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1、电气化铁道牵引供电系统,一、电气化铁道概述 二、牵引供电系统对外部电源的要求 三、牵引供电系统供电方式,一、电气化铁道概述,轨道交通电力牵引是利用电能作为牵引动力，将电能转化为机械能，驱动铁路列车、电动车组和城市轨道电动车辆等载运工具运行的一种运输形式。,轨道交通（电力）牵引供变电系统主要包括电气化铁道交流牵引供电系统和城轨交通（地铁与轻轨等）直流牵引供电系统两大部分。取决于机车的供电制式。,1、轨道交通的供电制式,一、电气化铁道概述,1900年1915年 低压直流制 500750V 直流串激电动机 1915 年1930年 低频单相交流制 16 2/3Hz或25Hz 11kV或15kV 整流子
2、电动机 直流制 1.2kV或1.5kV 直流串激电动机 三相交流制 3.6kV 三相异步电动机,供电制式发展,一、电气化铁道概述,19301950年 低频单相交流制 直流制 1.5kV 直流制 3kV 1932年 匈牙利 布达佩斯黑基也什霍洛姆铁路 工频单相交流制 16kV 1950 年 法国 埃克斯.累.班里亚罗什休尔伏龙区段 工频单相交流制 25kV,供电制式发展,一、电气化铁道概述,1954年 日本 仙山松岛间 工频单相交流制 20kV 1955年 前苏联 奥热烈利耶巴维列兹 工频单相交流制 20kV从此以后, 工频单相交流制在俄罗斯、法国、日本、印度、南斯拉夫、保加利亚等国家得到了广泛
3、采用。,供电制式发展,一、电气化铁道概述,当前干线铁路主要供电制式,一、电气化铁道概述,当前干线铁路主要供电制式,一、电气化铁道概述,一、电气化铁道概述,380/220V电源 车站与区间 机电设备 照明负荷 通信信号,电力系统,牵引变电所 降压变压器 整流机组,牵引网,电动车组 直流负荷,直流电力牵引供变电系统,（1）直流制：,最初采用直流电力牵引制的出发点有以下几方面： （1）直流串励电动机机械性能好、调速方便。电动车辆应用直流牵引电机调速方便且易于实现，借助传统的电阻调节控制，改变牵引电机端压或调节励磁即可调节速度； （2）利用直流电向直流电机供电可以极大地简化机车设备； （3）直流供电相
4、对交流供电的牵引网电压损失和功率损失要小得多，有利于保持网压稳定，确保列车频繁启动下的电压质量，从而有利于保证列车的运行速度。,一、电气化铁道概述,直流电力牵引制的缺点： （1）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1500V； （2）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，线路损耗也大，送电距离较短，一般不超过2030 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； （3）三相整流装置，会产生较大的谐波。 （4）杂散电流对沿线地下金属设施的腐蚀比较严重。,一、电气化铁道概述,一、电气化铁道概述,1950年法国在埃克斯.累.
