电气化铁道概论

1、牵引供电工程概论 目 录一、牵引供电系统简介01二、牵引网的构成01三、牵引变电所03四、分区所13五、开闭所14六、AT所15七、馈电线16八、接触网16九、钢轨和吸上线20十、回流线20一、牵引供电系统简介电气化铁道是由电力机车和牵引供电装置组成的，牵引供电装置一般分成牵引变电所和接触网两部分。所以人们又称电力机车、牵引变电所和接触网为电气化铁道的“三大元件”。将电能从电力系统传送给电力机车的电力装置的总称叫电气化铁路的供电系统，又称牵引供电系统，主要由牵引变电所和接触网两大部分组成。牵引变电所将电力系统输电线路电压从110kV（或220kV）降到27.5kV，经馈电线将电能送至接触网；接

2、触网沿铁路上空架设，电力机车升弓后便可从其取得电能，用以牵引列车。牵引变电所所在地的接触网设有分相绝缘装置，两相邻牵引变电所之间设有分区所，接触网在此也相应设有分相绝缘装置。牵引变电所至分区所之间的接触网（含馈电线）称供电臂。 牵引供电回路是由牵引变电所馈电线接触网电力机车钢轨回流联接（牵引变电所）接地网组成的闭合回路，其中流通的电流称牵引电流，闭合或断开牵引供电回路会产生强烈的电弧，处理不当会造成严重的后果。通常将接触网、钢轨回路（包括大地）、馈电线和回流线统称为牵引网。 牵引供电设备的检修运行由供电段负责，牵引供电系统的运行调度则由供电调度负责。供电调度通常设在分局和铁路局调度所。二、牵引

3、网的构成1.馈电线2.接触网3.轨道回路和回流系统 三、牵引变电所牵引变电所是电气化铁路的心脏，它的功能是将电力系统输送来的110kV或220kV等级的工频交流高压电，通过一定接线形式的牵引变压器变成适合电力机车使用的27.5kV等级的单相工频交流电，再通过不同的馈电线将电能送到相应方向的电气化铁路（接触网）上，满足来自不同方向电力机车的供电需要。牵引变电所一般设在车站的一端，在车站和区间分界处与另一端不同相位的供电臂通过分相绝缘器或电分段锚段关节相连。同一方向馈出回路的高压开关具备一旁路备用开关，可满足不间断可靠供电要求和检修的需要。牵引变电所的任务是将电力系统三相电压降低，同时以单相方式馈

4、出。降低电压是由牵引变压器来实现的，将三相变为单相是通过变电所的电气接线来达到的。 随着技术水平的提高，我国干线电气化铁路已推广使用集中监视及控制的远动系统，牵引变电所将逐步实现无人值班，直接由供电调度实行遥控运行。1.牵引变电所外部电源5 N% X0 X! i( I/ n) c9 T  Y5 q  f牵引供电系统一般又由铁路以外的容量较大的电力系统供电。电力系统有许多种电等级网络和设备，其中110KV及以上电压等级的输电线路，用区域变电所中的变压器联系起来，主要用于输送强大电力，利用它们向电气化铁路的牵引变电所输送电力，供电牵引用力。电力牵引为一级负荷

5、，牵引变电所应由二路电源供电。为了保证供电的可靠性，由电力系统送到牵引变电所高压输电线路无一例外地为双回线，两条双回线互为备用，平时均处于带电状态。一旦一条回路发生供电故障，另一条回自动投入，从而保证不间断供电。2.牵引变电所主接线:) I/ g, b: m; k. K9 l牵引变电所(包括分区亭、开闭所，AT所等)，为了完成接受电能，高压和分配电能的工作，其电气接线可分为两大部分：一次接线(主接线)和二次接线。主接线是指牵引变电所内一次主设备(即高压、强电流设备)的联接方式，也是变电所接受电能、变压和分配电能的通路。它反映了牵引变电所的基本结构和功能。主接线是根据变电所的容量规模、性能要求、

