电力牵引供电系统概述

电力牵引供电系统概述第1页/共83页1.2电力系统简介第2页/共83页一概述

由于电能不能大量储存，电能的生产、传输、分配和使用就必须在同一时间内完成。这就需要将发电厂发出的电能通过输电线路、配电线路和变电站配送，将发电厂和用电设备连接在一起有机地联成一个“整体”。

我们将这个由发电、送电、变电、配电和用电五个环节组成的“整体”称为电力系统。

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电力系统是由发电厂、输电网、配电网和电力用户组成的整体，是将一次能源转换成电能并输送和分配到用户的一个统一系统。输电网和配电网统称为电网，是电力系统的重要组成部分。发电厂将一次能源转换成电能，经过电网将电能输送和分配到电力用户的用电设备，从而完成电能从生产到使用的整个过程。电力系统还包括保证其安全可靠运行的继电保护装置、安全自动装置、调度自动化系统和电力通信等相应的辅助系统（一般称为二次系统）。一概述

第4页/共83页图1电力系统示意图火力发电厂110kV220kV330kV500kV一次降压变电站35kV二次电压变电站10kV10kV工厂变压器台220V住宅380V/220V第5页/共83页

发电厂电力网电力用户二

电力系统的组成第6页/共83页

发电厂是实现把其他形式的能源转化成电能的场所。现在我国的发电厂主要有火力发电厂、水力发电厂、核能发电厂等。此外，还有利用地热资源、再生资源（太阳光能，太阳热，风力，潮汐，波浪，海流等）其他形式的能源进行发电。

1、火力发电厂

2、水利发电厂

3、核能发电厂

4、地热发电厂

5、潮汐发电厂

6、风力发电厂：已接近常规电厂的造价，上网电价可降到4角左右。

7、太阳能发电厂：高耗能、低效率。1.发电厂

第7页/共83页发电机基本工作原理第8页/共83页2.电力网

电力系统中连接发电厂和用户的中间环节称为电力网，它由各种电压等级的输配电线路和变电站组成。电力网按其功能可分为输电网和配电网。

输电网是电力系统的主网，它是由35kV及以上的输电线和变电站组成

配电网是由10kV及其以下的配电线路和配电变压器组成

就我国目前绝大多数电网来说，高压电网指：110KV，220KV电网；超高压电网指330KV，500KV和750KV电网。特高压电网指的是以1000KV输电网为骨干网架，超高压输电网和高压输电网以及特高压直流输电（正负800KV），高压直流输电和配电网构成的现代化大电网。第9页/共83页电力网按电压等级分为：低压电网——电压1KV以下中压员网——电压1-10KV高压电网——电压高于10KV，低于330KV超高压网——电压高于330KV，低于750KV特高压网——电压1000KV及其以上第10页/共83页输电网是电力系统中最高电压等级的电网，是电力系统中的主要网络（简称主网），起到电力系统骨架的作用，所以又可称为网架。在一个现代电力系统中既有超高压交流输电，又有超高压直流输电。这种输电系统通常称为交、直流混合输电系统。配电网是将电能从枢纽变电站直接分配到用户区或用户的电网，它的作用是将电力分配到配电变电站后再向用户供电，也有一部分电力不经配电变电站，直接分配到大用户，由大用户的配电装置进行配电。第11页/共83页(1)输电线路

电力输送设备是由输电线路、变电站和配电线路等组成。输送电能通常采用三相三线制交流输电方式。

采用高压、超高压远距离输电是各国普遍采用的途径。目前我国常用的输电电压等级有35kV，110kV，220kV，330kV，500kV等多种。

输电过程中,一般将发电机组发出的6~10kV电压经升压变压器变为35~500kV高压，再利用降压变压起将35kV高压变为6~10kV高压。通过输电线可远距离将电能传送到各用户.第12页/共83页(2)变电站变电站有升压变电站与降压变电站之分。

根据供电的范围不同，变电站可分为一次（枢纽）变电站和二次变电站。一次变电站是从110kV以上的输电网受电，将电压降到35kV—110kV，供给一个大的区域用电。二次变电站，大多数从35—110V输电网络受电，将电压降到6—10kV，向较小范围供电。

