模块2.牵引供电系统《高速铁路牵引供电》教学课件

《高速铁路牵引供电》牵引供电系统第二章目录供电系统概述2.1牵引供电系统牵引网供电方式2.2同相供电技术2.3目录供电系统概述第一节电气化铁道的电流制牵引供电系统的组成牵引供电系统的管理与安全高速铁路牵引供电系统将电能从电力系统传送到电力机车的电力设备称为电气化铁路的牵引供电系统，如图所示。2.1

供电系统概述2.1.1

电气化铁道的电流制1.

电流制种类直流制是指在牵引网上采用直流供电，使用直流牵引电动机来驱动机车。三相交流制是应用两根接触导线和一根钢轨形成三相系统的电路。机车采用三相异步电机。单相低频交流制主要在西欧一些国家尤其是德国使用，采用的是单相交流15 kV、

Hz的供电制式。单相工频交流制是20世纪50年代以来发展最迅速的一种牵引供电制式。2.1.1

电气化铁道的电流制2.

各电流制的优缺点电流制优点缺点直流制牵引性能良好、牵引电动机易于调速，机车构造简单和整流技术比较成熟以及对通信干扰小等牵引变电所结构复杂、设备昂贵；投资、运营费用都比较高；要采取特殊防护措施三相交流制牵引变电所和机车设备简单、电动机结构简单、维修方便等接触网结构复杂且不安全，所以只有个别国家采用单相低频交流制可提高牵引网电压；较易将牵引网高压降低到牵引电动机所需低电压设备复杂、效率低，经济效果并不比直流制好单相工频交流制供电系统简单，不需要变换频率；最经济增加了铁路内外通信设备拆迁或埋设电缆的投资牵引供电系统主要包括牵引变电所和牵引网两部分。牵引变电所是电气化铁路供电系统的心脏。牵引网由馈电线、接触网、轨道回路和回流线组成。牵引网的任务是质量良好地、不间断地向电力机车供应电能。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电所向接触网供电。回流线是轨道回路与牵引变电所之间的连接线，它的作用是将轨道回路内的牵引电流吸回牵引变电所。2.1.2

牵引供电系统的组成2.1.3

牵引供电系统的管理与安全接发列车与调车作业安全装卸和押运人员作业安全除供电段专业人员

外

，

任何人

（包括所携带的物件）与牵引供电设备带电部分的距离不得小于2

m……接触网带电部分距装载货物的距离不得少于350mm……2.1.4

高速铁路牵引供电系统我国高速铁路供电系统外部电源的电压选择电力网的电压等级一般根据输送功率和输电距离来选择，其应用的大致范围可参考右表。国外高速铁路外部供电电源的有关数据世界各国采用工频、单相、交流接触网额定电压为25

kV的高速电气化铁路，毫无例外地均采用高压供电。日本山阳等新干线，牵引变电所的进线电压采用27.5

kV。电源的变动和不平衡承受能力都有所提高，更能保证机车稳定、高速运行，也更加经济。法国大部分牵引变电所的进线电压为225

kV，只有一个变电所为63

kV。德国牵引网电压采用15

kV，牵引变电所进线电压采用110kV。另外，它使用 Hz频率给铁路专门供电，有其特殊性。额定电压（kV）输送功率（MV·A）

输送距离（km）11010～5050～150220100～150100～3005001000～1

500150～8502.1.4

高速铁路牵引供电系统高速铁路变电所、分区所主接线及接触网标称电压牵引变电所电源侧主接线电源侧主接线应结合外部电源条件确定，两路电压均可靠时，采用线路变压器组接线。采用分支接线，在两回线间设置由隔离开关分段的跨条，实现电源进线与变压器交叉供电。牵引变电所馈线侧接线采用户外单体布置时，实现上、下行断路器互为备用的联络开关设置在所内线路侧；采用GIS柜布置时，联络开关设置在所外上网开关的线路侧。高速铁路接触网标称电压标称电压25

kV，长期最高电压27.5

kV，短时（5

min）最高电压29kV，最低电压20kV。牵引供电系统牵引网供电方式第二节直接供电方式带回流线的直接供电方式BT供电方式AT供电方式CC供电方式高速铁路供电方式的选择2.2.1

