电力牵引供电系统

1、电力牵引交流传动及其控制系统报告 电力牵引供电系统电力牵引供电系统是向电力机车供给牵引用电能的系统。主要由牵引变电所和接触网组成。牵引变电所将电力系统通过高压输电线送来的电能加以降压和变流后输送给接触网，以供给沿线路行驶的电力机车。有些国家电气化铁路有时由专用发电厂供电。 电力牵引供电系统按照向电力机车提供的电流性质分为直流制和交流制，交流制又分工频单相交流制和低频单相交流制。工频指工业标准频率,即50赫或60赫;低频指低于工业标准频率的频率,应用最多的是92-01赫,即50赫的三分之一。各种电流制的电力牵引供电系统的设备有很大的差别。电流制的发展直流制应用最早，19世纪末电力牵引开始用于铁路

2、干线时，应用的就是直流制。目前在英、法、日、苏等国直流制仍然大量存在。直流制是将电力系统的三相交流电降压并变换为直流电供应接触网。接触网电压有1200伏、1500伏、3000伏等多种。由于电力机车电压受直流牵引电动机换向条件的限制，接触网电压很难大幅度提高，所以直流制须沿接触网输送大量电流，在接触网上一般须用两根铜接触导线，并应用铜承力索，另加一些平行的铝加强导线来分流，耗费有色金属量较大。另外，为了保持接触网的电压水平，沿线路每隔1030公里须设置一个牵引变电所。直流制的这些弱点，推动了交流制的研究。交流牵引供电系统 20世纪初，工频三相交流制和低频单相交流制相继出现。工频三相交流制曾在意大

3、利应用，由接触网输送三相中的两相，另一相接地。后因两相接触网结构复杂、维护困难被淘汰。低频单相交流制则在德国、瑞典、瑞士等国得到发展。这种电流制接触网电压一般为 15000伏,在电力机车上降压,使用单相整流子牵引电动机。交流制的接触网比直流制的简单得多，牵引变电所的设置间距也加长。采用低频的主要原因是整流子牵引电动机换向困难，不适宜于在工频运转。低频制需要低频电源，所以低频制电气化铁路必须建设专用低频发电厂，或者在牵引变电所将电力系统送来的工频电流降压并变换成低频电流。早年采用电动发电机组来变换频率，后来改用静止式变频器，设备比直流制复杂。单相整流子牵引电动机也不如直流牵引电动机构造简单和容易

4、维护。 1933年匈牙利曾建成一条工频单相交流制电气化铁路，接触网电压为 16000伏，电力机车上采用旋转式变相频机和三相异步电动机。这种电力机车由于构造复杂，没有得到推广。1955年，法国在电力机车上采用静止式整流器和直流牵引电动机获得成功，工频单相交流制才在各国推行开来。原来采用直流制的日本、苏联、英国、印度等国也相继采用工频单相交流制。这种交流制接触网电压一般为25000伏，接触网构造进一步简化,牵引变电所的设置间距扩大为3070公里。电力机车上静止式整流器最初应用引燃管，后来普遍采用硅半导体整流器。整流技术的进步，是工频单相交流制获得广泛应用的一个重要因素。中国铁路采用工频单相交流制,

5、定25000伏为接触网标准电压。应用硅半导体整流器的“韶山”型电力机车运行经验证明，这种电力机车维护简易，运行可靠。牵引变电所直流制牵引变电所用主变压器降压并把三相交流电变换为6相或12相,然后用整流器整流。工频单相交流制在牵引变电所只进行降压，主要设备是降压变压器，称为主变压器。牵引变电所按主变压器绕组接线方式，分为三相、单相和三相-二相牵引变电所。 三相牵引变电所它的主变压器结构与一般三相电力变压器相同,只是次边额定电压为27500伏。绕组通常采用 Y/接线。用两台主变压器并联运行。原边Y形绕组接连电力系统的高压母线,次边线绕组一端接地,另两端分别向两边的接触网供电。三相牵引变电所的优点是