5、班里亚罗什休尔伏龙区段试建的25kV工频单相交流电气化铁路成功，25kV工频单相交流制在世界广泛推广，我国电气化铁路全部采用25kV工频单相交流制。,单相工频交流电力牵引供变电系统,一、电气化铁道概述,电力系统,牵引变电所 降压变压器,牵引网,电力机车 交流单相负荷,一、电气化铁道概述,单相工频交流制的牵引供电系统的优点： （1）结构简单，不需要在变电所设置整流和变频设备； （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）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。,许多西
6、欧国家如奥地利、挪威、瑞典和德国等都采用这种电流制。低频单相交流电力牵引供变电系统有两种构成形式：一种是早期欧洲部分国家所采用的电气化铁路专用低频电力系统，建立完全独立的电力牵引专用的低频供电系统，由发电厂发出单相低频电流，经高压输电线输送到牵引变电所，在牵引变电所降压馈送到牵引网。,一、电气化铁道概述,单相低频交流电力牵引供变电系统,另一种低频单相交流电力牵引供变电系统，由三相工频交流电力系统获得电能，经牵引变电所降压变频后，再经过升压变压器将电压升至15kV后馈送至牵引网。,一、电气化铁道概述,一、电气化铁道概述,低频单相交流制牵引系统的优点： （1）电力机车或动车组采用牵引特性良好的单相
7、整流子牵引电动机驱动； （2）整流子牵引电动机换向困难，在低频（16 2/3Hz）情况下，换向条件较工频（5060Hz）时更为有利； 低频单相交流制牵引系统的缺点： （1）单相整流子牵引电动机设备复杂； （2）牵引变电所需要变频装置，结构复杂。在20世纪中期以前电力电子和传动控制技术尚不发达，这种技术选择在当时应属可取的。,牵引供电系统直接接入高压系统电气化铁道牵引供电系统接入110kV电网，随着铁路客运高速和货运重载的不断发展，高速铁路均拟直接接入220kV电网。 单相负载牵引负载是接入三相电力系统的单相负载，相对三相电力系统而言，牵引负荷具有不对称性，将在电力系统中造成三相不平衡。,2、牵
8、引供电系统负荷的特殊性,一、电气化铁道概述,负载波动频繁，负荷大小不均衡列车的负荷大小，主要与列车牵引重量、运行速度、线路坡度等因素有关。铁路线路条件千差万别，线路坡度随时变化，列车速度随时变化；列车按信号运行，铁路运输状态随时发生变化，供电臂内列车数量疏密不等；有时负载较重，在节假日、铁路故障后恢复行车等情况下，会出现列车紧密追踪情况，在军运、煤电油运、农运等特殊运输期间，也会出现列车紧密追踪情况。此时，牵引变电所会出现负荷高峰值。,一、电气化铁道概述,功率因数取决于机车类型交-直（AC/DC 整流）电力机车功率因数低、谐波含量大；交-直-交动车组，功率因数在0.95以上，谐波含量低。,高速
9、铁路列车负载率高，受电时间长，运行密度大，单相负载的冲击性更大空气阻力随速度呈几何级数增长。高速时，空气阻力成为列车运行的主要阻力，持续从接触网取得电能；高速列车单车电流可达6001000A，而普速列车电流一般不大于300A；高速列车追踪间隔一般为34分钟。,一、电气化铁道概述,交直型电力机车电力机车从接触网取得25kV工频单相交流电，经车载变压器降压为1500V，整流后向牵引电动机供电。交直型电力机车采用半控桥式整流，通过晶闸管控制导通角来控制机车出力，整流过程中会产生谐波，功率因数较低。,（1）电力机车的电气特性,一、电气化铁道概述,交直交型电力机车（动车组）交直交机车采用四象限整流，通过
10、GTO或IGBT控制导通和关断角来控制机车的出力，可分别控制导通和关断机车主变压器的若干个低压绕组的整流，使电流波形逼近正弦波，且电流与电压的相位基本同步。交直交型电力机车的谐波含量很小、功率因数高。,一、电气化铁道概述,二、牵引供电系统对外部电源的要求,电气化铁道的外部电源电力系统（公用电网）,中小型电厂,电气化铁路牵引供电系统,二、牵引供电系统对外部电源的要求,电力系统优质的供、用电应具有以下特征：(1) 供电电压具有稳定的标称频率、幅值和波形；(2) 保持三相电压和电流的平衡，保证电网最大传输效率；(3) 持续稳定和充足的电能供应；(4) 低廉的电价；(5) 对环境的不良影响较小。,二、