直接供电方式直接供电方式是在牵引网中不加特殊防护措施的一种供电方式。它的两根馈线分别接在接触网上和钢轨上，如图所示。这种供电方式最简单，投资最省，牵引网阻抗较小，能耗也较低。但其缺点是会对通信线路产生电磁感应影响。2.2.2

带回流线的直接供电方式在接触导线平行位置增加金属回流线，并隔一定距离设置连接导线将回流导线与钢轨并联，构成回流导线、钢轨及大地回路的回流设施的供电方式称为带回流线的直接供电方式，如图所示。带回流线的直接供电方式，机车部分电流通过钢轨和大地流回牵引变电所（约70%），其余通过回流线流回牵引变电所（约30%）。2.2.3

BT供电方式BT（Booster

Transformer）供电方式又称吸流变压器供电方式，其主要目的是提高牵引网防干扰能力，目前已经基本不采用，如图所示。BT供电方式存在着一种现象：当机车处在BT间隔内时会失去吸流防护效果。同等条件下，BT供电方式变电所的间距要小很多，且每隔3～4

km在接触网内存在断口，机车通过断口时可能会产生电火花，缩短接触网的使用寿命。2.2.4

AT供电方式1.

AT供电方式工作原理AT供电方式原理如图所示。AT表示变比为2∶1的自耦变压器。列车与变电所间形成长回路，列车所在AT段形成短回路，在相同的牵引功率下牵引网上电流减小，电压损失、功率损耗都大大下降。2.2.4

AT供电方式2.

AT供电方式对通信线路抗干扰原理假设自耦变压器阻抗为零，AT的原绕组n1

与

n2

串联接于电源，n2 连接负载，如图所示。当机车处于两台AT之间（AT段）时，设牵引电流为

I

，对段内有AT3、AT4的副绕组供电，其值分别为

IC1 、IC2

，两电流同时流经钢轨——地回路，并有部分流入大地，均在AT3、AT4的原边绕组

n1

感应电流的作用下，被吸流流至正馈线 F。此时段内两台AT中每台的串联绕组

n1与n2

中的负荷电流总是大小相等、方向相反，其所产生的磁通相互抵消。2.2.4

AT供电方式AT供电方式的主要技术特性牵引网传输功率和电压水平提高。牵引网电压提高为2×27.5

kV后，牵引变电所的间隔可增大为90～100

km（比BT供电方式增大3倍），变电所主变压器副边绕组和相应的开关设备绝缘水平应提高，牵引网单位阻抗显著降低，但牵引网系统（含AT站）的造价增大，维护运行工作增多。对通信线抗干扰特性效果较好，且接触导线不需断口，有利于列车高速运行。2.2.5

CC供电方式CC供电方式是一种新型的供电方式。同轴电力电缆沿铁路线路埋设，其内芯线作为馈电线与接触网并联连接，外部导体作为回流线与钢轨并联连接。每隔5～10

km作一个分段，如图所示。电缆芯线与外部导体电流相等、方向相反，二者形成的磁场相互抵消，对邻近通信线路几乎无干扰。由于阻抗小，因而供电距离长。但由于同轴电力电缆造价高，投资大，现仅在一些特别困难的区段采用。2.2.6

高速铁路供电方式的选择1.

各种供电方式优劣供电方式优势劣势BT供电方式在通信线路防干扰方面性能较好接触导线分成很多段，不适合高速电力牵引AT供电方式大大减少电分相数量，且牵引网阻抗小，显著减少牵引网电压损失；密切配合电力系统向电气化铁道供电的电源选择，降低工程造价；对通信线路的影响小——直接供电方式牵引网阻抗大，变电所间距小，相应的电分相数量多牵引网结构简单2.