第13页/共83页(3)配电线路

配电的作用是将电能分配到各类用户。常用的配电电压有10kV或6kV高压和380/220V低压。由10kV或6kV高压供电的用户称为高压用户。由380/220V低压供电的用户称为低压用户。

低压配电线路是指经配电变压器，将高压10kV降低到380/220V等级的线路。第14页/共83页三用户

一级负荷:指中断供电将造成人身伤亡者、重大的政治影响、重大的经济损失或公共场所秩序严重混乱的负荷。对一级负荷应有两个或以上独立电源供电。

二级负荷:指中断供电将造较大的经济损失（如大量产品报废）或造成公共场所秩序混乱的负荷（如大型体育场馆、剧场等）。对二级负荷尽可能要有两个独立的电源供电。

三级负荷:不属于一、二级负荷者是三级负荷。三级负荷对供电没有什么特别要求，可以非连续性地供电，如小市镇公共用电、机修车间等，通常用一个电源供电。第15页/共83页1.3三相电力系统的中性点运行方式第16页/共83页基本概念1、电力系统的中性点：发电机、变压器的中性点且指变压器Y形接线。2、运行方式共三种：中性点不接地运行方式

中性点经消弧线圈接地运行方式

中性点直接接地运行方式前两种接地系统统称为：小接地电流系统，后一种接地系统又称为：大接地电流系统。3、分析中性点运行方式的目的：运行方式的不同会影响运行的可靠性、设备的绝缘、通信的干扰、继电保护等第17页/共83页目录一中性点不接地系统二中性点经消弧线圈接地系统三中性点直接接地系统四中性点不同接地方式的比较和应用范围第18页/共83页一中性点不接地系统第19页/共83页一中性点不接地系统1正常运行情况

⒈简化等值电路图2-1正常运行时的中性点不接地的电力系统（a）电路图（b）相量图第20页/共83页假设条件C—各相对比地之间是空气层，空气是绝缘介质，组成分散电容：图2-1为了方便讨论，认为：1、三相系统对称2、对地分散电容用集中电容表示,相间电容不予考虑3、当导线经过完全换位后，Cu=Cv=Cw=C第21页/共83页分析：图2-11、三相系统对称时，三相电压对称,即2、由于Cu=Cv=Cw=C，则IcA=IcB=Icc=Ux/Xc＝也对称，即第22页/共83页结论正常运行时：地中没有零序电容电流流过。中性点对地电位为零。第23页/共83页2单相接地故障

⒈简化等值电路假定C相完全接地，如下图。图2-2单相接地故障时的中性点不接地的电力系统（a）电路图（b）相量图第24页/共83页分析：图2-2电流情况：电压情况：第25页/共83页结论接地故障相对地电压降低为零；非接地故障相电压升高为线电压（倍）且相位改变→绝缘水平按线电压设计（35KV及以下

）中性点对地电压升为相值（方向与故障相电压相反，即-Ｕc）相对中性点电压和线电压仍不变→三相系统仍然对称，可以继续运行2h（供电可靠性提高）接地点流过的电容电流是正常每相对地电容电流的３倍，即Ｉc＝３Ｉco→故在接地点有电弧第26页/共83页单相接地时接地电流危害

