第1章 电力系统与牵引供电系统

1、第1章 电力系统与牵引供电系统1-1 电力系统概述1-2 牵引供电系统1-3 电力机车简介第第1章章 电力系统与牵引供电系统电力系统与牵引供电系统1-1 电力系统概述1-1 电力系统概述电力系统概述 电力系统是指发电、送电、变电和用电组成的整体。如图1-1所示。1-1 电力系统概述1-1 电力系统概述电力系统概述1-1-1 发电厂1-1-2 电力网及电网电压1-1-3 变电所1-1-1 发电厂 1-1-1 发电厂发电厂 发电厂将其他形式的能源转换为电能。根据能源的不同，发电厂分为火电厂、水电厂、核电厂、热电厂、风力电厂、潮汐海洋电厂等。 我国主要采用火电厂、水电厂、核电厂。 1、火电厂 这些电

2、厂多建在煤炭基地附近，故称为“坑口”电厂，其单相容量可达600MW。如果把已作过功的乏气再供给用户作为热能，则称为热电厂。 2、水电厂 水电厂利用河流的落差发电。水电厂不仅效率高，而且水能是可循环利用。目前我国水轮发电机的单机容量为700MW。 3、核电厂 核电厂是将原子核裂变时所产生的核能转变为电能。核电厂的重要部分是核子反应堆和蒸汽发生器。其发电设备仍为一般汽轮机和发电机。核电厂的单机容量较大，近年来多在900MW以上。1-1-2 电力网及电网电压 1-1-2 电力网及电网电压电力网及电网电压 电力网简称电网。 组成：由输电线路、配电线路、变电所。 按其规模分为：地区电网、区域电网。 国家

3、规定电网额定电压分为9个等级，如表1-1所示。1-1-3 变电所 1-1-3 变电所变电所 变电所的作用：变换电压、集中电能、分配电能、控制电能、调整电压。 变电所通常分为以下三种： 1）枢纽变电所 通常都有两个及以上电源汇集，进行电能的分配和变换，从而形成电能的枢纽。此类变电所规模大，并采用三绕组变压器获得不同级别的电压，送到不同距离的地区。 2）地区变电所 其作用是供给一个地区用电。通常采用三绕组变压器，高压受电，中压转供，低压直配。 3）用户变电所 此类变电所属于电力系统的终端变电所，直接供给用户电能。通常采用双绕组变压器。铁路牵引变电所就属于此类变电所。1-2 牵引供电系统1-2 牵引

4、供电系统牵引供电系统 牵引供电系统是指拖动车辆运输所需电能的供电形式。 电气化铁道供电系统为相对独立于电力系统的电气化铁道牵引供电系统。1-2 牵引供电系统1-2 牵引供电系统牵引供电系统1-2-1 牵引供电系统的电流制1-2-2 工频单相交流牵引供电系统1-2-3 牵引变电所的一次供电方式1-2-4 牵引变电所的引入线方式1-2-5 接触网的供电方式1-2-1 牵引供电系统的电流制 1-2-1 牵引供电系统的电流制牵引供电系统的电流制 主要有四个电流制：直流制、低频单相交流制、三相交流制、工频单相交流制。 1、直流制 因电力牵引用的电力机车多采用机械性能好、调速方便的直流串励电动机，所以采用

5、直流制供电，简化了机车设备，提高了效率。但牵引变电所必须设整流设备，结构复杂了。同时因受电力机车牵引电动机额定电压影响，供电线路电压较低使牵引变电所间距离减小，同时供电电流的加大增加了导线截面，增大了线路损耗。所以在我国电气化铁道中，未采用直流制。但在矿山、城市电车和地铁中得以广泛应用。 2、低频单相交流制 为克服直流的缺陷，西欧一些国家采用低频单相交流制，频率为50/3Hz，电压为1115kV。虽然这种制式比直流有不少优点，但因其频率与工频差异，必须有与之配套的发电厂和供电系统，经济性、通用性不好，应用受限。1-2-1 牵引供电系统的电流制 3、三相交流制 在牵引电流制的发展过程中，有的国家

6、如瑞士、法国等，还采用了3.6kV的三相交流制。电力机车牵引电动机采用三相异步电动机。 这种供电方式优点在于三相负荷完全平衡，大大减小了电力牵引对电力系统的影响，并减小了对通信的干扰。 主要的缺点在于交流异步电动机的调速困难和电力机车三相受限困难。 4、工频单相交流制 工频单相交流制是电气化铁道发展中的一项先进供电制。我国采用的是工频单相交流制，电压25kV或50kV。 由于此种电流制的优越性比较明显，很快在各国被采用，目前已占到电气化铁道的40%以上。我国电气化铁道建设一开始就采用了此种电流制，从而为后来的电气化铁道的发展打下了良好的基础。1-2-1 牵引供电系统的电流制 工频单相交流制的主

