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1、2012 春电气化铁道供电系统学习指导第一章 电力系统与牵引供电系统电力系统：电能的生产、输送、分配和使用组成了一个系统，称为电力系统，主要由发电厂、电力网、电能用户组成。电力网的任务是将电能从发电厂输送和分配到电能用户。电力网由各种电压等级的输、配电线路和变（配）电站（所）组成。按其功能常分为输电网和配电网两大部分。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。牵引变电所进线电源电压等级主要为 110kV，少量采用 220kV。牵引供电系统与一般供电系统相比，具有以下明显特点：(1) 所供负载是一个单相、移动而且是直流
2、的负载。(2) 供电额定电压为 27.5kV(BT)和 55kV(AT)，不同于国家电网规定的额定电压。(3) 供电网不同于电力网，它是通过与电力机车接触而供电，因此又叫接触网。(4) 具有独特的回流通路(架空回流、轨回流和地回流 )。广义牵引供电系统由：电力系统、牵引变电所、牵引网(接触网、供电线、吸回装置) 、电力机车。狭义的牵引供电系统通常只指牵引变电所和牵引网 2 大部分。牵引供电系统的 4 种电流制：（1）直流制(1500V) ，主要用于地铁、矿山等。（2）低频单相交流制（3）三相交流制（4）工频单相交流制(27.5KV)，我国电气化铁路均采用这种制式。牵引变电所的 4 种一次供电方
3、式：（1）一边供电（2）两边供电（3）环形供电（4）辐射供电。单侧供电方式的可靠性一般比双侧供电方式和环形供电方式要差。牵引变电所向接触网供电的供电方式：单边供电与双边供电。第二章 牵引变压器及其结线基本知识三相牵引变压器均为双绕组油浸变压器。国家标准规定三种形式为标准接线，即Y/d11，Y/yn12，YN/d11。牵引变电所采用其中 YN/d11 接线，原边电压 110KV(220KV)，副边电压27.5KV。【补充知识点】：Y原边星形接线(大写)； N原边带中性点引出线y副边星形接线(小写)；n副边带中性点引出线d副边形接线；12,11为接线组别，用于表示副边电压与其对应的原边电压之间的相
4、位关系。YN/d11 型牵引变压器的两供电臂电压相位相差 60，又称 60接线。Scott 斯科特结线变压器与阻抗匹配平衡型变压器又称 90接线。两馈线之间的电压为2*27.5KV ，即分相绝缘器两端的电压较高，故应适当加强其绝缘。平衡：指对零序分量而言。即无论二次侧负荷状况如何，三相侧(系统侧) 均无零序电流，则三相侧电流为“平衡系” 。 对称：指对负序分量而言，即当二次侧两相负荷相等时，三相侧负序电流为零，即三相侧电流为“对称系”。三相对称：三相电气相量大小相等，相位互差 120。两相对称：两相电气相量大小相等，相位互差 90。第三章 牵引变电所容量计算与确定在电力牵引中，列车的运行状态有
5、三种：牵引状态、惰行状态、制动状态。其中只有牵引状态是带电运行的。变压器的计算容量、校核容量及安装容量三者计算的条件与方法均有不同。具体体现如下：（1）计算容量是按给定的计算条件求出主变压器供应牵引负荷所必须的最小容量。（2）校核容量是按列车紧密运行时供电臂的有效电流和充分利用牵引变压器的过负荷能力，所需的容量。（3）安装容量是根据计算容量和校核容量，再考虑其它因素如备用方式等，最后按变压器实际产品的规格所确定的变压器台数与容量。变压器的正常寿命是指其正常使用期限，其正常寿命是由变压器绝缘材料的老化程度决定的，而绝缘材料的老化，主要取决于运行温度、绝缘材料结构中的氧气含量、含潮率（绝缘材料中的