11、牵引供电系统对外部电源的要求,GB/T 12325-2008 电能质量 供电电压偏差 GB/T 15945-2008 电能质量 电力系统频率偏差 GB/T 15543-2008 电能质量 三相电压不平衡度 GB/T 12326-2008 电能质量 电压波动和闪变 GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波,电能质量国家标准,二、牵引供电系统对外部电源的要求,牵引 变电所,牵引供电系统,牵引网,单相工频交流,25kV,牵引 变压器,三相工频交流,二、牵引供电系统对外部电源的要求,电能质量,公共连接点（PCC） 或 供用电协议规定的电能计量点,牵引供电系统,牵引网,牵引 变电所,牵引
12、变电所,电力系统,牵引供电系统与其电源，即三相电力系统（公用电网）之间通过PCC点的电能质量相互约束。,25kV,二、牵引供电系统对外部电源的要求,电能质量 供电电压偏差 GB 12325-2008实际运行电压对系统标称电压的偏差相对值，以百分数表示。,大容量波动性负载；整流型机车功率因数低,供电电压偏差,电力系统,牵引供电系统,25kV,牵引 变电所,二、牵引供电系统对外部电源的要求,电能质量 三相电压不平衡度 GB/T 15543-2008 三相电力系统中三相不平衡的程度。用电压、电流负序基波分量或零序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比表示。,三相-两相的结构,电压不平衡度,电力系统,
13、牵引供电系统,25kV,牵引 变电所,二、牵引供电系统对外部电源的要求,电能质量 公用电网谐波 GB/T 14549-1993 对周期性交流量进行付立叶级数分解，得到频率为基波频率大于1整数倍的分量。,整流型机车谐波含量丰富,谐波,电力系统,牵引供电系统,25kV,牵引 变电所,二、牵引供电系统对外部电源的要求,电能质量电压偏差,GB/T 123252008电能质量 供电电压允许偏差交流50Hz电力系统供电电压偏差定义为实测电压与额定电压之差，以额定电压的百分数表示。35kV 及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%；,二、牵引供电系统对外部电源的要求,机车受电点电压=牵引变
14、压器空载电压-牵引变电所压损-牵引网压损,在牵引供电系统的设计中要求牵引网电压水平不低于20kV，需要考虑最小短路容量，即在系统短路阻抗较大的情况下，能否满足列车牵引的需要。电气化铁路牵引供电系统的电压水平受电力系统电压损失、牵引变压器电压损失和牵引网电压损失三方面制约。,二、牵引供电系统对外部电源的要求,牵引 变电所,牵引 变电所,25kV,二、牵引供电系统对外部电源的要求,电压损失概念及计算方法,压降：,压损：,矢量差,算数差,很小，近似,工程上,二、牵引供电系统对外部电源的要求,计算到负荷端口，系统电压损失表达式如下式中，XS为负荷端口看出的电网等值相电抗，；Q为该相线路传输的无功功率，
15、kvar；UN为线路额定相电压，kV； 为负荷功率因数角，感性负荷取正值。,忽略电阻,或,二、牵引供电系统对外部电源的要求,按三相负荷，系统电压损失表达式如下,式中，UN为线路额定相电压，kV；Sk为负荷端口的系统三相短路容量，MVA；ST为负荷三相容量，kVA；负荷功率因数角。,二、牵引供电系统对外部电源的要求,进一步，计算电压偏差式中，Sk为负荷端口的系统三相短路容量，MVA；ST为负荷三相容量，kVA；负荷功率因数角。,二、牵引供电系统对外部电源的要求,牵引供电系统,牵引网,牵引 变电所,牵引 变电所,负荷的变化使PCC点电压幅值在额定值附近变化,减小系统等值阻抗，即选择短路容量大的电源
16、。,25kV,减小无功功率在系统的传输，即提高功率因数：采用交-直-交型电力机车；无功就地补偿,二、牵引供电系统对外部电源的要求,当前我国电气化铁路的已有牵引变电所用电容量最大达到80MVA，高速客运专线牵引变远期规划容量达120MVA。对应不同容量的牵引变压器，为保证供电臂未端电压不低于20kV，系统短路容量 如下：,二、牵引供电系统对外部电源的要求,电能质量谐波,牵引供电系统,牵引网,牵引 变电所,牵引 变电所,电源为工频（基波）50Hz的正弦波,机车为非线性负载，是谐波电流源,25kV,负载的非线性使得系统的电压、电流波形发生畸变,二、牵引供电系统对外部电源的要求,根据 GB/T 14549-93，电网公共连接点第h次谐波电压含有率HRUh按下式计算式中，Ih为注入电网公共连接点的总h次谐波电流，A；h为谐波次数； Sk为公共连接点的三相短路容量，MVA；UN和UL分别为公共连接点的额定相电压和线电压，kV。,