6、电源条件及配电出线的要求确定的，其基本主接线型式有：单母线分段接线、劳旁路母线的单母线分段接线、双母线接线、桥式接线、双T式(即分支式)接线等。P/ u4 二次接线是指牵引变电所内二次设备(即低电压、弱电流的设备)的联接方式。其作用是对主接线中的设备工作状态进行控制，监察、测量以及实现继电保护与远动化等。二次接线对一次主设备的安全可靠运行起着重要作用。3.牵引变电所供电方式交流电气化铁路是以接触网钢轨大地为回路的单相不对称供电系统，因此牵引供电所产生的电场和磁场会对通信线路产生电磁干扰。为了减少电气化铁路对通信线的电磁干扰，在电气化铁路改造中必需采取防干扰措施。经过多年的努力我国已有了直接供电

7、（简称TR供电）、自耦变压供电（简称AT供电）、吸流变压器供电（简称BT供电）和直供+回流供电（简称DN供电）方式。（1）直接（TR）供电方式电气化铁路采用工频单相交流电力牵引制，单相交流负荷在接触网周围空间产生交变电磁场，从而对附近通信设施和无线电装置产生一定的电磁干扰。我国早期电气化铁路（如宝成线、阳安线）建设时，处于山区，地方通信技术不发达，铁路通信采用高屏蔽性能的同轴电缆，接触网产生的电磁干扰影响极小，不用采取特殊防护措施，因此上述单边供电方式亦称为直接供电方式（简称TR供电方式）。随着电气化铁路向平原和大城市发展，电磁干扰矛盾日显突出，于是在接触网供电方式上采取不同的防护措施，便产生

8、不同的供电方式。目前有所谓的BT、AT和DN供电方式。从以下的介绍中可以看出这些供电方式有一个共同特点，即在接触网支柱田野侧，与接触悬挂同等高度处都挂有一条附加导线。电力牵引时，附加导线中通过的电流与接触网中通过的牵引电流，理论上讲（或理想中）大小相等、方向相反，从而两者产生的电磁干扰相互抵消。但实际上是做不到的，所以不同的供电方式有不同的防护效果。（2）自耦变压器（AT）供电方式由于自耦变压器的作用，接触网和正馈线的电流均为I/2，方向相反，有效地减少牵引网对通信线的干扰。由于自耦变压器的中性点与钢轨相连，牵引网的供电电压为2 x 25 kV，电压提高了一倍，因此牵引变电所的间距理论上提高了

9、一倍。例如直供+回流线供电方式牵引变电所间距为20-30km，则AT供电方式为40-60km。AT供电方式用于重载、高速需大电流的牵引供电系统。采用AT供电方式时，牵引变电所主变输出电压为55kV，经AT（自耦变压器，变比2:1）向接触网供电，一端接接触网，另一端接正馈线（简称AF线，亦架在田野侧，与接触悬挂等高），其中点抽头则与钢轨相连。AF线的作用同BT供电方式中的NF线一样，起到防干扰功能，但效果较前者为好。此外，在AF线下方还架有一条保护（PW）线，当接触网绝缘破坏时起到保护跳闸作用，同时亦兼有防干扰及防雷效果。 显然，AT供电方式接触网结构也比较复杂，田野侧挂有两组附加导线，AF线电

10、压与接触网电压相等，PW线也有一定电位（约几百伏），增加故障几率。当接触网发生故障，尤其是断杆事故时，更是麻烦，抢修恢复困难，对运输干扰极大。但由于牵引变电所馈出电压高，所间距可增加一倍，并可适当提高末端网压，在电力系统网络比较薄弱的地区有其优越性。AT供电方式牵引变电所由于馈线供电电压提高至2×25kV（牵引网电压仍为25 Kv），与25kV馈线电压相比，变电所间距离成倍扩大，主变压器容量相应增大（单机最大容量为63MVA以上），采用三相两相平衡接线主变压器有利于改善变电所的主要运行技术指标（电压水平和负序电流等），提高供电质量。但牵引变电所主接线相对较复杂，使其一次投资费用增大。

11、它适用于高速、重载和繁忙干线电气化铁路，例如在欧洲等一些国家的高速铁路牵引变电所应用较广泛。随着新世纪高速铁路在中国和世界上不少国家的推广和发展，AT供电方式牵引变电所以其技术经济的整体优势，将得到进一步采用。（3）吸流变压器（BT）供电方式 这种供电方式，在接触网上每隔一段距离装一台吸流变压器（变比为1:1），其原边串入接触网，次边串入回流线（简称NF线，架在接触网支柱田野侧，与接触悬挂等高），每两台吸流变压器之间有一根吸上线，将回流线与钢轨连接，其作用是将钢轨中的回流“吸上”去，经回流线返回牵引变电所，起到防干扰效果。 由于大地回流及所谓的“半段效应”，BT供电方式的防护效果并不理想，加之

