高速铁路牵引供电系统2012.5

1、 1、直接供电方式 2、吸流变压器（BT）供电方式 3、带回流线的直接供电方式 4、自耦变压器（AT）供电方式一、牵引供电系统与电力系统的关系一、牵引供电系统与电力系统的关系高压输电网：500/220/110kV低压配电网：35/10/0.38kV 电力系统结构一、牵引供电系统与电力系统的关系一、牵引供电系统与电力系统的关系优质的供、用电应具有以下特征： (1) 供电电压具有稳定的标称频率、幅值和波形； (2) 保持三相电压和电流的平衡，保证电网最大传输效率； (3) 持续稳定和充足的电能供应； (4) 低廉的电价； (5) 对环境的不良影响较小。 电力系统电能质量的基本要求GB/T 1232

2、5-2008电能质量 供电电压偏差 GB/T 15945-2008电能质量 电力系统频率偏差 GB/T 15543-2008电能质量 三相电压不平衡度 GB/T 12326-2008电能质量 电压波动和闪变 GB/T 14549-1993电能质量 公用电网谐波 GB/T 24337-2009电能质量 公用电网间谐波 GB/T 18481-2001 电能质量 暂时过电压和瞬态过电压 电能质量国家标准1、牵引供电系统与电力系统的关系牵引变电所牵引供电系统牵引网单相工频交流单相工频交流25kV25kV馈线回流线接触网钢轨牵引变压器220kV或110kV发电机升压变压器高压输电线路降压变压器用电设备降

3、压变压器三相工频交流三相工频交流牵引供电系统牵引网25kV25kV馈线回流线接触网钢轨电力系统电力系统牵引变压器电能质量公共连接点（公共连接点（PCCPCC）或或供用电协议规定的电能计量点供用电协议规定的电能计量点牵引供电系统与其电源，即三相电力系统（公用电网）之间通过PCC点的电能质量相互约束。电能质量电压偏差GB/T 123252008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。 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%；牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨ABCe e eSRSX25kV

4、25kVSSUEZ IEUUZ I 电压损失概念及计算方法UE UUEU- 压降：压损：矢量差算数差很小，近似cosEE工程上cosRe()cossinSSUE UURIXI()SSSUE UZ IRjX I计算到负荷端口，系统电压损失表达式如下式中，XS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。cossin()/SSSSNUR IX IR PX QUsinSUX I忽略电阻SNQUXU或SSRX2( 3)sinsin(3)sinsin(V)sin(kV)1000NSkNNNTkkNTkUUX I

5、ISUUU ISSSUSS按三相负荷，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为负荷三相容量，kVA；负荷功率因数角。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为负荷三相容量，kVA； 负荷功率因数角。(%)10sin100kTNSSUUU牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨负荷的变化使PCC点电压幅值在额定值附近变化ABCe e eSRSX减小系统等值阻抗，即选择短路容量大的电源。25kV25kV减小无功功率在系统的传输，即提高功率因数：采用交-直-交型电力机车；无功就地补

6、偿电能质量谐波谐波牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨电源为工频（基波）50Hz的正弦波机车为非线性负载，是谐波电流源ABCe e eSRSX25kV25kV负载的非线性使得系统的电压、电流波形发生畸变 根据 GB/T 14549-93，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/ )(1002khLkhNNhkNNhhNhhShIUShIUUISUh

7、UIxUUHRU牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨ABCe e eSRSX减小系统等值阻抗，即选择短路容量大的电源。25kV25kV减小注入系统的谐波电流：采用交-直-交型电力机车；装设滤波器电能质量电压不平衡度牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨三相对称电源（正序）负载的不对称使得系统电压、电流不再对称机车为单相负载ABCe e eSRSX25kV25kV 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。采用单相牵引变电所的负序功率等于牵引负荷功率。GB/T 15543-2008 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

8、足国家标准（GB/T 15543-95）的要求，正常电压不平衡度允许值为2，短时不得超过4 。 221100100uNUUUU电压不平衡度式中，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。22122222100100()/1000( 3)100103( 3)3(%)1010uNSNNkNNLkkUUUUX IUIUSUIUI USS牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨三相对称电源（正序）负载的不对称使得系统电压、电流不再对称机车为单相负载ABCe e eSRSX减小系统等值阻