6、水分） 。运行温度是引起绝缘老化的最主要的因素。因此，温度对变压器的寿命起着决定性的作用。绝缘老化六度定则：油浸式变压器绕组用的电缆纸是 A 级绝缘，电缆纸在 80140范围内，温度比 98每增加 6其老化速度增加一倍；反之，比 98每降低 6其老化速度降低一倍。当采用移动备用方式时，变电所 2 台变压器是并联运行，每台承担 1/2 的牵引负荷量，当采用固定备用时，变电所 2 台变压器，其中 1 台运行，另一台备用，单台变压器承担全所的全部负荷。第四章 牵引网阻抗牵引网回路包括供电线、接触网、回流线与吸上线、钢轨与大地。牵引网阻抗与牵引网的结构、选用导线(接触导线、承力索、加强导线、回流线、A
7、T 网络的正馈线等)的型号和钢轨的类型、数量，采用的牵引网供电方式，大地导电率以及采用的防干扰措施等因素有关。牵引网阻抗是由接触网大地回路和轨道大地回路的阻抗所组成。牵引网电阻主要包括接触网的电阻、钢轨的电阻以及大地回路的电阻。牵引网回路可分成两个等值电路：一条是由牵引变电所接触网电力机车大地回路牵引变电所，这个回路的特点是在整个回路中流过的电流均为牵引电流。作用在这个回路上的电压是牵引变电所端压与电力机车弓上电压的相量差，为有源回路。另一条是轨道大地回路，是一个无源闭合回路，它可以看作是由前一条回路的互感作用形成的。第五章 短路计算短路是指电力系统中一切相与相之间或在大电流接地系统中相与地之
8、间、以及三相四线系统中相线和中性线间的不正常联接。 基本类型有：三相短路、两相短路、单相接地短路、两相接地短路和低压三相四线制系统中相线与零线之间的短路。单相接地短路发生的概率最高，达到 88.4%。带电挂接地线或未撤地线送电，带负荷操作隔离开关等人为误操作会导致严重的短路事故。短路的危害1短路电流的热效应：短路电流通常要超过正常工作电流的十几倍甚至几十倍，这将使电气设备过热，绝缘受到损伤，甚至可能把电气设备烧毁，同时还可能引起严重火灾。2.短路电流的电动力效应：供电系统发生短路时，巨大的短路电流将在电气设备中产生很大的电动力，可引起电气设备产生永久的机械变形、扭曲甚至损坏。3.短路电流将引起
9、不平衡电流，产生严重的电磁干扰。4.短路电流引起用户的电压急剧下降。5.短路故障点离发电机较近，并且短路的持续时间较长时，可能导致并列运行的发电机失去同步而解列，从而破环电力系统中各发电厂并列运行的稳定性，这是短路最严重的后果。 标么值：是指标有单位的实际值（有名值）和一个被选定的同单位的基准值（又称基值）之间的比值。两种表示方法：一种是用实际比值表示，一种是用百分数值表示。阻抗的基准标么值通常用右下角标“*”表示。 基准电压 Ud：一般选取短路计算元件所在电路的电网平均电压，比所在电路的额定电压 UN 高出 5%。基准容量 Sd：选法有两种：一种是选发电机额定容量 SN 为基准容量 Sd=S
10、N；另一种是选取Sd=100MVA。本书在分析计算中选用后一种。电力系统的电源总阻抗不超过短路电路总阻抗的 5-10，或电力系统容量超过用户供电系统容量 50 倍时，可将电力系统视为无限大容量系统。 短路后，系统将要从稳定负载运行状态过渡到另一稳定短路状态。这个过程称为暂态过程，也称为过渡过程。短路电流由周期分量与非周期分量两部分组成。牵引供电系统短路主要包括牵引变电所短路与牵引网短路两部分。第六章 牵引供电系统的电压损失铁道干线电力牵引交流电压标准GB1402铁道干线电力牵引变电所牵引侧母线上的额定电压为 27.5kV，自耦变压器供电方式为 55kV；电力机车与电动车组受电弓和接触网的额定电
11、压为 25kV，最高允许电压为 29kV；最低工作电压为20kV；非正常情况下运行时，受电弓上的电压不得低于 19kV。牵引网电压损失：牵引变电所馈出母线额定电压与电力机车受电弓电压的算术差。牵引网电压降：变电所馈出母线电压与电力机车受电弓电压的相量差。牵引网电压损失主要取决于：1-牵引网阻抗；2- 牵引电流的大小； 3-牵引电流的分布位置。改善供电臂电压水平主要方法有：(1) 提高牵引变电所母线电压。(2) 采用串联电容补偿装置。(3) 采用载流承力索或加强导线。(4) 采用合理的牵引网供电方式等。(5) 加设捷接线等。第七章 牵引供电系统的电能损失牵引供电系统的电能损失主要包括牵引变压器电