12、“吸回”装置造成接触网结构复杂，机车受流条件恶化，近年来已很少采用。（4）直供+回流（DN）供电方式在牵引网中不加特殊防护措施，一般只在通信线路少的山区采用，AT和BT供电方式比较复杂，因此在电气化改造中均采用带回流线的直接供电方式。带回流线的直接供电方式取消BT供电方式中的吸流变压器，保留了回流线，利用接触网与回流线之间的互感作用，使钢轨中的回流尽可能的由回流线流回牵引变电所，因而部分抵消接触网对临近通信线路的干扰，其防干扰效果不如BT供电方式，通常在对通信线防干扰要求不高的区段采用。这种供电方式设备简单，因此供电设备的可靠性得到了提高；由于取消了吸流变压器，只保留了回流线，因此牵引网阻抗比

13、直供方式低一些，供电性能好一些，造价也不太高，所以这种供电方式在我国电气化铁路上得到了广泛应用。这种供电方式实际上就是带回流线的直接供电方式，NF线每隔一定距离与钢轨相连，既起到防干扰作用，又兼有PW线特性。由于没有吸流变压器，改善了网压，接触网结构简单可靠。近年来得到广泛应用。综上所述，早期电气化铁路均采用直接供电方式，为避免和减少对外部环境的电磁干扰，研发了AT、BT和DN供电方式，就防护效果来看，AT方式优于BT和DN方式，就接触网的结构性能来讲，DN方式最为简单可靠。随着通信技术的快速发展，光缆的普遍应用，通信设施及无线电装置自身的防干扰性能大为增强，考虑到接触网的运行可靠性对电气化铁

14、路的安全运行至关重要，所以通常认为，一般情况下DN供电方式为首选，在电力系统比较薄弱的地区，经过经济技术比较，可采用AT供电方式，BT供电方式则尽量少采用或不采用。+ M  _' 5 e0 g7 ! T4.牵引变电所设备（1）牵引变压器牵引变压器（主变）是一种特殊电压等级的电力变压器，应满足牵引负荷变化剧烈、外部短路频繁的要求，是牵引变电所的“心脏”主变压器是牵引变电所内的核心设备，担负着将电力系统供给的110KV或220KV的三相电源变换成适合电力机车使用的 27.5KV的单相电。由于牵引负荷具有极度不稳定、短路故障多、谐波含量大等特点，运行环境比一般电力负荷恶劣

15、的多，因此要求牵引变压器过负荷和抗短路冲击的能力要强，这也是牵引变压器区别于一般电力变压器的特点。牵引变电所内的变压器，根据用途不同，分为主变压器(牵引变压器)、动力变压器、自耦变压器(AT)、所用变压器几种；根据接线方式不同，又有单相变压器、三相变压器、三相-二相变压器等。尽管变压器的类型、容量、电压等级千差万别，但其基本原理都是一样的，其作用都是变换电压，传输电能，以供给不同的电负荷。 . z9 n# w  r8动力变压器一般是给本所以外的非牵引负荷供电，电压等级一般为27.5/10KV，容量从几百至几千KVA不等。+ z9 9 i/ t# I7 S8 x"

16、X自耦变压器(AT)是AT供电的专用变压器，自身阻抗很小，一般沿牵引网每1020km设一台，用以降低线路阻抗，提高网压水平及减少通信干扰。7 K0 _. . m8 n- t' e容量从几十至几百KVA不等。%（2）断路器断路器是牵引变电所内最为重要的电气设备之一，其工作最为繁重，地位最为关键(结构最为复杂，它依靠本身所具有的强大的灭弧能力，不但可以带负荷切断各种电气设备和牵引网线路，更可与保护装置配合，快速、可带地切断各种短路故障。（3）电压互感器和电流互感器它们的工作原理和变压器相似它们把高电压设备和母线的运行电压、大电流即设备和母线的负荷或短路电流)按规定比例变成测量仪表、继电保护