6、主变压器价格低廉，配电设备简单,可在27500伏侧用电力变压器降压至 10000伏向邻近地区和铁路的三相负荷供电。缺点是主变压器容量利用率较低，三相绕组中有一相达不到额定负荷。另外，牵引变电所对电力系统形成不对称负荷，通常须将各个牵引变电所的两个重负电荷相轮换接入电力系统中的三相。中国和苏联的工频单相交流制电气化铁路大都采用三相牵引变电所。 单相牵引变电所采用单相双绕组主变压器。有两种接线方式:简单单相接线和V/V接线。V/V接线是将两台主变压器的原边接在高压母线不同的两相间，次边分别以不同的相电压向两边接触网供电。简单单相接线设备简单、经济，主变压器容量利用率高。但是由于牵引变电所对电力系统

7、构成单相负荷，即使将各个牵引变电所轮换接入电力系统中的三相，在局部系统中仍将产生大量负序电流，所以只适宜于在电力系统容量较大的地区采用单相V/V接线在电力系统中产生的负序电流和三相牵引变电所产生的相同，比简单单相接线产生的要小。这种接线也可在 27500伏侧应用降压变压器供应地区三相负荷。但是两台主变压器不是并联，操作手续和设备比较复杂。法国、英国、印度的工频单相交流制电气化铁路普遍采用单相牵引变电所，而且多采用简单单相接线。中国只在个别线路上采用单相V/V接线。 三相二相牵引变电所主变压器一般采用斯科特接线。其原边有两个绕组，匝数比为1:3,短绕组（称为高绕组）接于长绕组（称为底绕组）的中点

8、，三个出线端接高压母线的三相，形成“T”形接线。次边两个绕组输出对称二相电压，分别向两边接触网供电。斯科特接线的优点是,当两边接触网负荷相等时,主变压器从电力系统取用对称三相电流。缺点是要求特制的主变压器。另外，和简单单相接线一样,在27500伏侧不能供应地区三相负荷。三相-二相牵引变电所在日本应用最为广泛。接触网接触网是沿电气化铁路架空敷设的输电网，它和电力机车受电弓的滑动接触将牵引变电所送来的电流送给电力机车。 结构接触网主要由接触悬挂及其支柱组成。常用的有简单弹性悬挂和单链形悬挂。 简单弹性悬挂只有一根接触导线，用弹性吊弦挂在支柱上。弹性吊弦可以缓和受电弓对悬挂点的冲击。这种悬挂可适应7

9、090公里小时运行速度。接触导线弹性较好的，可适应100公里/小时以上的速度。接触导线材料具有耐磨、耐腐蚀、抗拉强度高和导电性能好等特点。多数国家主要采用铜导线和镉铜导线。中国广泛应用钢铝双金属导线。为了使接触导线有必要的张力，接触网每隔一定长度设置一个锚段，将接触导线一端下锚，另端吊挂一个载重体，称为补偿器。补偿器在季节变化引起接触导线冷缩热胀时自动上下移动，使接触导线张力保持不变。 单链形悬挂加用一根承力索，将接触导线用吊弦均匀地吊挂在承力索上。对承力索采取补偿措施的称为全补偿单链形悬挂。这种结构的优点是接触导线平直，接触悬挂弹性均匀，因此受电弓和导线有较好的接触，受流较好，适用于运行频繁

10、、运行速度较高的线路。直流制电气化铁路接触网普遍采用两根接触导线和单链形悬挂。交流制接触网采用一根接触导线和单链形悬挂或简单弹性悬挂。中国主要采用单链形悬挂，但也开始采用简单弹性悬挂。还有一种复链形(双链形、三链形)悬挂，是在单链形悬挂的承力索和接触导线之间加设一条辅助承力索,用吊弦挂在承力索上,再把接触导线挂在辅助承力索上。这种结构使接触悬挂弹性更加均匀，适应更高的运行速度。日本东海道新干线采用弹性双链形悬挂。 早期的接触网大都使用金属支柱，后来改用钢筋混凝土支柱。这种支柱省钢材，耐腐蚀，造价较低。接触悬挂挂在支柱的金属腕臂上，用定位器来固定接触导线的水平位置，使接触导线沿线路成“之”字形走