单相接地时的接地电流将在故障点形成电弧。当出现稳定电弧时可能烧坏电气设备，或引起两相或三相短路。尤其是电机或电器内部因绝缘损坏而造成一相导体与设备外壳之间接触产生稳定电弧时，更容易烧坏电机、电器或造成相间短路。第27页/共83页接地电容电流的经验算法：Ic—中性点不接地系统地单相接地电容电流（A）U—电网额定线电压（Kv）L—同一电压U具有电气联系的架空线路或电缆线路总长度（km）返回架空线路电缆线路第28页/共83页习题1、中性点不接地的电力系统发生单相接地故障时，各相对地电压有什么变化？单相接地电流有什么变化？性质如何？第29页/共83页1、中性点不接地的电力系统发生单相接地故障时，各相对地电压有什么变化？单相接地电流有什么变化？性质如何？答：故障相电压等于0，非故障相电压升高倍。单相接地电流为一相对地电容电流的3倍，为容性电流。第30页/共83页2、单相接地时接地电流可能产生的危害？第31页/共83页2、单相接地时接地电流可能产生的危害？单相接地电流为一相对地电容电流的3倍，单相接地时的接地电流将在故障点形成电弧。当出现稳定电弧时可能烧坏电气设备，或引起两相或三相短路。第32页/共83页二中性点经消弧线圈接地系统第33页/共83页问题的提出为什么要采用中性点经消弧线圈接地系统？中性点不接地电力网发生接地时，仍可继续运行2h，但若接地电流值过大，会产生持续性电弧，危胁设备，甚至产生三相或二相短路。第34页/共83页二中性点经消弧线圈接地系统1消弧线圈的工作原理图2-3中性点经消弧线圈接地的电力系统（a）电路图（b）相量图第35页/共83页1消弧线圈的工作原理1、正常运行时：中性点对地电位为零：UN=0消弧线圈中无电流：IL=0流过地中的电容电流为零：IC=02、单相接地时：中性点电位升高为相电压：消弧线圈中出现感性电流：与相差1800流过接地点电流：+（相互抵消）消弧线圈不起作用→实现补偿第36页/共83页2补偿方式及选用1、全补偿:ＩL＝ＩC

即１／ωＬ＝３ωＣ接地点电流为零缺点：XL=Xc，网络容易因不对称形成串联谐振过电压危及绝缘2、欠补偿:ＩL＜ＩC

即１／ωＬ＜３ωＣ接地点为容性电流缺点：易发展成为全补偿方式,切除线路或频率下降可能谐振。3、过补偿:ＩL＞ＩC

即１／ωＬ＞３ωＣ接地点为为感性电流注意：电感电流数值不能过大≯10A不采用少采用采用第37页/共83页中性点经消弧线圈接地系统

U相金属性接地电压变化特点:故障相对地电压变为零非故障相对地电压升高倍系统各相对地的绝缘水平也按线电压考虑

第38页/共83页3消弧线圈1、消弧线圈结构特点：①为了保持补偿电流与电压之间的线性关系，采用滞气隙铁芯②气隙沿整个铁芯均匀设置，以减少漏磁③为了绝缘及散热，铁芯和线圈都浸在油中④为适应系统中电容电流变化特点，消弧线圈中设有分接头（5～9个）2、补偿容量的选择：Ｑh.e≥1.35ＩcＵx3、消弧线圈的安装地点发电厂的发电机或厂变的中性点；变电所主变的中性点。4、适用范围：广泛应用在不适合采用中性点不接地的以架空线路为主体的3-60kV系统；个别雷害严重的地区110kV系统不得已采用。返回第39页/共83页三中性点直接接地系统第40页/共83页1简化等值电路

假定C相完全接地，如下图。图2-4单相接地故障时的中性点直接接地的电力系统第41页/共83页2.3.2单相接地时

1、电压情况（C相）接地相电压降低→为0非接地相电压不变→为相电压中性点对地电压不变→为02、电流情况形成短路→危害大→装设继电保护→跳闸切除故障（供电可靠性降低），避免接地点的电弧持续。分析第42页/共83页优点：

1、不外加设备即可消弧

2、降低电网对地绝缘，节省造价缺点：

1、供电可靠性降低改进：装自动重合闸装置、加备用电源

2、电流很大且单相磁场对弱电干扰改进：中性点经电抗器接地、仅部分中性点接地

3、不产生过电压，设备绝缘水平低20％，造价低。结论返回第43页/共83页中性点经小阻抗(小电阻或电抗器)接地

着眼点是为了增大零序电抗，以限制单相短路电流

第44页/共83页四中性点不同接地方式的比较和应用范围第45页/共83页1、供电可靠性经消弧线圈接地>不接地>直接接地2、过电压与绝缘水平大接地→相电压小接地→线电压3、继电保护

大接地→灵敏、可靠小接地→不灵敏4、对通信的干扰

大接地→电流大、干扰大小接地→电流小，干扰小5、系统稳定性1中性点不同接地方式的比较小接地系统优先小接地系统优先小接地系统优先大接地系统优先大接地系统优先第46页/共83页110kv及以上——直接接地20~60kvI<10A——中性点不接地