7、要优点为： 1）牵引供电系统结构简单； 2）牵引供电电压增高，既可保证大功率机车的供电，提高机车的牵引定数和运行速度，又可使变电所之间的距离延长，导线截面减少，建设投资和运营费用显著降低； 3）交流电力机车的粘着性能和牵引性能良好； 4）和直流制相比较，交流制的地中电流对地下金属的腐蚀作用小，一般可不设专门防护装置。 工频单相交流制的主要问题为： 1）单相牵引负荷会在电力系统中形成负序电流； 2）功率因数低； 3）对通讯线路造成较大的电磁干扰。1-2-2 工频单相交流牵引供电系统 1-2-2 工频单相交流牵引供电系统工频单相交流牵引供电系统 组成：由牵引变电所、牵引网。如图1-2所示。1-2-

8、2 工频单相交流牵引供电系统 牵引供电系统的主要作用是，从电力系统取得电能，并送给沿铁路运行的电力机车。图中各部分说明如下： 1、一次供电网络 一次供电网络是指直接向牵引变电所供电的地区变电所（或发电厂）及高压输电线路。输电线路一般分为两路，电压为110kV。 2、牵引变电所 作用是降压，并将三相电源转换成两个单相电源，然后通过馈电线分别供给牵引变电所两侧的接触网。 3、牵引网 由馈电线、接触网、钢轨、回流线组成。 馈电线是连接牵引变电所母线和接触网的架空铝铰线。 接接触网是牵引网的主体。 钢轨和回流线是负荷电流回流到牵引变电所的路线。 1-2-2 工频单相交流牵引供电系统 4、分区亭 为了增

9、加供电的灵活性，提高运行的可靠性，在两个相邻牵引变电所之间加设分区亭，其作用主要有两个： 1）使相邻相两供电区段实行并联供电或分开供电，也可使复线区段的上、下行实行并联或分开供电； 2）相邻牵引变电所发生故障而不能继续供电时，可以闭合分区亭内的断路器，由非故障牵引变电所实行越区供电。 5、开闭所 电气化铁道的枢纽站场均由接触网供电。为了提高供电的可靠性和灵活性，通常将其分组并独立供电，为此增设开闭所。 如果是复线电气化铁道区段，通过开闭所的断路器还可将上行和下行接触网并联起来，此时的开闭所还兼有分区亭的作用。1-2-3 牵引变电所的一次供电方式 1-2-3 牵引变电所的一次供电方式牵引变电所的

10、一次供电方式 又称外部供电方式。通常要求每个牵引变电所必须有两个独立电源供电，或者由两路非同杆架设的输电线路供电，其中每路输电线应能够承担牵引变电所的全部负荷。两路电源互为备用或一主一备。 牵引变电所的供电方式通常有三种：一边供电、双边供电、环形供电。 1、一边供电 指牵引变电所的电能只能由电力系统中的一个方向送来，如图1-3所示。1-2-3 牵引变电所的一次供电方式 2、两边供电 指牵引变电所的电能由电力系统中的两个方向送来，如图1-4所示。 3、环形供电 指若干个发电厂、地区变电所通过高压输电线连接成环形电力网，而牵引变电所处于环形电力系统中的一段环路之中。仍如图1-4所示。1-2-4 牵

11、引变电所的引入线方式 1-2-4 牵引变电所的引入线方式牵引变电所的引入线方式 又称牵引变电所一次侧的主接线方式。 采用哪种引入线方式，取决于技术、经济、运行、外部供电方式、主变压器的接线方式等综合因素。 目前我国牵引变电所的引入线方式有三种：桥接线方式、双T接线方式、单母线分段方式，如图1-5所示。1-2-4 牵引变电所的引入线方式 1、桥接线方式 当电力系统的功率需要穿越牵引变电所时，采用此种接线方式。牵引变电所有两路引入线，并通过桥断路器连接起来，以便通过穿越功率。 当桥断路位于牵引变压器侧时，称为内桥；当桥断路器位于线路侧时，称为外桥。 2、双T接线方式 又称为分支接线，即两路输电线路

12、分别引出两条支线到牵引变电所，构成双T形。此种引入方式通常只有一咱送电，另一路备用。 3、单母线分段方式 当牵引变电所除了两路电源引入线外，还需要引出线的中心变电所，通常采用此种引入线方式。其分段断路器既能经常通过穿越功率，又可在必要时将母线分成两段，以提高供电的可靠性和灵活性。1-2-5 接触网的供电方式 1-2-5 接触网的供电方式接触网的供电方式 指牵引变电所向接触网的供电方式。有两种方式：单边供电方式、双边供电方式。针对单线区段和复线区段，都可以采用这两种方式。 1、单线区段 （1）单边供电 如图1-6所示分区亭的断路器断开时，为单边供电。 （2）双边供电 如图1-6所示分区亭的断路器