17、及控制设备的低电压和小电流。在额定运行情况下电压互感器二次电压为l00V/，电流互感器二次电流为5A或1A。电流互感器的二次绕组经常与负荷相连近于短路,请注意:绝不能让其开路，否则将因高电压而危及设备和人身安全或使电流互感器烧毁。（4）开关设备它包括断路器、隔离开关、负荷开关、高压熔断器等都是断开和合上电路的设备。断路器在电力系统正常运行情况下用来合上和断开电路故障时在继电保护装置控制下自动把故障设备和线路断开，还可以有自动重合闸功能。在我国，220kV以上变电站使用较多的是空气断路器和六氟化硫断路器。隔离开关（刀闸)的主要作用是在设备或线路检修时隔离电压，以保证安全。它不能断开负荷电流和短路

18、电流，应与断路器配合使用。在停电时应先拉断路器后拉隔离开关送电时应先合隔离开关后合断路器。如果误操作将引起设备损坏和人身伤亡。负荷开关能在正常运行时断开负荷电流没有断开故障电流的能力，一般与高压熔断丝配合用于10kV及以上电压且不经常操作的变压器或出线上。为了减少变电站的占地面积近年来积极发展六氟化硫全封闭组合电器(GIS)。它把断路器、隔离开关、母线、接地开关、互感器、出线套管或电缆终端头等分别装在各自密封间中集中组成一个整体外壳充以六氟化硫气体作为绝缘介质。这种组合电器具有结构紧凑体积小重量轻不受大气条件影响，检修间隔长，无触电事故和电噪声干扰等优点，具有发展前景已在变电站投人运行。目前它

19、的缺点是价格贵，制造和检修工艺要求高。（5）防雷设备主要有避雷针和避雷器避雷针是为了防止变电站遭受直接雷击将雷电对其自身放电把雷电流引入大地。在变电站附近的线路上落雷时雷电波会沿导线进入变电站，产生过电压；另外，断路器操作等也会引起过电压；避雷器的作用是当过电压超过一定限值时，自动对地放电降低电压保护设备放电后又迅速自动灭弧，保证系统正常运行。目前，使用最多的是氧化锌避雷器。5.牵引变电所接地 牵引变电所接地装置是确保电气设备正常工作和人身、设备安全的重要技术措施, 也是构成电气保护的重要电器设施。日常巡视和维护是保证牵引变电所的接地装置状态良好的有力保证，必须加以高度重视。（1）工作接地为满

20、足电力系统或电气设备的运行要求，无论电气设备在投运或停运时，必须将该设备的某一点进行接地，才能保证电气设备的正常运行和人身安全。如牵引变电所主变的铁芯接地、电力系统的主变中性点接地，但是只许一点接地。（2）保护接地为防止电气设备的绝缘损坏，造成电击或电伤。将电气设备的外露可导电部分接地，称为保护接地。牵引变电所的所有电气设备都应该进行保护接地。从而提高设备运行的稳定性。保证人身、设备安全。（3）防雷接地防止牵引变电所内的电气设备和构筑物免受因大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压，而设置的过电压保护的接地，称为防雷接地。如避雷针，避雷器的接地。避雷针主要保护来自系统外部雷电过电压。它的实际作用就

21、是引雷，把雷电波引入大地。因此，避雷针的接地必须独立，不得与牵引变电所的接地网相连。每一避雷针都有自己独立的接地系统。若与接地网相连则会造成雷电对电气设备反放电，损坏电气设备或造成人身伤害。避雷器的主要作用是保护来自系统内部的操作过电压和入侵的雷电波。它必须与牵引变电所的接地网可靠连接，方可起到保护作用。（4）牵引供电回流系统的接地牵引供电的电流通过接触网，电力机车，钢轨和大地（回流线）回到牵引变压器。回流线除与钢轨可靠连接外，必须与牵引变电所的接地网可靠连接。它是构成馈线保护的基本组成部分。此外由于回流电流造成牵引变电所地网电位不相等，这种情况一方面会对人身以及设备的安全造成威胁；另一方面将

