供电方式分析

供电方式分析GB12325—90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。供电电压允许偏差：（1）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%；（2）10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%；（3）220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%、-10%。牵引供电系统对外部电源的要求1）电压水平对外部电源短路容量的要求说明：1电压偏差按以下公式计算2标准中“供电电压”指的是：•供电部门与用户的产权分界处的电压；•或由供用电协议所规定的电能计量点的电压。对于电气化铁路牵引变电所，“供电电压”指110kV或220kV母线电压。（％）额定电压实测电压－额定电压电压偏差（％）＝100计算到负荷端口，系统电压损失表达式如下式中，x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，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。)(/)(sincosVUQxUxQrPxIrIUNN上的压损忽略电阻按三相负荷，将上式变化一下，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为负荷三相变压器容量，kVA；负荷功率因数角。)(sin1000)(sinsin)3(sin)3(sin2kVSSUVSSUIUSUISUxIUTkNTkNNkNkN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为负荷三相变压器容量，kVA；负荷功率因数角。(%)10sin100'kTNSSUUU上式表明，可以通过以下两条途径，来保证供电电压偏差满足国家标准要求：（等值电路解释；措施）（1）电网中传输的无功功率尽可能小；（2）负荷端口的系统三相短路容量尽可能地大。系统短路容量与发电容量和负载点所在地点有关。发电容量越大，短路容量越大；负载点距离电力系统电源越近，即电压等级越高，短路容量也越大。由此可见，维持良好的供电电压水平，取决于供电部门和电力用户双方的共同努力。通常认为，高一级电网的供电能力较强。2005年对国内南方某城市电网20个110kV变电站、70个220kV变电站的短路容量调查，结果如下：（1）110kV的短路容量：878.04MVA-3891.21MVA（2）220kV的短路容量：1715.73MVA-7697.7MVA2006年对国内华北某电网4个110kV变电站、10个220kV变电站的短路容量调查，结果如下：（1）110kV的短路容量：439.6MVA、1315.8MVA、1007.5MVA、3077MVA；（2）220kV的短路容量：3726.7MVA~17422.4MVA我国边远地区电气化铁路目前面临的问题是电网短路容量偏小，供电能力较弱。电网短路容量偏小意味着系统发电容量偏小或电源距负荷中心偏远。国外专家通常认为，电网公共连接点短路容量不足用户容量的30倍时，可以视其为小电网，小电网常见的电能质量问题之一就是供电电压偏差较大。在弱小电网中，牵引负荷可能引起电网电压较大的偏差和波动。相对西部而言，我国东部经济发达地区的电网较为强大，京沪电铁北京、上海段牵引变电所110kV接入点的系统三相短路容量如下表所示相比而言，发达国家电网供电能力较强，韩国电铁接入系统的短路容量如下表所示，国外部分客运专线对接入系统提出了9000MVA短路容量的要求。韩国电铁接入系统的短路容量韩国电力变电所短路容量(MVA)高速铁路变电所陵谷10,140高阳一洞8,418安山秋八4,003平泽清原12,286新清州沃川7,504沃川金泉4,325金泉凡川7,611釜山韩国电力系统最高电压354kV，下一级是154kV，没有220kV的电压等级。由于354kV不能直接给用户供电，所以电铁的电力系统接入电压等级为154kV，但其系统短路容量很大。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。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19kV，要求的系统短路容量如下表所示需要强调的是，增大系统短路容量，能够减少的是电力系统电压损失，而牵引供电系统电压损失与电网短路容量无关。为保证接触网的电压变化在允许值以内，可以考虑选择牵引变压器的短路电压为8%，而不是通常的10.5%。世界主要高速铁路国家电铁供电电源电压等级国名铁路名称最高速度(km/h)供电电压(kV)附注日本东海道新干线300275个别站154kV山阳新干线300275个别站154kV北陆新干线300275东北新干线260275个别站154kV上越新干线275275法国巴黎－里昂3002251个站400kV巴黎－图尔3002251个站400kV巴黎－加莱3002251个站400kV里昂－瓦朗斯300225瓦朗斯－马赛350225巴黎－斯特拉斯堡3502251个站400kV世界主要高速铁路国家电铁供电电源电压等级西班牙马德里－塞维利亚2502203个站132kV，短路容量不小于2000MVA马德里－巴塞罗那3504003个站220kV德国德国高速铁路最高速度330km/h，采用由铁路自建电网供电。供电制式为15kV、16又2/3Hz，采用独特的同相供电方式，牵引站间隔约为普通不同相供电方式的1/3，牵引变压器容量一般为2×15MVA。牵引站外部电源采用110kV，系统短路容量不小于1000MVA。