I>10A——中性点经消弧线圈接地10kvI<20A——中性点不接地

I>20A——中性点经消弧线圈接地3~6kvI<30A——中性点不接地

I>30A——中性点经消弧线圈接地1kv及以下——直接接地2中性点运行方式的应用范围返回第47页/共83页1．消弧线圈的补偿运行方式有三种：__________运行方式和__________方式和__________方式，一般应采用__________运行方式。

2.在35KV系统中，电容电流大于____A，在10KV系统中，电容电流大于______A，应采用中性点______________接地系统。第48页/共83页全补偿欠补偿过补偿过补偿1．消弧线圈的补偿运行方式有三种：__________运行方式和__________方式和__________方式，一般应采用__________运行方式。第49页/共83页2.在35KV系统中，电容电流大于____A，在10KV系统中，电容电流大于______A，应采用中性点______________接地系统。10，20，经消弧线圈或电阻第50页/共83页1.4牵引供变电系统的组成第51页/共83页1牵引供电系统的构成第52页/共83页电力系统向牵引供电系统供电示意图第53页/共83页第54页/共83页牵引变电所：核心元件为变压器

(1)

三相YNd11接线；

(2)单相Ii接线；

(3)单相Vv接线；

(4)Scott接线。

牵引网：由馈线、接触网、轨（地）、回流线组成。 （1）直接供电方式

（2）带回流线的直接供电方式

（3）吸流变压器(BT)供电方式

（4）自耦变压器(AT)供电方式第55页/共83页牵引变电所

把电力系统供应的电能变换成适合电力机车牵引要求的电能。第56页/共83页牵引变电所:把电力系统供应的电能变换成适合电力机车牵引要求的电能。馈电线:连接牵引变电所和接触网的导线。它将牵引变电所变换后的电能送到接触网。接触网:是一种悬挂在轨道上方，沿轨道敷设的、和铁路轨顶保持一定距离的输电网。通过电动车组的受电弓和接触网的滑动接触，牵引电能就由接触网进入电动车组，从而驱动牵引电动机使列车运行。轨道:在非电牵引情形下只作为列车的导轨。在电力牵引时，轨道除仍具有导轨功能外，还需要完成导通回流的任务。因此，电力牵引的轨道，需要具有良好的导电性能。回流线:是连接轨道和牵引变电所的导线。通过回流线把轨道中的回路电流导入牵引变电所的主变压器。

第57页/共83页电气化铁路三大技术课题负序电流：动态单相取流，产生负序电流输入电力系统；措施：三相-两相变压器；变电所换向连接；高次谐波

机车整流器产生高次谐波，对通信产生干扰。

措施：BT,AT供电方式功率因数低

措施：并联电容补偿第58页/共83页对电气化铁道供电系统的基本要求安全、可靠，不间断供电：；保证必须的电压水平:19～29KV，额定27.5kv；提高功率因素；减少负序电流和高次谐波；减少对邻近通信线路的干扰。第59页/共83页1.5牵引供电方式第60页/共83页按分区所运行状态分类：(1).单边供电;(2).双边供电；(3).上、下行并联供电；按牵引网设备类型分类：(1).直接供电方式（TR供电方式）;(2).BT供电方式(Booster-Transformer,吸流变压器）；(3).AT供电方式（Auto-Transformer,自耦变压器）；(4).带回流线的直接供电方式（DN供电方式）；(5).CC供电方式（CoaxialCable,同轴电缆）；

第61页/共83页单边供电钢轨变电所变电所馈线分区所分区所开关打开，只由一端供电第62页/共83页双边供电钢轨变电所变电所馈线分区所分区所开关闭合，由两端供电。第63页/共83页上、下行并联供电第64页/共83页(1)直接供电方式钢轨T变电所接触网C机车电流I钢轨电流I1地中电流I2特点：投资小，钢轨电位高，对通信线感应干扰大。法国、英国、前苏联广泛使用第65页/共83页(2)BT供电方式特点：变比为1：1的BT串入接触网，间隔为1.5~4km,用以吸回地中电流，减少通信干扰。优点：钢轨电位低，抑制通信干扰效果好；缺点：增加牵引网结构的复杂性，提高造价。阻抗增大，使供电臂长度减小；存在BT分段（火花间隙），不利于高速、重载等大电流运行第66页/共83页