9、抗，即选择短路容量大的电源。25kV25kV减小负载的不对称性：各牵引变电所的循环换相；平衡变压器；补偿装置。供用电双方的共同努力供用电双方的共同努力来维持好的电能质量来维持好的电能质量牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨电力系统一方面：电力系统短路容量越大，电能质量越好。另一方面，作为用户，牵引供电系统本身要采取措施减小对电力系统电能质量的影响。25kV25kV 电力系统短路容量大小是反映该点短路时短路电流的大小，同时也就反映了该点至恒定电压点之间总电抗的大小。短路容量值越大，说明该点与电源联系越紧密，电气量越稳定。由电铁负荷产生的谐波、负序以及电压波动等问题对电力系统

10、的影响程度都与之密切相关。一方面：电力系统短路容量越大，电能质量越好。世界主要高速铁路国家电铁供电电源电压等级 国名国名铁路名称铁路名称最高速度最高速度(km/h )(km/h )供电电压供电电压( kV )( kV )附注附注日本日本东海道新干线东海道新干线300300275275个别站个别站154kV154kV山阳新干线山阳新干线300300275275个别站个别站154kV154kV北陆新干线北陆新干线300300275275东北新干线东北新干线260260275275个别站个别站154kV154kV上越新干线上越新干线275275275275法国法国巴黎里昂巴黎里昂3003002252

11、251 1个站个站400kV400kV巴黎图尔巴黎图尔3003002252251 1个站个站400kV400kV巴黎加莱巴黎加莱3003002252251 1个站个站400kV400kV里昂瓦朗斯里昂瓦朗斯300300225225瓦朗斯马赛瓦朗斯马赛350350225225巴黎斯特拉斯堡巴黎斯特拉斯堡3503502252251 1个站个站400kV400kV世界主要高速铁路国家电铁供电电源电压等级 西西班班牙牙马德里塞维利亚马德里塞维利亚2502502202203 3个站个站132kV132kV，短路，短路容量不小于容量不小于2000MVA2000MVA马德里巴塞罗那马德里巴塞罗那350350

12、4004003 3个站个站220kV220kV高速铁路普遍采用高电压、大容量电源供电。韩国电铁接入系统的短路容量韩国电铁接入系统的短路容量 韩国电韩国电力力变电变电所所短路容量短路容量(MVA)(MVA)高速高速铁铁路路变电变电所所陵谷陵谷10,14010,140高高阳阳 一洞一洞8,4188,418安山安山 秋八秋八4,0034,003平平泽泽 清清原原12,28612,286新新清清州州 沃川沃川7,5047,504沃川沃川 金泉金泉4,3254,325金泉金泉 凡川凡川7,6117,611釜山釜山韩国电力系统最高电压韩国电力系统最高电压354kV，下一级是，下一级是154kV，没有，没有

13、220kV的电压等级。的电压等级。由于由于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。，但其系统短路容量很大。 随着电网发展，系统短路容量呈日益加大的趋势，则系统的短路阻抗减小，对牵引供电系统的影响： 使得系统电压损失降低，从而牵引变压器出口电压水平提高，牵引网电压水平提高。 负序电压、谐波电压畸变对系统的影响相对减小；系统结构发生变化，使得负序电流和谐波电流在系统中的渗透发生改变。 牵引变压器进线短路容量增大。牵引变电所高、低压侧的各种电气设备、开关电器等将承受更大的短路电流。系统短路容量

14、不可能无限制变大，目前部分地区已经因为短路容量太大导致开关选择的困难。 主要有两种方案：（一）源头控制。在干扰负荷主电路上改进，如改交直型机车为交直交机车或动车组，可以从根本上解决诸如功率因数、谐波等问题。（二）综合补偿技术。综合作用：提高功率因数、滤除谐波、减少负序电流。另一方面，作为用户，牵引供电系统本身要采取措施减小对电力系统电能质量的影响。牵引变电所换相连接 在减小负荷不对称造成的负序电流方面，欧洲各国大都采用单相变压器，为减小单相牵引负荷在电力系统中的电流不平衡，各变电所采取按相序轮换方式接入系统，使全区达到平衡的措施。法国为改善不平衡状态，最初采用Scott平衡变压器，但没能解决电

