1 电力系统基本概念

电气化铁道牵引供电系统西南交通大学电气工程学院本课程特点、前修与后续课程特点电气工程及其自动化专业本科的一门专业课程牵引供电系统的科研、设计、运行管理的理论与技术基础前修课程高等数学、电路分析、电力系统分析后续课程牵引供电系统继电保护电气化铁道供变电工程等参考教材曹建猷著，电气化铁道供电系统，中国铁道出版社，1993电气化铁道设计手册牵引供电系统，中国铁道出版社，1988韩祯祥主编，电力系统分析，浙江大学出版社,1997.12第2版简克良主编，电力系统分析，西南交通大学出版社,1993.12一、电力系统简介电力系统构成简图G~M~电力网电力系统动力系统水（汽）轮机及发电机升压变压器输电线路降压变压器用户用电设备M~第一章绪论§1-1电力系统基本概念电力系统：由发电机、变压器、输电线路以及用电设备（或生产、输送、分配和消耗电能的各种电气设备）按照一定规律连接而成的系统。发电机把机械能转化为电能，电能经过变压器、变流器和电力线路输送并分配到用户。发电厂：生产电能变(配)电所：变压或分配电能输配电线路：输送电能用户：消耗电能动力系统：电力系统+发电厂的动力部分（发电厂的动力部分，如火电厂的锅炉、汽轮机、热力网和用热设备，水电厂的水轮机和水库，核电厂的核反应堆和汽轮机)电力网：电力系统中除发电机和用电设备外的部分，由变压器和不同电压等级输电线路组成的网络。电力网是电力系统的一个组成部分，而电力系统又是动力系统的一个组成部分。电力系统运行特点电能不能大量存储：电能的生产、变换、输送、分配和使用必须同时进行过渡过程十分短暂：要求自动化控制程度高对社会生活、政治和国民经济影响巨大电力系统基本任务按电力用户的种类及要求供电的连续性，一般将用户分成三级：一级负荷、二级负荷和三级负荷。为用户提供充足、可靠和具有良好电能质量的电能保证电力系统安全（secure)、稳定(stable)、可靠（reliable)和经济(economical)运行电能质量指标电能质量国家标准电能质量供电电压允许偏差GB12325—90电压允许波动和闪变GB12326—2000电能质量电力系统频率允许偏差GB/T15945—1995电能质量公用电网谐波GB/T14549-1993电能质量三相电压允许不平衡度GB/T15543-1995中华人民共和国国家标准名称允许限值说明电压允许偏差35kV及以上为正负偏差绝对值之和不超过10%；10kV及以下三相供电为7%；220V单相供电为+7%，-10%衡量点为供用电产权分界处或电能计量点电压允许波动和闪变1．电压波动：10kV及以下2.5%;35kV~110kV为2%；220kV及以上1.6%2．闪变V10：对照明要求较高,0.4%(推荐值);一般照明负荷,0.6%(推荐值)衡量点为电网公共连接点(PCC)，取实测95%概率值；给出闪变电压限值和频度的关系曲线，可以根据电压波动曲线查得允许值，并给出算例；对测量方法和测量仪器作出基本规定电压允许不平衡度正常允许2%，短时不超过4%；每个用户一般不得超过1.3%各级电压要求一样；衡量点为PCC，取实测95%概率值或日累计超标不超过72min，且每30min中超标不超过5min；对测量方法和测量仪器作出规定；提供不平衡度算法•电压：频率：额定频率：50Hz（国外：50或60Hz）频率偏差：±0.2Hz（≥3000MW系统）±0.5Hz（＜3000MW系统）国外：±(0.1~0.2)Hz或±0.5Hz波形：质量标准：正弦波电压和电流谐波的危害与抑制电压等级电压波形畸变率极限值0.38kV5%6-10kV4%35-60kV3%110kV以上2%二、电力系统元件参数和短路容量•发电机铭牌参数：额定(线)电压Ue（kV）三相额定容量Se（MVA）次暂态电抗的标幺值Xd%发电机电抗的有效值为2%100dedeXUXS•变压器双绕组变压器铭牌参数：额定容量Se（MVA）额定线电压Ue（kV）短路电压