22、对保护、测量、信号装置造成影响。并有可能引发保护装置的误动或拒动。（5）牵引变电所低压供电系统的接地牵引变电所的低压供电系统采用TN-S供电系统。低压供电系统的配电柜，配电盘必须与接地网可靠连接。所有的配电箱必须与PE线可靠相连，必要时与接地网相连。距离牵引变电所较近，使用牵引变电所提供的动力电源时，动力配电柜必须做重复接地。因为牵引变电所回流电流造成地网电位不相等，容易产生反击现象。（6）牵引变电所监控设备的接地监控设备若在避雷针的保护方位之内，所有设备与接地网进行可靠连接。若监控设备不在避雷针保护范围之内，则监控设备必须做独立的接地系统，并不可与牵引变电所的接地网相连。四、分区所分区所是将

23、电气化铁路上下行接触网通过分区所并联起来，以提高供电臂末端接触网上的电压水平，均衡了上下行供电臂的电流，降低电能损失；在较重车方向和线路有较大坡道的情况下效果更为明显；在牵引变电所故障情况下，通过分区所可由相邻牵引变电所实行越区供电。分区所设于两个牵引变电所的中间，可使相邻的接触网供电区段(同一供电臂的上、下行或两相邻变电所的两供电臂)实现并联或单独工作。如果分区所两侧的某一区段接触网发生短路故障，可由供电的牵引变电所馈线断路器及分区所断路器，在继电保护的作用下自动跳闸，将故障段接触网切除，而非故障段的接触网仍照常工作，从而使事故范围缩小一半。分区所按无人值守设计，高、低压设备采用室内布置，2

24、7.5kV断路器采用真空户内型式，继电保护采用集中组屏式微机综合自动化系统，馈线设二段具有四边形特性的距离保护和过流保护及一次自动重合闸装置，自用电系统和牵引变电所内的设备相同。五、开闭所开闭所（sub-section post）牵引网有分支引出时，为保证不影响电力牵引安全可靠供电而设的带保护跳匣断路器等设施的控制场所。多设于枢纽站、编组场、电力机务段和折返段等处。在供电分区范围较大的复线AT牵引网中，有时为了进一步缩小接触网事故停电范围和降低牵引网电压损失和电能损失，也可在分区所与牵引变电所之间增设开闭所，也称辅助分区所（subsectioning post）。开闭所的主要作用是在大的编组站

25、和客运站实现分束、分段供电，提高供电的可靠性，缩小停电范围，减少事故对铁路运行的影响。如缩小事故和停电范围用的开闭所,它主要采用在自耦变压器供电方式区段。自耦变压器供电方式的供电臂长度一般在40公里左右,比一般直接供电方式的供电臂大约长1倍。当发生故障或需要停电检修时,停电范围太大。因此,在供电臂中间需要设置开闭所,将供电臂分为两段,在发生故障或停电检修时,其停电范围可以缩小一半。如果开闭所在供电臂末端，通常将其与分区所合建。同样，不同馈出回路的高压开关具备共用旁路备用开关，可满足不间断可靠供电要求和检修的需要。开闭所的主要设备是断路器。电源进线一般设两回，复线时可由上、下行牵引网各引一回，出

26、线则按需要设置。当出线数量较多时，也可将开闭所母线实行分段。单线时如就近无法获得第二电源，也可只引一回电源。开闭所按无人值班有人值守设计，27.5kV断路器采用户内真空断路器，继电保护采用集中组屏式微机综合自动化系统，它的进线设置过流保护、馈线设置电流速断保护及一次自动重合闸，自用电系统和牵引变电所内的设备相同。六、AT所牵引网采用AT供电方式时，在铁路沿线一般沿牵引网10km左右设置一台自耦变压器AT，自耦变压器(AT)是AT供电的专用变压器，自身阻抗很小，用以降低线路阻抗，提高网压水平及减少通信干扰。该设置处所称做AT所。七、馈电线馈电线是牵引变电所与接触网之间的连接线，它的功能是从牵引变