15、压不平衡对电力系统的影响。后来，随着电网的发展，全部以单相变压器代替，并且使用轮换相序接入电力系统，使不同变电所产生的负序电流部分抵消，削弱了电铁产生的负序电流。单相牵引变电所换相连接单相牵引变电所换相连接方案方案1：由：由3台单相变构成相别循环台单相变构成相别循环电分相上承受电压为电分相上承受电压为325kV方案方案2：由：由6台单相变构成相别循环台单相变构成相别循环电分相上承受电压为电分相上承受电压为25kVVv接线变压器换相连接接线变压器换相连接（1）按对称要求规定供电分区电压顺序为 、 、 、 等。两相邻变电所间分区所的供电分 区的电压相同。（2）所有变电所变压器副边以同名端接地。ca

16、UabUbcUcaU采用平衡变压器 与法国不同，日本采用Scott接线或变形WB接线的平衡变压器，变压器一次侧不换相接入电源。当两个供电臂上的负荷完全相同时，一次侧就不会产生负序电流，利用这种特殊接线方式的变压器来消除电气化铁路负荷不对称对电力系统所造成的影响。BAC平平衡衡牵牵引引变变压压器器电力系统同相供电系统座座隔离变压器隔离变压器SVGSVG下层控制器IIcILI电电分分相相LIcI日本RPC22pappapIIIIII平衡变次边电流LpqiiiLpqiii两供电臂负载电流1、直接供电方式（TR）结构简单，投资最少，维护费用低。直接供电方式的钢轨电位高；对弱电系统的电磁干扰较大。改进供

17、电方式目标：降低钢轨电位；减小对弱电系统的电磁干扰。具有更强的供电能力（更小的牵引网电压损失和电能损失），供电距离更长，变电所数量更少，减小分相数量。25kV25kV2、BT(吸流变压器)供电方式接触网中串接吸流变压器，间隔约1.5km-4km。吸流变压器变比：1：1；回流线与接触网同杆架设牵引变电所回流线接触网钢轨吸流变压器吸流变压器IIIIIBT供电方式实现目标：长回路中钢轨电位降为0；长回路磁场完全平衡，电磁干扰降至最低。III25kV25kV2、BT(吸流变压器)供电方式接触网串入吸流变压器牵引网阻抗增大供电臂电压损失增大供电臂末端电压水平降低为了保证机车电压水平，缩短供电臂的距离UZ

18、IUEU牵引变电所回流线接触网钢轨吸流变压器吸流变压器IIIII25kV25kVIII2、BT(吸流变压器)供电方式供电臂距离缩短BT串入处接触导线分段外部电源投资增大分相数量增多变电所的数量增多影响高速列车运行的安全性及列车速度BT供电方式没有实现的目标：具有更强的供电能力（更小的牵引网电压损失和电能损失），供电距离更长，减小分相数量。BT供电方式不适合高速列车的运行。牵引变电所回流线接触网钢轨吸流变压器吸流变压器IIIII25kV25kVIII3、带回流线的直接供电方式(TRNF)回流线与接触网同杆架设，两组导线之间有互感，钢轨电流部分由回流线回流。带回流线的直接供电方式实现目标：相对直接

19、供电方式，钢轨电位一定程度上有所降低；电磁干扰一定程度上有所减小。IIII25kV25kV3、带回流线的直接供电方式(TRNF)回流线与钢轨并联牵引网阻抗减小供电臂电压损失减小供电臂末端电压水平提高供电臂的距离增长约30%UZIUEUIIII25kV25kV3、带回流线的直接供电方式(TRNF)供电臂距离增长外部电源投资减小分相数量减小变电所的数量减少有利于列车高速运行兼顾了直接供电方式的简单可靠。带回流线的直接供电方式实现的目标：具有更强的供电能力（更小的牵引网电压损失和电能损失），变电所数量更少，减小分相数量。IIII25kV25kV4、AT(自耦变压器)供电方式nn自耦变压器器两端绕组匝