百分比Ud%空载电流百分值I0%三相有功空载损耗P0（kW）短路损耗功率Pk（kW）则变压器阻抗为2%100debeUUXS21000keePURS302100mePGU20%100emeIUBS三绕组变压器的短路电压百分值：Ud1-2%Ud2-3%Ud3-1%变压器电抗百分值按下式计算：1121323212231332313121%%%21%%%21%%%2ddddddddddddUUUUUUUUUUUU•输电线参数：每公里电抗Z’（Ω）电网线电压Ue（kV）线路长度L（km）输电线阻抗参数为需要涉及对地导纳时，要将大地影响考虑进去。'ZZL•短路容量电力系统短路容量是选择牵引变电所110kV开关设备所必须的，它也是估计电力系统负荷能力的重要依据。基准容量Sj电力系统到牵引变电所进线点的总电抗标么值X*∑电力系统在牵引变电所进线点短路时短路容量为*MVAjSSX已知系统短路容量S〃从牵引变电所看进电力系统的总电抗标值*jSXS电力系统的短路容量同电力系统的发电容量有关，还同负载点所在地点有关。一般电力系统的发电容量越大，短路容量越大；负载点距离电力系统电源越远，短路容量越小。•电力系统数学模型在已知电力系统各元件的参数和等值电路的基础上，按照它们的电气连接关系互连起来构成电力系统的等值电路。电压等级的归算问题：元件在不同电压等级下所显现的电气参数值不同，所以不同电压等级的等值电路不能直接连接，必须归算在同一电压等级下。2'12nXXKKK'12nUUKKK'12/nIIKKKK1、K2、…、Kn为基准级与待归算级之间所有变压器变比一、电气化铁路的组成电气化铁路的牵引动力是电力机车，它本身不带能源(非自己性)，必须从外部电源和牵引供电系统获得电能。电气化铁路除了一般的铁路线路、车站、通讯、信号等设施外，还包括特殊的牵引供电系统、电力机车以及相应的运行、维修和管理单位(供电段、电力机务段、电力调度及其主管部门)。§1-2牵引供电系统概述二、我国电气化铁路发展概况现代电力牵引都以公用电网配电，实质上是取用经变换的单相电。在我国，矿山电力牵引，城市电车和地下铁道或轻轨交通都采用直流制，电压从450V到3000V不等，电气化铁道都采用工频（50Hz），额定电压为27.5kV或2×27.5kV的单相交流制。低频单相交流制:目前已不采用1.电流制与额定电压根据电流形式：216Hz,25Hz3直流制:主要用于城市轨道交通额定电压有1500V和750V交流制:工频单相交流制:主要用于大运量、重载的铁路运输额定电压为25kV，广泛采用2.电气化铁路线路和里程国外:1881年巴黎出现有轨电车1895年美国直流制电车600V1906年美国低频单相交流制1932年匈牙利工频单相交流制我国：1961年第一条电气化铁路宝凤线(宝鸡—凤州)逐步发展，重载列车京秦线准高速广深线200km/h高速秦沈线300km/h3.牵引供电系统设施的发展(1)牵引供电系统向电力机车供电的方式直接供电方式(DF)带回流线的直接供电方式(DN)自耦变压器供电方式(AT)吸流变压器供电方式(BT)(2)牵引变电所主变压器的主结线型式YN,d11接线—广泛应用于DF和BT方式单相V,V接线斯科特(Scoot)—广泛应用于AT方式YN,d11,d1三相结线等等。(3)断路器：少油、多油、SF6、真空断路器。(4)继电保护(5)接触网悬挂方式(6)调度方式(7)检测技术三、电气化铁路的优越性与存在的问题1.优越性：重载、快速、大容(运)量节约能源、经济效益好无污染2.存在的问题：对电力系统的负序影响对电力系统的谐波影响对沿线通信线路有干扰四、牵引供电系统的构成牵引变电所发电厂或变电所输电线电力系统与输电线为电气化铁道提供高压电源，其电压一般不低于110kV。电气化铁道的牵引负荷是一级负荷，故要求电源有足够的容量和较高的可靠度。牵引变电所将电力系统供应的电能转变为适于电力牵引及其供电方式的电能，其核心元件是牵引变压器，并常常有备用。