，供电电流就比较大，

7、线路损耗也大，所以，送电距离较短，一般不超过 20 30 km，变电所的数目相对增加。又由于电流较大，需要导线的截面大，金属消耗增加。另外，牵引变电所必须有整流设备。 在工矿企业，城市地上交通和地铁供电，由于相对距离较近，对供电的安全性却要求较高，所以采用电压较低的直流制供电更具有优越性。矿山运输的直流电压为 1500 V，城市电车为 650 一 800 V，地铁为 720820 V。 （二）低频单相交流制 为了克服直流制的缺点， 在 20 世纪初， 西欧一些国家采用了低频单相交流制，并得到了较大发展。低频单相交流制的频率为 1632Hz，电压也提高到1115 kV。 这些国家之所以采用低频，

8、是因为当时这些国家有低频的工业电力，且低频的整流相对容易，低频交流的电抗也较工频小。 和直流制比较，低频单相交流制的导线截面减小，送电距离也可相应提高到5070 km。 低频单相交流制的主要缺点是供电频率与工业供电频率不同，故变电所必须有相应的变频装置，或由铁路专用的低频发电厂供电。 （三）三相交流制 在牵引电流制的发展过程中，个别国家，如瑞士、法国等，还采用了3.6 kV的三相交流制，电力机车牵引电动机采用三相交流异步电动机。 三相交流制是三相对称负荷，不会影响电力系统的三相对称性，牵引变电所和电力机车的结构也都相对简化。而且三相异步电动机运行可靠、维护方便。主要缺点是机车供电线路复杂，特别

9、是三相异步电动机调速比较困难。 由于三相交流制和三相异步电动机有上述优点，目前许多国家都在研究和生产变频电力机车，变频机车是一种交-直-交系统的机车。它是将接触网上的工频单相交流高压电，经机车上的变压器降压，整流涟波成直流，再经逆变器将直流变换成三相交流，并利用三相异步电动机牵引。控制逆变器能够调节三相电压的频率和幅值，实现调速和调转矩的目的。这种机车具有功率大、速度高，功率因数接近于1，并能将无功电流、通讯干扰减小到最小值的优点。 （四）工频单相交流制 工频单相交流制是电气化铁道发展中的一项先进供电制， 最早出现在匈牙利，电压为16 kV。1950年法国试建了一条25 kV的单相工频交流电气

10、化铁道。随后日本，前苏联等相继都采用了工频交流制，电压为20 kV。由于此种电流制的优越性比较明显，很快在各国被采用，目前已占到电气化铁道的40以上。我国电气化铁道建设一开始就采用了此种电流制，从而为后来的电气化铁道的发展打下了良好的基础。 工频单相交流制的主要优点如下： (1)牵引供电系统结构简单。牵引变电所从电力系统获得电能并经过电压变换后，直接供给牵引网，不需要在变电所设置整流和变频设备，变电所结构大为简化。 (2)牵引供电电压增高，既可保证大功率机车的供电，提高机车的牵引定数和运行速度，又可使变电所之间的距离延长，导线截面减少，建设投资和运营费用显著降低。 (3)交流电力机车的粘着性能

11、和牵引性能良好。通过机车上变压器的调压，牵引电动机可以在全并联状态下工作，牵引电动机并联运转可以防止轮对空转的恶性发展，从而提高了运用粘着系数。 (4)和直流制比较交流制的地中电流对地下金属的腐蚀作用小，一般可不设专门防护装置。 工频单相交流制存在的主要问题如下： (1)单相牵引负荷将会在电力系统中形成负序电流，当电力系统容量较小时，负序电流的影响尤为突出。 (2)电力牵引负荷是感性负荷，功率因数低，特别是采用相控整流后，牵引电流变为非正弦波，出现较大的谐波电流，将使功率因数更低。 (3)牵引网中的单相工频电流将对沿线通讯线路造成较大的电磁干扰。 为了克服上述缺点，使电气化铁道的投资也相应增加