13、连接时，为单边供电。1-2-5 接触网的供电方式 2、复线区段 由于复线双边供电分区亭设备复杂，对接触网短路故障的保护十分困难，所以我国目前针对复线区段只采用单边供电方式。如图1-7所示。1-2-5 接触网的供电方式 复线单边供电有两种方式：单边末端并联供电、单边全并联供电。 （1）单边末端并联供电 由于复线区段牵引变电所同一侧的上、下行接触网均供同相电，故可在接触网供电分段的末端用分区亭中的断路器连接起来，形成单边并联供电。如图1-8所示。 优点：接触网的电压损失和电能损失显著减小。 缺点：分区亭设备复杂，运营维修工作量大。所以在实际当中，不投入断路器，形成单边分开供电，即如图1-7所示方式

14、。1-2-5 接触网的供电方式 （2）单边全并联供电 在每个车站利用柱上负荷开关将上、下行接触网并联，形成并联网络，如图1-9所示。 并联负荷开关可以自动投切，也可以经设于车站的远动终端RTU由电力调度控制。 优点：第一，比末端并联供电更能有效地减小接触网阻抗，降低接触网电压损失和电能损失；第二，能对接触网的短路故障进行有效的保护。1-3 电力机车简介1-3 电力机车简介电力机车简介 我国电气化铁道运行的电力机车，少量为国外引进的，大部分为我国自己设计制造的SS型单相工频电力机车。 机车的额定电压为25kV，最高工作电压为29kV，最低工作电压为20kV。 牵引电动机采用直流串励式，额定电压为

15、1020V，功率为700900kW。1-3 电力机车简介1-3 电力机车简介电力机车简介1-3-1 25kV侧电路1-3-2 相控整流调压电路1-3-1 25kV侧电路 1-3-1 25kV侧电路侧电路 以SS8型电力机车为例，其简化的主电路包括： 受电弓、主断路器、变压器、电压互感器、电流互感器、避雷器等。如图1-10所示。1-3-1 25kV侧电路 1、受电弓 以大约(9010)N的压力与接触网接触并获取电流。 为了改善取流条件，降低弓网之间的相互磨损，受电弓上装有粉末冶金滑板，有的受电弓上还装有固体注滑剂。 电力机车上装有两个受电弓，一般升弓后，前弓备用。 2、主断路器 接于受电弓与主变

16、压器之间，安装于机车车顶中部，是电力机车电源的总开关和总保护电器。 采用空气断路器，额定切断电流达10kA，固有分闸时间不大于30ms。 与之配合动作的还有隔离开关，当主断路器切断电弧电流后，隔离开关随即打开，此后主断路器重新合闸。当送电时，只要合上隔离开关即可。1-3-1 25kV侧电路 3、变压器 额定电压为25kV，低压绕组除牵引供电牵引电动机用电外，还有辅助绕组、励磁绕组等。 4、电压互感器 用于电压测量及电度的计量，变比为25000/100，并接在主断路器之前，只要升起受电弓，就可知网压状况。 5、电流互感器1 用于变压器高压侧短路保护，保护动作时间约为0.06s。 注意：当机车顶部

17、短路时，由牵引变电所的馈线保护进行保护。 6、电流互感器2 用于电度计量。 7、避雷器 用于抑止操作过电压及雷击过电压。1-3-2 相控整流调压电路 1-3-2 相控整流调压电路相控整流调压电路 1、直流电机的调速原理 电力机车采用直流电动机牵引的重要原因之一，是因为直流电动机便于调速。由于转速公式为：eCIRUn 所以，调节电动机的电枢电压U就可实现调速。 早期调速采用调压开关分级调速，缺点是变压器抽头多，结构复杂。目前采用大功率晶闸管相控整流调压电路实现调压，克服了以上缺点。 2、电力机车的三段相控整流调压电路 图中a2x2,a1b1,b1x1为机车变压器副边的三段牵引绕组。二极管V1V4

18、及晶闸管VS01VS26组成三段桥相控整流电路。L为平波电抗器，对整流回路的脉动电流起平波作用。如图1-11所示。1-3-2 相控整流调压电路1-3-2 相控整流调压电路 2、三段相控整流调压电路工作原理 （1）三步投入 1）开通V1、V2、VS01、VS02组成的四臂桥，绕组a2x2投入； 2）开通V3、V4、VS03、VS04组成的四臂桥，绕组a1b1投入； 3）开通VS05、VS06组成的四臂桥，绕组a1b1x1投入。 （2）投入过程 首先开放第一段a2x2，电源的正半周内，触发晶闸管VS02，电流回路为： a2-V1-L-M-V4-V3-VS02-x2-a2； 在电源的负半周内，触发晶闸管VS01，电流回路为： x2-VS01-L-M-V4-V3-V2-a2-x2。1-3-2 相控整流调压电路 在第一段满开放之后，开放第二段a1b1后，电源的正半周内，触发晶闸客VS04，电流回路为： a1-V3-VS02-x2-a2-V1-L-M-VS04-b1-a1； 在电源的