我国高速铁路供电方式我国《高速铁路设计规范》（TB10621—2009）中明确规定高速铁路正线牵引网应采用2×25

kV的AT供电方式；采用2×25

kV的AT供电方式时接触电压长期持续不应高于60

V，瞬时（0.1s）值不应高于842

V。牵引供电系统存在的问题牵引供电系统存在问题的危害解决对策同相供电技术第三节2.3.1

牵引供电系统存在的问题目前，国内外电气化铁路牵引供电系统采用的都是异相供电方式，其结构如图所示，实线和虚线分别是直接供电方式和AT供电方式下的结构图。此系统在运行中存在如下不足：为保障机车通过电分相，目前采取了自动过分相技术。牵引负荷是非线性、移动性动态单相交流负荷，在三相电力系统中引起负序电流，造成系统三相严重不平衡。电分相、三相不平衡等成为高速铁路发展的瓶颈。牵引变电所牵引变压器D-3ABCTRF牵引变电所牵引变压器2.3.2

牵引供电系统存在问题的危害无功的影响电压偏差的影响牵引网的并联补偿牵引变电所的并联补偿用电、输电、发电设备的效率降低造成继电保护装置不正常工作不正常……对旋转电机的影响对继电保护的影响……负序影响谐波的影响无功与电压偏差影响并联无功补偿变电所跳闸、停电主断路器动作频繁列车速度降低电气化铁路对电力系统电能质量的影响电分相对电力机车（或电动车组）的运行影响2.3.3

解决对策1.

解决对策负序电流电气化铁路对电力系统电能质量的影响处理方案谐波问题无功和电压偏差问题采用大容量的电源改善变压器的结线采用换相连接改善机车负荷特性接入供电能力强的公用电网所内设置滤波支路进行集中治理改善机车负荷特性在牵引变电所内设置无功补偿装置进行集中治理电分相对电力机车（或动车组）运行影响的解决措施采用自动过分相技术采用同相供电技术我国目前大量推广使用交-直-交型机车（动车组），其功率因数接近1，谐波含量大大降低，因此电能质量指标中只有负序是关键。2.3.3

解决对策2.

同相供电技术1）单三相组合式同相供电方案原理牵引变电所的单三相组合式同相供电方案原理示意图如图所示。供电原理：当牵引负荷功率小于等于同相供电装置容量的2倍时，负序电流完全补偿，由此引起的三相电压不平衡度为零；当牵引负荷功率大于同相供电装置容量的2倍时，虽有剩余负序电流流通，但产生的三相电压不平衡度满足国标要求。2.3.3

解决对策2.

同相供电技术2）单相组合式同相供电方案原理牵引变电所采用单相组合式同相供电方案原理示意图如图所示。供电原理：牵引变压器TT与高压匹配变压器HMT，构成不等边SCOTT连接组，即构成一种供电容量不等、电压幅值不等、电压相位垂直的特殊的三相两相平衡变压器，从而实现负序电流的补偿。2.3.3

解决对策2.

同相供电技术3）同相供电技术优缺点将全线的电分相的个数减少一半优点解决负序、无功、谐波问题提高牵引变压器容量利用率增强牵引供电系统的节能效果高度的可扩展性缺点变流器造价较高，一次性建设投资大同相供电装置退出超过规定时间未修复时，需要适当限制最大行车量2.3.3

解决对策3.

基于有源滤波器的V,v

接同相供电系统1）

V,v

接同相供电系统的结构（1）直供与BT供电方式同相供电方案方案如图所示，其特点为：①

平衡器可由“背靠背”的两单相变流器构成。②

与基于YN,

d11接的同相供电系统相比，除所采用的变压器不同外，其余的如补偿电流检测方法、平衡器的结构和控制方法、三相平衡效果、无功和谐波的补偿效果等都相同。2.3.3

解决对策3.

基于有源滤波器的V,v

接同相供电系统1）

V,v

接同相供电系统的结构（2）AT方式2×55

kV同相供电方案方案如图所示，其特点为：①变压器造价低，工作变压器数量少。②通过对平衡器的控制，能够实现三相平衡变换，并能动态补偿谐波和无功。③补偿电流检测方法以及平衡器的控制方法都与基于

YN

,d11

接的同相供电系统相同。④

当平衡器损坏时，系统将变成单相接线，三相严重不平衡，无法补偿谐波和无功；但同相供电还能继续运行，通信干扰防护效果不变。2.3.3

解决对策3.