11、向，以免运行中的电力机车受电弓集中在一点被接触导线擦伤。 供电方式直流制电气化铁路接触网普遍采用两边供电方式，在相邻的两个牵引变电所供电的接触网中间设置分区亭，将接触网连通。运行中的电力机车由两边的牵引变电所同时供电。这种供电方式可降低接触网中的电能损失，减小接触网的电压降，一个牵引变电所停电时，电力机车运行不致中断。交流制电气化铁路则常采用一边供电方式，接触网在分区亭处断开，分区亭只在一边牵引变电所停电时接通，由另一边牵引变电所越区供电。防干扰设施为了减少接触网电流的电磁感应对沿线通信电路的干扰，在交流制电气化铁路邻近城镇的区段将接触网每24公里划成一个吸流分段，设置回流线和吸流变压器。这时

12、，电力机车的电流沿回流线流回牵引变电所，从而沿轨道和大地流回的电流很少。回流线和接触网的电流近似相等，方向相反，这就大大减轻了电气化铁路对沿线通信电路的干扰。这种方式的缺点是吸流变压器串接在电路中，加大了接触网阻抗。日本新建设的工频单相交流制电气化铁路采用了自耦变压器方式，沿铁路每10公里左右设置一台自耦变压器。自耦变压器中性点接地，一端接接触网，另一端接回流线，称为正馈（电）线。正馈线和接触网电流大小相等，方向相反，同样起着减小对通信电路干扰的作用。另一方面，由于接触网和正馈线之间电压为二倍接触网电压，沿接触网电压降便大大减小。直流牵引供电系统要完成一个简单地铁馈线保护系统，首先要做的就是了

13、解地铁供电系统的组成和供电方式，熟悉地铁直流牵引供电系统保护的原理和实现方式。这是后面内容的前提和基础。  2.1 城市轨道交通供电系统的组成  地铁作为城市轨道交通系统的一部分，在经济日益发展的今天，成为解决交通拥挤的重要方案。城市轨道交通采用直流供电，其供电系统一般为列车及辅助设施如照明、通风、空调、排水、通信、信号、防灾报警、自动扶梯等提供电能。城市轨道交通供电系统包括高压电源系统（即城市电网，主要给城市轨道交通提供外部电源）、牵引供电系统（为列车提供电力，由牵引变电所和接触网组成）和动力照明系统（由降压变电所和动力照明配电线路组成）。  给地铁、

14、轻轨电动列车提供电能的变电所是牵引变电所，此外，城市轨道交通供电系统的变电所还有电源变电所（或称高压变电所）、降压变电所和牵引降压（混合）变电所。外部电源系统或一次系统是从发电厂经升压、高压输电、区域变电所到主降压变电所的部分，而牵引供电系统是从主降压变电所及其以后的部分。城市轨道交通供电系统如图2.1所示。  2.2 直流牵引供电系统  电气化铁道的牵引供电系统是完成对电力机车供电的属于铁路部门管辖的装置。直流牵引供电系统包括牵引整流机组、直流牵引变电所、牵引网和电力客车组成，每一个部分可以构成一个保护单元，形成一个包含主保护、后备保护、辅助保护的体系，其中，直

15、流牵引变电所是直流牵引供电系统的核心。牵引供电系统的构成如图2.2所示。  (1) 牵引变电所  直流牵引变电所从双电源受电，整流机组变压器降压、分相，然后按一定的整流接线方式由大功率硅整流器把三相交流电变为直流电向电力列车供电。  (2) 牵引网  牵引网是沿线路铺设的为电力机车提供电能的装置，简单的牵引网包含了轨道和大地、馈电线、接触网、回流线。牵引电流从牵引变电所主变压器流出，经由馈电线、接触网供给电力机车，然后沿轨道和大地、回流线流回牵引变电所主变压器。  轨道非电力牵引情况下只作为列车导轨；电力牵引时还需完成导通回

