电力牵引供电系统

第一章电力牵引供电系统参考教材曹建猷主编，电气化铁道供电系统，中国铁道出版社华东交通大学电气与电子工程学院程宏波要求：掌握§1-1电力系统术语电力系统PowerSystem生产、输送、分配、消费电能的发电机、变压器、电力线路、各种用电设备联系在一起组成的统一体。动力系统与电力系统动力部分：火电站的锅炉、汽轮机；水电站的水库、水轮机；热电站的热力网等。动力系统（DynamicSystem）：电力系统和“动力部分”的总和电力系统单线示意图：G～发电机输电线路降压变压器发电厂配电系统负荷BLB升压变压器F火力发电厂水力发电厂§1-2电力牵引供电系统制式与基本内容1.电流制与额定电压根据电流形式：HzHz25,3216（1）直流制:主要用于城市轨道交通，额定电压有1500V和750V、3000V或6000V。（2）交流制低频单相交流制:()目前已不采用，额定电压15KV。工频(50HZ)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、电力牵引供电系统主要内容(一)电力系统及牵引供电系统概述(二)牵引变电所主变压器的结线方式(三)供电方式和供电回路(四)牵引网对通信线路的影响电力牵引系统electrictractionsystem：1、电力牵引供电系统electrictractionsupplysystem—保证实现电力牵引方式且能够安全可靠的、不间断工作的电力供应系统（1）牵引变电所tractionsubstation（2）牵引网tractionnetwork①馈电线feederline②接触网overheadcontactline③钢轨及回流线rail,negativefeeder2、电力机车electriclocomotive§1-3交流电力牵引系统概述G电力系统(发电厂）输电线牵引变电所电力机车接触网馈电线回流线钢轨、地3、电力牵引系统组成原理图电力牵引系统§1-4直流牵引供电系统概述Ⓘ基本结构发电厂升压变压器升压变压器输电线路接触网馈线回流线走行轨道主降压变电站直流牵引变电所发电厂G电力系统(发电厂）输电线直流牵引变电所接触网馈电线回流线电动车辆走行轨主（降压）变电站电力地铁或者表示为：§1-5电力系统与电力牵引供电系统一、构成1.电力系统—是一个包括发电厂、输电(线)、变电、配电、用电装置的完整工作系统。发电机升压变压器降压变压器输电线路用户发电厂配电系统GTMTML接触网馈线27.5kV回流线牵引变电所钢轨110kV专用高压输电线路(牵引)供电系统电气化铁道供电系统2、电力牵引供电系统的组成部分与作用（1）牵引变电所:把电力系统供应的电能变换成适合电力机车牵引要求的电能。（2）馈电线:连接牵引变电所和接触网的导线。它将牵引变电所变换后的电能送到接触网。（3）接触网:是一种悬挂在轨道上方，沿轨道铺设的和铁路钢轨保持一定高度，牵引电能就由接触网进入电动车组，从而驱动牵引电动机使列车运行。（4）轨道:在非电牵引情形下只作为列车的导轨。在电力牵引时，轨道除仍具有导轨功能外，还需要完成导通回流的任务。因此，电力牵引的轨道，需要具有良好的导电性能。（5）回流线:是连接轨道和牵引变电所的导线。通过回流线把轨道中的回路电流导入牵引变电所的主变压器。•牵引网:通常将接触网、馈电线、钢轨回路(包括大地)和回流线称为牵引网。牵引变电所和牵引网构成牵引供电系统。专用高压输电线路和牵引供电系统称为电气铁路供电系统。3、牵引供电系统的其他供电设备（1）、开闭所—sub-feederswitchingpost：指不进行电压变换而用开关设备实现电路开闭的配电所。位置：设在车站、货场附近、电力机务段、枢纽站等大宗负荷处。作用：将供电臂分段，事故时缩小事故范围，提高供电的可靠性、灵活性；减少变电所的复杂性；不改变电压大小，只扩大馈线回路数，相当于配电所。