•2）负序对外部电源短路容量的要求•大功率单相负荷对系统的冲击，要求系统有足够的承受能力。采用单相牵引变压器的负序功率等于牵引负荷功率。•GB/T155431995三相电压允许不平衡度•电力系统公共连接点处的电压不平衡度应满足国家标准（GB/T15543-95）的要求，正常电压不平衡度允许值为2％，短时不得超过4％，每个用户一般不超过1.3％。正、负、零序电压、电流计算如下式所示ojCBACBAeaaIIIaaaaIIIUUUaaaaUUU1202221022210,1111131,1111131为算子式中根据GB/T155431995，电网公共连接点的三相电压不平衡度按下式计算式中，I2为注入电网公共连接点的A相负序电流，A；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。(%)10310)3(310)3(1001000/)(10010022222212kLkNNkNNNuSUISUIUISUUxIUUUU根据以上公式，可以导出式中，Sk为公共连接点的三相短路容量，MVA；S2为负荷的负序容量，MVA；U为公共连接点的三相电压不平衡度允许值，％。选择不同的U允许值，可求得最小的系统三相短路容量对负荷负序容量的倍数Sk/S2。uLkkUISSS100322以上分析表明，如果三相不平衡负荷较小，即I2足够小，或系统较强大，即三相短路容量Sk足够大，都可以将三相电压不平衡度控制在国标规定的范围内。在同样牵引负荷条件下，进入高一级电网，例如220kV系统，由于电网供电能力的提高，三相电压不平衡问题能够得以缓解。同样的牵引负荷，在不同的110kV电网中，三相电压不平衡程度不同，较强电网的情况往往较好。根据GB/T14549-93，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。(%)10310)3(310)3(1001000/)(1002khLkhNNhkNNhhNhhShIUShIUUISUhUIxUUHRU3）谐波对外部电源短路容量的要求上式表明，如果非线性负荷较小，即Ih足够小，或系统三相短路容量Sk足够大，都可以将谐波电压控制在国标规定的范围内。在同样牵引负荷条件下，进入高一级电网，例如220kV系统，由于电网供电能力的提高，有助于改善谐波状况。同样的牵引负荷在不同的电网中，谐波表现不同，在较强电网，情况往往较好。牵引网供电方式比较•目前单相工频25kV牵引网供电方式主要有:•1、直接供电方式(TR)•2、BT(吸流变压器)供电方式•3、带回流线的直接供电方式(TRNF)•4、AT(自耦变压器)供电方式•直接供电方式(TR)27.5kV电力机车接触网AC钢轨CT牵引电流通过电力机车后直接从钢轨或大地返回牵引变电所。结构简单，投资最少，维护费用低。在负荷电流较大的情况下，钢轨电位高；对弱电系统的电磁干扰较大27.5kV接触网ACCT电力机车N钢轨回流线吸流变压器吸流变压器•BT(吸流变压器)供电方式在接触网和回流线中串接吸流变压器，让牵引电流通过电力机车后从回流线返回牵引变电所。电磁兼容性能好，对周围环境影响小，钢轨电位低27.5kV接触网ACCT电力机车N钢轨回流线吸流变压器吸流变压器•BT(吸流变压器)供电方式接触网中串接吸流变压器，牵引网阻抗增大，供电臂压降增大，牵引变电所的供电距离缩短使一个供电臂的接触导线分成很多段，大大影响高速列车运行的安全性及列车速度27.5kV接触网ACCT电力机车N钢轨回流线•带回流线的直接供电方式(TRNF)牵引电流通过电力机车后部分从回流线返回牵引变电所，部分从钢轨地返回。兼有直接供电方式结构简单，投资和维修量小、供电可靠性高等优点相对直接供电方式，钢轨电位和对通信线路的干扰有所改善。钢轨电位降低；牵引网阻抗降低，供电距离增长；对弱电系统的电磁干扰减小相对BT方式，结构简单，投资少，维护费用低；牵引网阻抗减小，供电距离增长55kV接触网ACCF电力机车T钢轨正馈线•AT(自耦变压器)供电方式牵引电流通过电力机车后从正馈线返回。供电电压提高，更能适应大功率负荷的供电，功率输送能力强，供电距离远，可减少牵引变电所数量，减少电分相数目，机车通过分相中性段短时失电产生的速度和功率损失得到降低；有效降低对通讯线路的干扰;。AT供电方式接触网结构复杂，供变电设施较多，运营维护难度较大牵引网供电方式的比较•①2×25kV系统，供电电压比直供方式高一倍，电压损失降为1/4，牵引网单位阻抗约为直供方式的1/4（实际略高），电能损失小，显示了良好的供电特性；•②牵引变电所的间距大，易选址，减少了外部电源的工程数量和投资；•③减少了电分相数量，有利于列车的高速运行；•④牵引网回路是平衡回路，防干扰效果，可改善电磁环境，并减少防干扰费用；1)AT供电方式特点牵引网供电方式的比较⑤牵引网系统需设正馈线，较一般直供方式复杂，但在重负荷区段不必设加强导线，可与直供方式相当；变电系统较直供方式减少了牵引变电所的数量，但需设AT所，一般ＡＴ间距为10~20km，开关设备需用双极；⑥牵引网结构复杂，导线数量多，对跨线建筑物和隧道净空要求高，投资较大，保护和维护难度较大1)AT供电方式特点•①1×25kV系统，变电设施较为简单，接触网在一般情况下（重负荷除外）也比较简单，但在接触网使用加强导线的情况下，牵引网结构已与AT供电方式相当；•③在牵引网的电压损失和电能损失方面较AT供电方式为大；•②牵引变电所的间距较小，增加了电分相数量，外部电源的工程数量和投资较大；牵引网供电方式的比较2)带回流线的直接供电方式牵引网供电方式的比较•④牵引网回路不完全是平衡回路，防干扰性能较差，需增加防干扰费用；•⑥供电回路结构简单，运行可靠，投资和维修量低；•⑤适用于防干扰