BT供电方式在牵引网中，每相距1.5km—4km间隔，设置一台变比为1:1的吸流变压器。吸流变压器设在分段中央，其原边串入接触网，副边串入沿铁路架设的回流线。回流线通常就悬挂在铁路沿线的接触网支柱外侧的横担上。第67页/共83页1—接触网；2—为轨道；3—为回流线；4—为吸流变压器，变比1:1，一次线圈串接入接触网，二次线圈串接入回流；5—为吸上线，一端接回流线，另一端与轨道或吸流变压器线圈中点连接，以提供从电力机车到轨道的返回电流流到回流线中去的通路。6—为位于远端的吸上线处的电力机车；第68页/共83页

这种装置的防护作用在于：把本来是尺寸很大的接触网—轨道大地回路改变成尺寸相对很小的接触网—回流线回路。当牵引电流流经吸流变压器原边时，副边在回流线中产生很大的互感电势。吸流变压器的作用也就是在接触网和回流线之间集中地加大互感。即：设吸流变压器原边电流为I1，匝数为ω1；副边电流I2，匝数为ω2。根据磁势平衡关系：

I2ω2≈I1ω1又因为变比为1:1，则ω1=ω2，所以I2≈I1

说明：采用吸流变后，只有变压器原边的激磁电流仍流经轨道和大地，且电流数量很小。如果不设吸流变，单凭接触网和回流线之间的分布互感，仅约10-20%牵引电流经回流线流回。第69页/共83页

同时回流线和接触网中的电流基本上大小相等，方向相反。两者的交变磁场基本上可互相平衡(抵消)。显著地减弱了接触网和回流线周围空间的交变磁场，使牵引电流在邻近的通信线路中的电磁感应影响大大地减小。

缺点：1.

电力机车处于吸流变压器附近时防护效果差。机车电流经轨道与大地，然后经回流线流回，接触网在a、b段中没有电流，而回流线中有电流，则在ab段的长度内等于没有防护。第70页/共83页回流线cd中无电流，在接触网cd段的长度内等于没有防护。两种情形都使吸流变压器—回流线在半段长度里失去效用，这种现象叫做半段效应，失效区相当于分段长度之半。所以实际装置是在供电臂内设置长度不大的许多吸上分段，每个分段仅长2—4km，每个分段中央设置一台吸流变压器。分段以吸上线为界，吸上线一端接回流线，另一端焊入钢轨。第71页/共83页

按照这种安排，半段效应长度大大缩小，且只有处在一个分段中的机车的电流而不是牵引网总电流在该分段产生半段效应影响。2.使牵引网阻抗显著增大。接触网—回流线回路比通常牵引网阻抗要高。应用这种装置的牵引网，其阻抗等于接触网—回流线回路阻抗与吸流变压器短路阻抗之和。由于牵引网阻抗增高，有时可能必要缩短牵引变电所间的距离，或增设串联电容补偿，来保证牵引网电压水平。第72页/共83页(3)AT供电方式特点：回流线为正馈线T，供电电压为2x27.5kv,间隔约10km加AT变压器优点：供电电压成倍提高，牵引网阻抗小，供电远距离长，为直接供电的170~200%，网上电压损失和电能损失小。钢轨电位低，抑制通信干扰效果好。缺点：投资大，电流分布复杂，保护算法难度大第73页/共83页

日本铁路为防止通讯干扰，在实行交流电气化的前期，在牵引网中普遍应用了BT供电方式。但当高速、大功率机车在这种电路中通过吸流变压器分段时，在受电弓上会产生强烈电弧，为了克服此缺点，后来发展了一种新的牵引网供电方式—自耦变压器供电方式。AT供电方式第74页/共83页T—接触网；R—轨道；F—正馈线；AT—自耦变压器AT供电方式：由接触网T、正馈线F、轨道大地系统R以及每隔一定距离的自耦变压器(AT)构成。AT并联于接触导线与正馈线之间，AT中点与钢轨相连。第75页/共83