20、数相等；理想变压器正馈线与接触线同杆架设。I/2I/2自耦变压器自耦变压器自耦变压器II/2I/225kV25kV4、AT(自耦变压器)供电方式减少对通信线的干扰，降低通信线路迁改费用；钢轨电位降低。AT供电方式实现目标：长回路中钢轨电位降为0；长回路磁场完全平衡，电磁干扰降至最低。nnI/2I/2自耦变压器自耦变压器自耦变压器II/2I/225kV25kV4、AT(自耦变压器)供电方式电源电压提高一倍输电电压提高一倍S=UI电流降为1/2阻抗降为1/4（实际略大）传输相同功率电压损失降为1/4UZInnI/2I/2自耦变压器自耦变压器自耦变压器II/2I/225kV25kV4、AT(自耦变压

21、器)供电方式nnI/2I/2自耦变压器自耦变压器自耦变压器II/2I/225kV25kVAT供电方式实现的目标：具有最强的供电能力（更小的牵引网电压损失和电能损失），供电距离更长，减小分相数量。AT供电方式适合于高速列车的运行。世界主要高速铁路国家电铁供电方式5050Hz/60HzHz/60Hz、25kV25kV牵引供电方式（牵引供电方式（300300350350km/hkm/h）19961996年年日日 本本山阳新干线山阳新干线300km/h300km/hATAT19831983年年法法 国国TGVTGV东南线东南线300km/h300km/hAT+AT+直供直供19901990年年法法 国

22、国TGVTGV大西洋线大西洋线300km/h300km/hATAT19941994年年法法 国国TGVTGV北方线北方线300km/h300km/hATAT20012001年年法法 国国TGVTGV地中海线地中海线350km/h350km/hATAT20032003年年韩韩 国国汉城汉城釜山釜山300km/h300km/hATAT20042004年年西班牙西班牙马德里马德里巴塞罗那巴塞罗那350km/h350km/hATAT20042004年年意大利意大利都灵都灵佛罗伦萨佛罗伦萨300km/h300km/hATAT20082008年年意大利意大利罗马罗马那不勒斯那不勒斯300km/h300km

23、/hATAT高速铁路普遍采用AT供电方式应用于（带回流线）直接供电方式的主要有：单相接线、Vv接线、 YNd11接线、三相/两相平衡接线(Scott接线、Wood-Bridge、阻抗匹配平衡接线接线等)应用于AT供电方式的主要有：日本模式的AT：三相/两相平衡接线(Scott接线、Wood-Bridge接线等)法国模式的AT：单相接线、 Vx接线 、十字交叉接线(A)(B)CT单相变压器单相变压器(C)CTVv变压器变压器(A)(B)CTScott变压器变压器(C)(A)(B)直接供电方式的牵引变压器接线CTYNd11变压器变压器(C)(A)(B)(c)(a)(b)直接供电方式的牵引变压器接线

24、AT 55kV日本模式（京秦线采用）Scott变压器馈线加ATC CF F(C)(C)(A)(A)(B)(B)AT 227.5kV法国模式（京津线采用）CFT单相变压器(A)(B)CTFVx 变压器(C)(A)(B)b2b1a1c1a2c2两台YNd11接入相别：(A1) (A2)/(B1) (C2)/(C1) (B2)CTFACB十字交叉变压器十字交叉变压器(C1)(A1)(B1)(c1)(a1)(b1)(C2)(A2)(B2)(c2)(a2)(b2)目前，国外高速铁路牵引变压器多采用三相-两相平衡变压器、单相变压器。意大利、新西兰采用单相接线牵引变压器法国TGV采用单相和Vv接线变压器日本

25、东海道新干线采用Scott接线山阳新干线采用Modified-Woodbridge接线变压器台湾高速铁路采用的是Le Blanc接线变压器 系统变换：从广义的角度上讲，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. . .A B C 通过系统变换，可以获得一次侧的牵引变压器、牵引负荷的等值电路模型，或二次侧的电力系统、牵引变压器等值电路模型。这两个等值电路模型对于牵引供电系统的电气分析十分方便、有用，如用于电压损失，故障分析，电能计量，负序含量，谐波水平等计算。 BI 以接入AB线电压为例110AabTBAabTCIIKIIIKI 1 原边绕组匝数2 次边绕组匝数1122lTlU

26、KU CABAI abI abU abI abU bcU caU AI BI 1、纯单相（Ii）牵引变压器 原次边电流关系110AabTBAabTCIIKIIIKI 021221111131AAABACIIIaaIaaII 0230130221111011113301AjAababTjTAIIaaIeIKKeaaI 211AAII 不对称系数对称分量法归算到负荷端口的变电所等值电路 Sk：电力系统（原边）短路容量（：电力系统（原边）短路容量（MVA）ST ：牵引变压器容量（：牵引变压器容量（MVA）Uk%：短路电压：短路电压abI abU cE SZaE SZbE SZTZ2222%100kN