12、能损失与牵引网电能损失。牵引网的能耗与牵引负荷电流、牵引网单位电阻、车流密度(列车用电平均概率) 、供电臂的长度成正比。牵引变压器的电能损失，是指变压器的铜耗和铁耗两部分能耗。也就是指的负载损耗和空载损耗，变压器铜耗又称：负载损耗、短路损耗、电阻损耗。变压器铁耗又称：空载损耗、铁芯损耗，包括涡流损耗与磁滞损耗。牵引变压器的负载率较低，其实际负载损耗需通过额定短路损耗按负载率进行换算。变压器的负载率是副边负载电流与额定电流之比。变压器的实际负载损耗等于负载率的二次方与额定短路损耗的乘积。Iac、 Ibc、Iab 分别为变压器绕组中的平均电流，它由两个供电臂的有效电流 Ie1、Ie2 和两个供电臂
13、的平均电流 Iav1、Iav2 决定。Pk每台变压器的额定铜耗( 负载损耗) (kW)IN每台变压器 27.5kV 侧额定电流 (A)第八章 交流电气化铁道对电力系统的影响和改善措施一、负序电流对电力系统的影响(一)对电源的影响主要是对同步发电机的影响。负序电流将在发电机转子中产生附加损耗，引起额外温升。会在转子中造成脉动转矩，引起两倍同步频率的振动和额外的机械应力。(二)对用户的影响1、对感应电动机的影响负序分量将产生负序转矩，在电动机中产生制动的反力矩，直接影响了电动机的出力，从而降低运行效率。 2、对电力变压器的影响 负序电流可使变压器的容量利用率下降。另外负序电流还造成变压器的附加能量
14、损失并在变压器铁心磁路中造成附加发热。3、对输电线路的影响负序电流流过电力网时，负序功率实际上并不作功，而只造成电能损失，从而降低了电力网的输送能力。4、对继电保护的影响负序电流容易使系统中由负序分量起动的继电保护及自动装置误动作，从而增加保护的复杂性牵引供电系统主要采取哪些措施减少负序影响？简述牵引变电所换相连接的基本要求(1) 牵引变电所采用 Scott 结线或平衡型牵引变压器。(2) 牵引变电所采用换相连接的供电方式。对牵引变电所换相连接的基本要求：对称。把各牵引变电所的单相牵引负荷轮换接入电力系统的不同相，使电力系统的三相负载电流对称。除了纯单相结线牵引变电所，其他牵引变电所两相邻变电
15、所的供电分区同相，以便必要时采取越区供电，并减少接触网的分相绝缘器数量。接触网分相绝缘器两端的电压不超过接触网的对地电压。纯单相负荷在电力系统中引起的不对称程度用不对称系数表示，即式中 I1、I2 分别为正序、负序电流绝对值。在纯单相接线牵引负荷中，I1=I2，ki=1。 V/V 结线变压器当两侧牵引负荷相等时，牵引负荷在电力系统中引起的负序电流为正序电流的一半，电流不对称系数等于 0.5。功率因数低对电力系统的不利影响：(1) 电源设备的容量不能充分利用。如 S=60kVA,cos=1，则 P=60kVA，如 cos=0.8，则P=48kVA。系统容量得不到充分利用。(2) 供电线路上的能量
16、损耗和电压损耗增大。在一定电压下向负载输送一定的有功功率时，负载功率因数越低，通过线路的电流就越大，导线电阻的能量损耗和导线阻抗的电压降越大。ahkWIpANabcakk /103876.042%102Iki国家对用户功率因数作出限制。规定高压用户不低于 0.9，其他用户不低于 0.85，农业用户不低于 0.8。如达不到，则必须进行无功补偿以提高系统的功率因数。牵引变电所采用集中补偿方式。是在牵引变电所的母线上进行补偿，集中补偿方式可分为牵引侧滞后相集中补偿、牵引侧两相等容量补偿和两相不等容量补偿。并联电容无功补偿的主要作用(1) 提高功率因数。(2) 改善电力系统的电压质量，提高牵引变电所牵引侧母线电压。(减小了流过牵引变压器的电流，从而减小了电压损失)。(3) 减少电力系统的电能损失。( 电能损失与电流值的平方成正比，并联电容后减少了电力系统的供电电流。)(4) 吸收谐波电流，具有滤波作用。减少牵引供电系统谐波