12、。 二、工频单相交流牵引供电系统 工频单相交流牵引供电系统主要由牵引变电所和牵引网两部分组成。其主要作用是从电力系统取得电能，并送给沿铁路线运行的电力机车。牵引供电系统的构成可用图1一2所示的示意图说明。 （一）一次供电网络 一次供电网络是指直接向牵引变电所供电的地区变电所（或发电厂）及高压输电线路。输电线路一般分为两路，电压为110 kV。近年来，也有采用220 kV的（哈大线） ，相比之下，后者电源的可靠性和稳定性等技术指标相对较高。 上述高压输电线路虽然专门用于牵引供电，但由国家电力部门修建并管理，并以牵引变电所的110 kV进线门形架为分界点。 （二）牵引变电所 牵引变电所的作用是降压

13、，并将三相电源转换成两个单相电源，然后通过馈电线分别供电给牵引变电所两侧的接触网。 （三）牵引网 牵引网是由馈电线、接触网、钢轨、回流线组成的双导线供电系统。 馈电线是连接牵引变电所母线和接触网的架空铝绞线。馈电线除直接送电给接触网外，还要送电给附近车站，机务折返段，开闭所等，所以债电线的数目较多，距离也可能较长。 接触网是牵引网的主体，由于接触网分布广，结构复杂，运行条件又差，所以不仅日常维修工作量大，短路故障也较多，故与牵引供电的可靠性关系极大。 流过电力机车的负荷电流经钢轨和回流线回到牵引变电所。由于钢轨对地并非绝缘，所以部分电流沿大地流回到牵引变电所，形成地中电流。 （四）分区亭 为了

14、增加供电的灵活性，提高运行的可靠性，在两个相邻牵引变电所供电的接触网区段通常加设分区亭，如图1一2中的8所示。分区亭的作用是： (1)可以使相邻两供电区段实行并联供电或分开供电，也可使复线区段的上、下行实行并联或分开供电。 (2）相邻牵引变电所发生故障而不能继续供电时，可以闭合分区亭内的断路器由非故障牵引变电所实行越区供电。 （五）开闭所 电气化铁道的枢钮站场 （如编组站、 客站、 机车整备线等） ， 均由接触网供电。为了提高供电的可靠性和灵活性，通常将其分组并独立供电，为此就需要增设开闭所，如图1一2中的10所示。如果是复线电气化铁道区段，通过开闭所的断路器还可将上行和下行接触网并联起来，此

15、时的开闭所还兼有分区亭的作用。 三、牵引变电所的一次供电方式 牵引变电所的一次供电方式又称一次侧供电方式或外部供电方式。因为电气化铁道牵引供电属于一级负荷，中断供电将会造成重大经济损失和严重的社会影响。因此对一次供电的可靠性要求很高。通常要求每个牵引变电所必须有两个独立电源供电，或者由两路非同杆架设的输电线路供电，其中每路输电线应能承担牵引变电所的全部负荷。两路电源互为备用或一主一备，即一路可长期供电，另一路由于某种原因只能作为短期备用。当供电电源故障时，备用电源应能立即投人。 根据供电系统的分布状况，发电厂和地区变电所的位置以及容量等因素，牵引变电所的供电方式有以下几种： （一）一边供电 一

16、边供电是指牵引变电所的电能只能由电力系统中的一个方向送来，如图1一3所示。图中牵引变电所Cl、C2, C3只能从右侧的发电厂A1用两路输电线供电。而发电厂A1又通过地区变电所B1,B2,B3与发电厂A2,A3相连，构成一个可靠的供电网络，保证任一电源故障，都不会中断供电。 （二）两边供电 两边供电就是指牵引变电所的电能由电力系统中的两个方向送来，如图1-4中的牵引变电所C，它的两侧都有电源，左侧发电厂A1用一条输电线给牵引变电所送电，并供电给地区变电所B，而变电所B又由发电厂A2供电，并由一条专用输电线供给牵引变电所C。 （三）环形供电 环形供电是指若干个发电厂、 地区变电所通过高压输电线连接成环形电力网，而牵引变电所处于环形电力系统中的一段环路之中。仍以图1一4说明，如果发电厂A1通过输电线W1、W2与发电厂A1或A2以远的电网连接，则形成环形电力系统，这时牵引变电所C就处于电力系统的一段环形之中而构成环形供电。 不难看出，两边供电和环形供电，比一边供电有更高的可靠性和更好的供电质量。两边供电的优点在于任一座发电厂故障时，电气化铁道的供电不