16、流任务，是电路的一部分。 图2.1城市轨道交通供电系统图 图 2.2 直流牵引供电系统图馈电线连接牵引变电所和接触网的导线，把经牵引变电所变换成合乎牵引制式用的电能馈送给接触网。 接触网一种悬挂在轨道上方但与之保持一定距离的链形或单导线的输电网。电力机车的受电弓和接触网滑动接触取得电能。工作特点是：没有备用，无法应用备用措施，一旦接触网故障，整个供电区间全部停电；由于经常处于动态运行状态与受电器的机械作用，使接触网在这些震动、摩擦、电弧、污染等状态中发生故障的可能性较一般电力线路的故障率高很多；结构复杂，技术要求高，对接触导线的高度和拉力、定位器的坡度、接触网的弹性与均匀度都有定量要

17、求。接触网有如下要求：气候条件良好；接触网强度高、安全可靠；结构轻巧、零部件互换性强；要采取耐腐蚀和防污秽技术；接触网有较好的弹性，接触线等部位有较好的耐磨性。从结构形式可以分为接触轨式（沿走形地铁一侧平行铺设的附加第三轨）和架空式（架设在走行地铁上部的接触网，又分为地面架空式和隧道架空式）。  回流线连接导轨和牵引变电所主变压器接地相之间的导线，是将轨道、地中的回路电流导入牵引变电所。  除了以上部分外，还有分区所、开闭所。在电气化铁道上，为了提高运行的可靠性，增加供电供电工作的灵活性，在相邻两变电所供电的相邻两供电分区的分界处常用分相绝缘器断开。在单线单边供电区段，相邻

18、两供电臂之间仅设分相绝缘器和旁路隔离开关以实现临时的越区供电。开闭所即单相开关站，其中只有配电设备而无牵引变压器，仅用于接受和分配电能。有时，地铁直流牵引变电所与向车站、区间供电的降压变电所合并，形成牵引、降压混合变电所，此时，主电路结构和电气设备与一般的直流牵引变电所不同，直流牵引变电所间距仅为几千米，所以一般不设分区所和开闭所。  2.3 供电方式  2.3.1 地铁供电制式  根据IEC标准和我国相关规定，近年来各个国家和地区修建的地铁均采用两种供电制式4,5：  (1) DC750V第三轨受电制式  标称额

19、定电压为直流750V，允许电压波动范围为500V900V。地铁的传统供电方式是三轨方式，第三轨由高导电率的特殊软钢制成，沿线路平行架设于轨道的外侧，地铁车辆的受流靴与其接触受电。这种制式的历史悠久，在国内外应用较广泛，如前苏联、一些东欧国家、法国、新加坡等以及我国的北京和天津地铁就采用的这种方式。  (2) DC1500V架空接触网受电制式  标称额定电压为直流1500V，允许电压波动范围为1000V1800V。由于采用了较高的供电电压，使接触网的馈电电流降低，从而便于采用架空接触网的型式来输送电流，也相应地改善了受流环境，提高了受流质量。DC1500V架空接触有

20、柔性接触和刚性接触两种。刚性接触的主要优点是：刚性汇流排和接触线轴向无张力，不存在断排或断线的可能，安全可靠，对土建承力要求低。其汇流排铜当量截面约为1400mm2，载流截面大，因此无需架设辅助馈线。由于结构紧凑，可以减少隧道净空尺寸。刚性悬挂由于无张力，锚段关节处无需传统重力式的下锚装置。在接触网分段处、道岔处安装结构简单，隧道无需局部开挖，尤其是复式交分道岔处安装装配要简单得多。刚性悬挂基本无维护或者少维护，方便运营，降低运营维护费用。  架空接触网广泛应用于国铁、城市有轨及无轨电车、工矿企业的电气化有轨运输以及进入七十年代以后修建的城市地铁中，如日本、韩国、香港及我国上海和广州地铁就采用该种供电方式。  由于电气特性方面DC1500V系统有较明显的优势，并且安全性较好，近年DC1500V架空接触网制式在一些国家的地铁建设中应用较多，可以说这种制式近来发展较快，代表了地铁供电