27、电所向接触网供电。它由馈出开关引出，在电分相装置的两侧连接到接触网上，使之获得27.5kV电源。八、接触网接触网是电气化铁路上的主要供电装置，它通过钢筋混凝土方柱或等径圆支柱及软横跨、硬横梁，以一定的悬挂形式将接触线直接架设在铁路线路的上方。它的功能是通过与电力机车顶部受电弓的滑动接触将电能供给电力机车（或电动车组）。从结构形式上看，接触网由接触悬挂部分、支持装置、定位装置、支柱和基础组成。1.接触悬挂部分接触悬挂包括承力索、整体吊弦、接触线、中心锚结绳及各种线夹、全补偿下锚装置等。承力索承受接触线的重力，并将整个接触悬挂的重力和拉力（或压力）传给支持装置，并通过吊弦悬挂使接触线保持在规定的高

28、度，电力机车受电弓滑板同接触线相接触取得机车所需电能。2.支持装置支持装置包括腕臂、棒式绝缘子、固定底座、腕臂支撑、斜拉线、承力索座等。用于支持接触悬挂，并将其负荷传给支柱。3.定位装置定位装置包括定位管、定位器、定位线夹、定位支撑等，用于固定接触线的水平位置。定位器处于受拉状态，使接触线沿铁路线路均匀分布在机车受电弓中心运行轨迹两侧，保证受电弓不脱离接触线而发生弓网事故，并将接触线的水平负荷传给支持装置。4.支柱和基础支柱和基础包括钢筋混凝土方支柱和等径圆支柱、钢柱，软横跨、硬横梁、杯形基础、拉线基础、横卧板和底板等。它用于承受接触网的全部负荷，包括上部结构的重力、垂直线路方向的拉力（或压力

29、）、顺线路方向的拉力。其施工质量的好坏直接影响到接触网能否长期稳定运行。5.接触网设备接触网是电气化铁路牵引供电系统中的主要供电设备，它的功能是向走行在铁路线上的电力机车不间断地供应电能，由于接触网是露天设置，受到各种恶劣气象条件的影响，其工作状况是随电力机车的运行而变化，而且没有备用，因而使得接触网的工作条件非常复杂。为了满足各种情况下接触网可靠取流的要求，接触网的接触悬挂部分可分为简单悬挂链型悬挂两类。由于接触线、承力索下锚的形式不同，链形悬挂又有半补偿链形悬挂与全补偿链形悬挂之分。全补偿简单链型悬挂结构高度1400mm。（1）接触线、承力索、附加导线类型正线接触线采用120mm2铜合金线

30、（CTHA-120），承力索采用95mm2铜合金绞线（THJ-95）；站线接触线采用85mm2铜合金线，承力索采用70mm2铜合金绞线；附加导线采用钢芯铝绞线，其中回流线采用185mm2钢芯铝绞线，架空线采用70mm2钢芯铝绞线。（2）接触网支持装置的悬挂类型接触网沿铁路纵向架设，随着不同的线路情况，支持接触悬挂的结构也有不同类型。在区间主要为支柱腕臂结构；在站场支持装置有支柱腕臂、软横跨或硬横跨结构；部分站场如股道较多的编组站采用软横跨形式；在软横跨横向承力索中使用了张力自动补偿装置，减少温度的影响。硬横跨由二个立柱和一组钢横梁组成，钢横梁及所有接触悬挂的荷载均竖直传给立柱，所以立柱受弯矩较

31、软横跨小，因而立柱的容量较小，从安装形式看，立柱高度要求相对低，硬横跨上各支接触悬挂相互干扰小，调整较方便，稳定性较好，有利于高速行驶。硬横跨的缺点是：施工要求较严格，有一定难度，造价高于软横跨。正线定位器选用限位定位器，限制定位点处的导线抬升高度，避免在该处发生弓网故障。接触网的吊弦全部采用了整体吊弦，减少了运营后的维修工作量。道岔处接触网布置采用交叉线岔方式。接触网高度按满足开行双层集装箱的条件设计。支柱侧面限界需考虑大型养路机械作业要求。（3）支柱和基础类型支柱是用来承受接触悬挂的负荷，根据材质，支柱有钢柱和预应力混凝土柱，形式有横腹杆、等径圆杆混凝土支柱、等径圆钢柱、角钢桁架。接触网腕臂柱主要采用横腹杆式预应力钢筋混凝土支柱，其它少数区间采用直径400mm等径混凝土圆杆（可以从各个方向受力，但是用钢筋稍多）。在一些特殊地段采用圆杆钢支柱，站场软横跨