电气化铁路与电能质量问题.

1、电气化铁路与电能质量问题 目 录 一、电气化铁路概述 二、电力机车的电气特性三、牵引供电方式的选择 四、牵引变压器类型 五、电气化铁路电能质量问题 一、电气化铁路概述 电力牵引是用电能作为铁路运输动力能源的牵引方式。它的牵引动力是电力机车或电动车组，这是一种能源非自给型机车或动车组。因而必须在电气化铁路沿线设置一套完善的、不间断地向电力机车或电动车组供电的设备，由这种设备构成的工作系统称为电力牵引供电系统，亦即牵引供电系统。 一、电气化铁路概述 我国国标GB1402-1998 牵引供电系统供电电压规定，铁道干线电力牵引铁路电气化电压电流制式为接触网电压25kV的单相工频（50Hz）交流制，即到

2、目前为止，大部分为铁道部管理的国家铁路中，投产将近30000公里的电气化铁路供电系统都是执行这个标准。 （一）电气化铁路牵引供电系统的组成 牵引供电系统是电气化铁路从电力系统接引电源，降压转换后给电力机车供电的电力网络。它由牵引变电所和牵引网两部分组成。如下图所示：（一）电气化铁路牵引供电系统的组成 牵引变电所担主要负牵引用电能的变换工作，它将电力供电系统中高压输电线送来的电能，根据电力牵引对电流和电压的不同要求，转换为适用于电力牵引的电能，然后输送给沿铁路线上空架设的接触网，以供给沿线路行驶的电力机车。习惯上把接触网、馈电线、轨道、回流线称为牵引网。牵引供电系统是由牵引变电所和牵引网构成的向

3、电力机车或电动车组供电的完善的工作系统。牵引电流从牵引变压器供电线接触网电力机车钢轨回流N线 牵引变压器。国家铁路以牵引变电所围墙为界，电力系统送电线终端杆塔至牵引变电所进门型架导线分属两家，围墙以外归属电力部门，围墙以内归属铁道部门。 牵引变电所采用2路电源进线，2台牵引变压器，一主一备方式运行。110或220kV电源经牵引变压器后，降压为125kV或225kV，然后供给牵引网。牵引网如同电力系统的输电线路，它由馈电线、接触网、轨道回路组成。接触网架设在铁路上方，电力机车通过受电弓与接触线滑动接触而获得电能。 牵引供电系统原理图如下所示：二、电力机车的电气特性 （一）交直型电力机车 电力机车

4、从接触网取得25kV工频单相交流电，经车载变压器降压为1500V，整流后向牵引电动机供电。我国目前国内已停止生产,寿命期内的继续使用,今后将逐渐淘汰，更换为交直交型电力机车。交直型电力机车工作原理如下图所示：交直型电力机车采用半控桥式整流，通过晶闸管控制导通角来控制机车出力，所以，交直机车在整流过程中会产生谐波，功率因数较低。（二）交直交型电力机车（动车组） 为克服交直型电力机车的缺点，世界各国竞相开展了交流传动电力机车的研制，1979年德国开发了世界首台大功率干线交流传动电力机车，欧洲等主要发达国家迅速推广，国内目前已推广采用。交直交型电力机车工作原理如下图所示： 交直交机车采用四象限整流，

5、通过GTO或IGBT控制导通 和关断角来控制机车的出力，可分别控制导通和关断机车主 变压器的若干个低压绕组的整流，使电流波形逼近正弦波， 且电流与电压的相位基本同步。所以，交直交型电力机车的 谐波含量很小、功率因数高。三、牵引网供电方式 1、直接供电方式 2、BT供电方式 3、带回流线的直接供电方式 4、AT供电方式 5、常用供电方式 常用牵引网供电方式 牵引网根据供电能力大小、接触网架设环境、电磁兼容要求等条件，有以下不同的几种供电方式。 （一）直接供电方式 牵引电流通过电力机车后直接从钢轨或大地返回牵引变电所。此方式结构简单，投资少，维护费用低，但对弱电系统的电磁干扰较大。 （二）吸流变压

6、器供电方式（BT方式） 为了减少直接供电方式对弱电系统的电磁干扰，沿接触网架设一条回流线，并在接触网和回流线中串入吸流变压器，让牵引电流通过电力机车后从回流线返回牵引变电所。该方式防干扰效果好，但供电臂阻抗大，电压损失大，牵引变电所间距小。目前已基本不采用。（三）带回流线的直接供电方式 鉴于目前通信干线已大部分光缆化，抗干扰能力大大提 高，吸流变压器的作用已不大。带回流线的直接供电方式，是在吸流变压器供电方式基础上,取消吸流变压器后形成的一种供电方式。回流线有一定的吸流效果，该方式基本能满足对弱电系统电磁防护的需要，是目前比较常用的一种供电方式。 （四）自耦变压器供电方式（AT方式） 在直接供

7、电方式的基础上，引入正馈线和自耦变压器后形成的一种供电方式。供电臂阻抗小，牵引变电所间距大，供电能力强，并且由于正馈线的作用，对弱电系统的电磁防护效果与BT供电方式相当。 常用供电方式 目前，国内大部分电气化铁路一般情况下采用带回流线的直接供电方式或AT供电方式。带回流线的直接供电方式多用在既有线电气改造及新建最高速时速200km/h 以下的电气化铁路。高速、重载铁路，一般干线常用 AT供电方式。电源稀少地区铁路电气化，常采用供电能力强、电源投资少的AT供电方式。 五、牵引变器类型 牵引变压器早期采用单相变压器和普通YNd11三相变压器，曾采用过移动备用方式，牵引变电所设置铁路岔线，方便移动变