牵引网由馈（电）线、接触网、轨（地）、回流线等组成，是牵引供电网（回路），完成对电力机车的送电任务。馈线:接在牵引变电所牵引母线和接触网之间的导线，即将电能由牵引变电所引向电气化铁路；接触网:一种特殊的输电线，架设在铁路上方，机车受电后与其磨擦受电；轨:支持列车运行，又是导线，由于轨与地都是非绝缘的，故通常轨地一起接受机车的牵引电流；回流线:牵引变电所处的横向回流线，它将轨或与轨平行的其他导线与牵引变压器指定端子相联，与馈线一起组成牵引端口的数端子线。分相绝缘器（电分相）串在接触网上，目的是把两相不同的供电区分开，并使机车光滑过渡，主要用在牵引变电所出口处和分区处。分段绝缘器（电分段）分为纵向电分段和横向电分段，前者用线路接触网上，后者用于站场各条接触网之间。通过其上的隔离开关将有关接触网进行电气连通或断开，以保证供电的可靠性、灵活性和缩小停电范围等。电力机车将通过牵引电机及其变换和控制机构，将电能转化为可用机械能，牵引列车运行。供电分区正常供电时，由牵引变电所馈线到接触网末端的一段供电线路，也称为供电区。五、一次系统的供电方式一次系统的供电方式是指电力系统与牵引供电系统的供电网（输电线）的联结方式，它取决于牵引负荷的用电等级和电力系统的情况。《铁路电力牵引供电设计规范TBJ9-85》规定“电力牵引为一级负荷，牵引变电所应有两路电源供电；当任一路故障时，另一路应能正常供电”。其中两路电源可来自不同的地区变电所或同一地区变电所的不同母线或母线分段。原则：供电可靠性、电源容量及经济性环形供电牵引变电所在高压侧与一次系统联成环形网。优点：供电可靠性好缺点：成本较高区域变电所或发电厂区域变电所或发电厂牵引变电所牵引变电所双侧供电电源来自电力系统的两个地区变电所，给铁路供电的输电线是联络这两个地区变电所的通路。单路输电线方式、双路输电线方式单路输电线方式比双路输电线方式投资省，但双路输电线方式比单路输电线方式可靠性更好。输电线牵引变电所牵引变电所单侧供电单侧供电是由一个地区变电所给数个牵引变电所供电，为保证供电可靠性，应采用双路（或双回）输电线。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，而投资不会比环形供电方式和单路输电线双侧供电方式少。输电线牵引变电所牵引变电所散射供电当各牵引变电所离开电源差不多等距并且比单边供电更经济时，可采用散射供电方式。区域变电所或发电厂牵引变电所国内现行电网模式中，有更高一级电网时，往往不再使低一级电网结环运行。因此，在目前220kV及更高系统逐步形成之情况下，当采用110kV系统给铁道牵引供电时，就较少采用环形方式，双侧供电等方式，而多用单侧供电方式或带有备用开关的双侧供电方式及环形供电方式等。实际电力系统的电源与牵引变电所的布局是各式各样的，相对一条电气化铁道来说，一次系统的供电方式也往往是这样的。六、牵引网的供电方式与供电回路按分区运行状态的分类（1）单边供电各供电所相互独立，机车只从相关的某个牵引变电所取电。对于两个异相牵引端口的牵引变电所，通常在牵引变电所出口两馈线相连的接触网上和分区的接触网上设分相绝缘器。当某一牵引变电所因故障失电时，可将两端分区亭的开关合上进行越区供电。单线区段的单边供电复线区段的单边供电上、下行独立供电全并联供电末端并联供电（又称串联供电），我国广泛采用（2）双边供电机车由相邻的两个变电所供电，由与分相绝缘器并联的断路器合闸而实现的。当一供电臂故障时，如保证另一臂正常供电，则需通过继电保护自动将断路器打开，以缩小故障区域；当接触网停电维修时，也需要（通过远动）进行断路器分合操作。因此，双边供电时，两相邻牵引变电所之间要设置分区所。单线区段的双边供电复线区段的双边供电双边供电的优点是机车的电流来自两个以上的供电点，减轻了牵引网输送电能的负担，网上压损和能损都能减少，网压水平也由此改善。双边供电还能减轻对沿线的电磁感抗