（2）、分区亭（SP，分区所）—sectionpost：设置于两个牵引变电所的中间，可使两相邻的接触网供电区段实现并联或单独工作。位置：设在两个牵引变电所中间，增加供电的灵活性、可靠性作用：分相；越区供电；缩小事故的范围（3）、自耦变压器站（AT所）—autotransformerpost二、牵引变电所一次侧的供电方式(1)单边供电：电能由一个方向送来1C2C3C1A1B2B2A3A3B110kV35kV(2)两边供电：就是牵引变电所的电能由电力系统中两个方向的发电厂送来。GGCBA1A2D1D2(3)环形供电：若干个发电厂、地方变电所通过高压输电线连接成环形的电力系统，牵引变电所处于环形电力系统的一段环路之中。GGCBA1A2D1D2三、牵引供电系统的构成方式(1)牵引供电系统向接触网的供电方式Ⅰ、单线区段①一边供电②两边供电Ⅱ、双线区段①同相一边并联供电②同相一边分开供电③双边纽结供电(2)牵引供电系统向电力机车的供电方式•直接供电方式(DF)Directfeed•带回流线的直接供电方式(DN供电方式)•自耦变压器供电方式(AT供电方式)Auto-Transformer•吸流变压器供电方式(BT供电方式)Booster-Transformer•同轴电力电缆供电方式（CC）Coaxialcable(3)牵引变电所主变压器的主结线型式•YN,d11三相接线—广泛应用于DF和BT方式•单相V,V接线•斯科特(Scott)—广泛应用于AT方式•阻抗匹配平衡变压器接线•非阻抗匹配平衡变压器接线§1-6牵引变电所一、概述我国现行的牵引变电所供电方式绝大多数为三相-两相制式。对于三相YN,d11或V,v接线的牵引变电所，次边两相电压的相别是原边三个相(或线)电压三中取二的某种组合；而对于平衡变压器，经变压器的变换，次边形成大小相等而相位相互垂直的两相电压。从广义角度上讲，牵引变压器原次边之间除了有电压的变换外，还有电流和阻抗变换，可称为系统变换。通过这种变换，可以获得变换到一次侧的牵引变压器、牵引负荷的等值电路模型，或变换到二次侧的电力系统、牵引变压器的等值电路模型。二、三相YN,d11接线牵引变电所目前在三相牵引变电所中大多采用的是110KV油浸风冷式变压器，该牵引变压器的接线采用YN,d11标准联结组。1.原理电路图及展开图a.原理电路图ABC**(A)(X)(B)(Y)(C)(Z)(a)(b)(c)(x)(y)(z)接供电臂接供电臂（）内符号表示端子号，大写为原边，小写为次边其中绕组(ax)，(by)为负荷相绕组；绕组(cz)为自由相绕组b.展开图为分析的直观与方便，更常见使用YN,d11接线牵引变压器的展开图。画展开图有如下约定：(1)为施工和运行安全起见，统一规定次边绕组的(c)端子接钢轨和地；(2)原、次边对应绕组相互平行；(3)原、次边每相绕组的同名端放在同一侧；由此，先画次边，后画原边，可作出展开图。(4)画成“，”形式(A)(B)(C)*(a)*(b)(c)如约定次边绕组的(a)端子放在图左边，(b)端子放在图右边，则得展开图(图1),反之则得展开图(图2)(A)(B)(C)*(a)*(b)(c)图1(A)(B)(C)**(a)(b)(c)图2简单讲就是：对于原边：电压U首端为正尾端为负；电流I首端流入，尾端流出。对于次边：电压U首端为正尾端为负；电流I首端流出，尾端流入。2.电压、电流相量的规格化定向在牵引供电系统分析中，对所有牵引变压器均采用规格化定向。规格化定向的具体含义：(1)原边绕组电压、电流采用电动机惯例定向，即牵引变压器从电力系统吸收电能。(2)次边绕组电压、电流采用发电机惯例定向，即牵引变压器是次边负荷的电源。(3)负荷吸收正功率。就某一YN,d11接线牵引变电所而言，规格化定向还应注意以下两条：(1)原边绕组电压与实际进线电压相别一致；(2)次边绕组按同名端与原边绕组电压一致；通常，完成电压定向后(先原边，后次边)，先标次边电流，再标原边电流。