27、NssTTkTUUUZjXjZjXjSS 归算到负荷端口的变电所等值电路 abI abU abE 2STZZ Sk：电力系统（原边）短路容量（：电力系统（原边）短路容量（MVA）ST ：牵引变压器容量（：牵引变压器容量（MVA）Uk%：短路电压：短路电压2222%100kNNssTTkTUUUZjXjZjXjSS 2、Vv牵引变电所 CABAI BI CI abI bcI abU bcU 单相Vv接线即两台单相变压器连接成开口三角形 1 原边绕组匝数2 次边绕组匝数以接入AB和BC间线电压为例CABAI BI CI abI bcI abU bcU 111AabTBabbcTCbcTIIKIII

28、KIIK abI bcI abU bcU caU AI CI BI CI AI coscosabbcabbcII 1122lTlUKU 021221111131AAABACIIIaaIaaII 022301290221111011112331AjAababTjTAIIaaaIeIKKaeaaI 2112AAII 不对称系数1011101AabBTbcCIIIKII ,coscosabbcabbcII设则2bcabIa I 2222%100NsskkNTTTUZjXjSUUZjXjSbcI bcU abU TZaE SZcE SZbE SZTZabI CABAI BI CI abI bcI (2

29、)(2)bcababSTabSabSTabSbcUZZIZ IEEEZZIZ I 端口电压方程式 (2)(2)abbcbcSTbcSbcSTbcSabUZZIZ IEEEZZIZ I bcI bcU abU TZaE SZcE SZbE SZTZabI 归算到两个负荷端口的变电所等值电路 (2)ababSTabSbcUEZZIZ I(2)bcbcSTbcSabUEZZIZ I bcI abI bcU abU STZZ bcE abE STZZ SZ2222%()()100kNNSSTTkTUUUZXZXSSSk：电力系统（原边）短路容量（：电力系统（原边）短路容量（MVA）ST ：牵引变压器容

30、量（：牵引变压器容量（MVA）Uk%：短路电压：短路电压 平衡变压器通常是指那种具有变压和换相功能的三相两相变压器，目的是消除或削弱负序。数学上是三相对称系统与两相对称系统之间的变换。 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接线方式接线方式缩写缩写接线简图接线简图ScottSCTLeBlancLBLModifiedLeBlancMLBkblerKBLWood-BridgeWBRModifiedWood-BridgeMWBAutoWoodBridgeAWB（1）Scott接线I I U U BI AI CI 1 1 2 2 DABC Scott

31、接线变压器底（M）座绕组原边接入电力系统AB相（线电压），高（T）座绕组原边一端接底绕组的中点D，另一端接入C相。 （2）变比关系I I U U BI AI CI 1 1 2 2 DABC1底座原、次边绕组匝数分别为 、2高座原、次边匝数分别为 、1 2 112ABUKU 122DCUKU 底座绕组的变比高座绕组的变比I I U U BI AI CI 1 1 2 2 DABCScott接线电压相量图原边电压0DAU BU CU CAU CDU 12ABU 次边电压U U AU 以原边相电压为参考330ABAUU 则底（M）座电压31202CDAUU 高（T）座原边电压0DAU BU CU CA

32、U CDU 12ABU U U 1123ABAUUKUU 12123/232DCAUUKKUU 底座绕组的变比高座绕组的变比I I U U BI AI CI 1 1 2 2 DABC0DAU BU CU CAU CDU 12ABU U U 14K 22 3K 当原边线电压为220kV次边为55kV时12112022ABCCABIIIIIIII I I U U BI AI CI 1 1 2 2 DABC电流平衡和磁势平衡关系式212102ABCCABIIIIIIII 113113320ABCIIIKII 112K 212102ABCCABIIIIIIII 11232K U U I I 3 I I 3 I 13AK I 13BK I 13CK I coscosII 如果则ABCIII三相对称ScottScott变电所端口等值电路变电所端口等值电路212STZZK E E U U I I 212STZZK 221(kV)()(MVA)NSk