8、压器车辆进出。后全部改移动备用为固定备用，取消铁路岔线，大部分牵引变电所进所道路采用公路引入。 牵引变压器在电力部门实行两部制电价后，又先后研制采用了YNd11三相不等容变压器、三相阻抗匹配平衡变压器、V/V接线变压器，并引进了斯科特变压器，使我国成为世界上牵引变压器种类最多的国家。 牵引变压器的特点和影响牵引变压器与普通电力变压器相比有很大区别，主要表现在以下几点： a. 单相负载 b. 变动负载：牵引变压器的运行负载率一般在20-50，各相负载率不均衡，并且经常在过载情况下运行，最大过载倍数可达300（2min）。 c. 轨道回路 d. 会有高次谐波的负载(受机车变压器、整流器和平波电抗器

9、等的影响，机车的原边电流含有丰富的谐波成分) e. 由于列车导电弓架支撑绝缘子或网路其他绝缘子的闪络 ，一般每年平均发生70次左右的瞬间短路 。 三相双绕组牵引变压器 通常用在BT供电方式下，是目前采用最广的牵引变形式；负载率仅为0.2-0.5优点： 高压侧中性点引出时，可采用分级绝缘设计； 二次侧为三相，可为变电所和所在地区提供方便的三相电源； 有接时，磁通和感应电压波形好； 缺点： 工作原理是三相变压器带二相负载时的不对称运行，负序电流始终存在，两臂负荷相等时，负序电流为正序电流的1/2； 三相变压器只带两相负载，容量利用率只有75.6%; 三相牵引变运行时过载量较大，持续时间长，线圈发热

10、情况较严重，需严格控制线圈温升；单相牵引变压器可以用在BT或AT供电方式下； 一次电压为110kV 或 220kV， 二次电压为27.5kV 或 55kV； 无载调压； 优点： 变压器制造简单； 容量利用率为100%； 接线最简单、投资最少； 缺点： 不能为变电所和所在地区提供三相电源； 电力系统属不对称运行，两臂负荷相等时，负序电流等于正序电流； 只能接在容量大的电网上； 高压侧必须采用全绝缘设计； V/V联结牵引变压器通常用在BT供电方式下； 变形为V/X联结时，可适用于AT供电方式； 优点： 变压器制造简单； V/V联结零序磁势为0，可适用于各相磁路独立的变压器设计形式； 容量利用率为1

11、00%； 采用双铁芯共箱体结构时： 左、右牵引接触网可分别单独调压； 可适应左、右牵引接触网不等容的要求； 抗短路能力强，运行方便可靠； 能为变电所和所在地区提供三相电源； 缺点： 属不对称运行，负序电流始终存在，两臂负荷相等时，负序电流为正序电流的1/2； 高压侧必须采用全绝缘设计； 高压侧按2线1地系统运行，电力系统的主变必须按全绝缘设计； 电力系统的效率仅为2/3 ； 五、电气化铁路电能质量问题 电气化铁路是一种单相、整流的不对称波动负荷，且由于铁路运输的特殊性，电铁牵引负荷波动频繁、变化剧烈，并对电力系统产生无功功率、谐波、负序等不利影响，这是世界各国交流电铁都具有的共同属性。 电能质

12、量国家标准摘要接触网电压问题 由于铁路运输的不均衡性，电铁负荷波动频繁，变化大。在电力系统短路容量小时，系统短路容量小、负荷功率因数低，会造成电压剧烈波动，电压偏差过大。功率因数问题 交直型电力机车功率因数通常在0.70.85 左右，低于要求的0.9。铁路通常采用安装固定式并联无功补偿装置来提高功率因数。对运输繁忙的双线铁路补偿效果较好，对运量小的铁路，在负荷轻时过补偿比较严重，按无功功率反送正计的考核办法，投入固定补偿比自然功率因数还低。 谐波问题 目前铁路继续使用中的交直型电力机车，由于采用二极管整流或相控整流，会产生3、5、7等奇数次高次谐波电流，对 电力系统及相关设备产生不利影响。推广

13、使用的交直交型电力机车和动车组，高次谐波电流很小。 三相不平衡（负序）问题 对于三相交流电力系统，电力机车或动车 组是不对称的单相负荷，由于铁路行车组 织方案的不均衡性和铁路线路的纵断面起 伏变化，牵引变电所两供电臂负荷呈现不 平衡特性，且几乎随机变化，三相负载每 时每刻都不平衡，从而对电力系统产生负 序影响。 解决功率因数问题 铁路通常采用安装并联无功补偿装置来提 高功率因数，对运输繁忙的双线铁路补偿 效果较好，对运量小铁路，在负荷轻时过 补比较严重，目前采用动态补偿措施，可 很好解决好功率因数低的问题。客运专线采用交直交动车组后，功率因数在0.95以上。解决谐波问题（一）在牵引变电所内安装并联电容无功补偿装置，兼顾 滤波作用，一般3次谐波可滤除50 ，5次谐波可滤除20 ，7次谐波可滤除15。 （二）在部分交直型电力机车上加装补偿装置，补偿功率 因数，并兼滤部分高次谐波。 （三）特殊情况设置综合治理负序、谐波、无功的补偿装 置，采用SVC、SVG等装置。 （四）发展交直交型电力机车和动车组牵引，逐渐淘汰交 直型电力机车，全面推广