这种方法不仅方便于单个变电所的电气分析，也方便多个变电所的相量图和相量分析。下标确定原则：(1)电流、电压相量的下标表示其实际相别，与绕组端子号无关。(2)臂负荷的电压相别与其对应的工作绕组相别一致。AIBICIAU+-BUCUcIaIbI+-cUaU*La*ABCLbbU*Ua*Uc*UbbUa*cUb*aUc*aUc**Ia*Ib36.9’60’*UacbUa*次边电压、电流相量图：(以为参考相量)bcU由图知Ib滞后Ia60度角*Ubc(A)(B)(C)(a)(b)(c)*Ia*Ib*31Ib*31Ia*31Ib*32Ia*31Ia*32Ib（1）当只有Ib流通时，bc绕组中的电流为，而ca与ab绕组电流为*32Ib*31Ib（2）当只有Ia流通时，ca绕组中的电流为，而ca与ab绕组电流为*32Ia*31Ia（3）同时流通时，各电流应叠加处理。babcbaabbacaIIIIIIIII323131313132(A)(B)(C)(a)(b)(c)*Ia*Ib*31Ib*31Ia*31Ib*32Ia*31Ia*32Ib（3）同时流通时，各绕组电流应叠加处理。(A)(B)(C)(a)(b)(c)*Ia*Ib*31Ib*31Ia*31Ib*32Ia*31Ia*32Ib如设变压器变比为k,则两侧绕组的匝数比k’=k/可以建立一次侧三相电流与牵引侧馈线电流的变换关系式为：3**'1IcakIA**'1IabkIB**'1IbckIC***从而得出三相电力系统的电流不对称给出几个结论：(当两负荷端口电流大小相等时):(1)两负荷相绕组电流相等，等于供电臂负荷电流的2.65/3；(2)自由相绕组电流是两负荷相绕组电流的1/2.65，即0.378倍，等于供电臂负荷电流的1/3。(3)两负荷相绕组称为重负荷相绕组(又称臂绕组或接地相绕组)，自由相绕组称为轻负荷相绕组(又称非接地相绕组)。•YN,d11变压器额定利用率•变压器额定利用率K定义为：•K=(额定输出容量/额定容量)*100%•以归算到负荷端口的等值电路模型为例，K=75.6%三、单相牵引变电所单相牵引变电所纯单相牵引变电所V,v接线牵引变电所abcABC牵引变电所装设两台单相结线牵引变压器，作V,v接线。V,v接线牵引变压器原边接入电力系统的两个线电压。次边各有一端分别接到牵引侧的两相母线上，各有另一端与轨道及接地网连接。1.原、次边电流关系ABCAIBICIABIBCIabIbcIabUbcUbcTBCCbcabTBCABBabTABAbcTBCabTABIKIIIIKIIIIKIIIKIIKI1)(1)(1112.额定利用率当Iab=Ibc=Ie时，额定输出容量：S=IabUe+IbcUe=2UeIe额定容量：S=2UeIe所以，K=100%3.跨相供电当一台变压器因故停电时，另一台变压器必须跨相供电，即兼供左右两边供电分区的牵引网。四、三相--两相牵引变电所1.概述：这种牵引变电所中变压器为三相—两相平衡变压器。在电力系统中对称和平衡是有区别的：平衡“0序”，即无“0序分量”称为平衡，否则为不平衡对称“负序”，即无“负序分量”称为对称，否则为不对称而电气化铁道牵引负荷通过特定接线的牵引变压器不会在电力系统中产生“0序分量”，但通常都会造成负序分量。因此，从三相系统看，牵引负荷是平衡而不对称的。也正因为这个特点，电气化铁道正常运行时不考虑“0序”，只考虑负序，又把对称变压器称为平衡变压器，目的都是消除或削弱负序。•由两台单相变压器构成。•变压器的原边绕组联成倒T形接入三相电力系统，副边绕组联成相位差为90°的V形，公共端接地和钢轨，两个开口端分别接入接触网相邻的两区段，相邻两接触网对地电压相位不同，故相邻两接触网区段必须用分相绝缘器断开。2.Scott变压器结线牵引变电所ABC**AIBICI1ω2ω1ω2ωDβIαIβUαU(M)(T)(1)原、次边电压关系及变比关系ABC