基于有源滤波器的V,v

接同相供电系统1）

V,v

接同相供电系统的结构（3）AT方式2×27.5

kV同相供电方案方案如图所示，其特点为：①

变压器造价低，数量少；系统投资远比三相

YN

,d11十字交叉接等方式的少。②

通过对平衡器控制，能够实现三相平衡变换，并能动态补偿谐波和无功。③

补偿电流检测方法与基于

YN

,d11

接的同相供电系统相同。④

平衡器的结构需采用三相四桥臂变流器实现；平衡器的控制方法相对较复杂。⑤

当平衡器损坏时，能继续供电但无法补偿谐波和无功，不再有AT方式的通信防护效果。2.3.3

解决对策3.

基于有源滤波器的V,v

接同相供电系统2）平衡变换与补偿（1）平衡变换的原理

ipa

ilp

右上图为V,v

接平衡变换原理示意图，由图可知：

ia

i

b

ilp

ipb

i

0

ic

1[iA iB iC

]

式中，K为变压器的变比。所以原边电流各序分量为：

i

1

pc

0

A0

iA2

3K

1

a

iA1

式中，ip0，ip1，ip2分别为平衡器输出电流的各序分量；

a

ej120

。2.3.3

解决对策3.

基于有源滤波器的V,v

接同相供电系统2）平衡变换与补偿（1）平衡变换的原理。。是实现三相平衡并滤除谐波和无功的电源电流期望式。A0又 i

0，

A2i

0，

A1lplp331 i

ej30

i

1(1

a2

)i

abclp13

j30

进一步可以得出：

i

ai

a2i

i

epalp13j30

，i

a2i

ai

i

epb pclp13

j30

其中，i

ai

a2i

i

ea b c2.3.3

解决对策3.

基于有源滤波器的V,v

接同相供电系统2）平衡变换与补偿（2）平衡器的补偿电流及其检测平衡器的补偿电流由三部分组成：基波有功电流引起的负序分量、基波无功电流分量和px谐波电流，也即：

i

i

i

i1px 1qx hx式中，i表示平衡器

x(x a,

b,c)

相的输出电流；i1px

，i1qx

分别为负载引起的

x

相的基波有功负序电流和无功电流；ihx

为负载引起的x相的谐波电流。设负载电压（牵引网电压）为：uL

(t)

2U

sin(

t

30

)而负载电流总可以表示为：iL

(t)

i1p

(t)

i1q

(t)

ih(t)2.3.3

解决对策3.

基于有源滤波器的V,v

接同相供电系统2）平衡变换与补偿（2）平衡器的补偿电流及其检测式中，i1p

( 和

i1q

(t)分别为与电压

uL

(t)

的同相位瞬时基波有功电流分量和正交瞬时基波无功电流分量；ih

(t)

为所有瞬时谐波电流之和。i1p(t)

2I1p

sin(

t

30

)i1q

(t)

2I1q

cos(

t

30

)将式 i1p(t)

2I1p

sin(

t

30

)

乘以2

sin(

t

30

)

得：iL

(t) 2

sin(

t

30

)

I1p[1

cos2(

t

30

)]

[iq

(t)

ih

(t)] 2sin(

t

30

)式中，I1p

，I1q

分别为负载基波有功电流和无功电流分量。2.3.3

解决对策3.

基于有源滤波器的V,v

接同相供电系统2）平衡变换与补偿（2）平衡器的补偿电流及其检测根据以上分析可以得出如右图所示的平衡器综合补偿电流实时检测电路。L02

sin

t

i (t)

i(t)

1

ap

2sin(

t

120

)

3三相综合补偿电流期望值分别为：

ibp

(t)

iL

(t)

i(t)

2sin(

t

120

)

cp

2.3.3

解决对策3.

基于有源滤波器的V,v

接同相供电系统2）平衡变换与补偿（3）平衡变换器的结构及其控制平衡变换器由“背靠背”的两个单相变流器构成，如右图所示。两单相变流器可以独立控制，控制方法相同。以左侧单相变流器为例做简要分析，由图abab可知：

u

Ldi

Ri

edt式中，L，R

和

eab

分别为从桥臂侧看系统的等效电感、电阻和电源电势。uab

，i

分别为变流器输出电压（两桥臂间电压）和输出电流。2.3.3

解决对策3.

基于有源滤波器的V,v

接同相供电系统2）平衡变换与补偿（3）平衡变换器的结构及其控制为了使变流器输出期望电流

，则应控制变流器输出期望电压，因此需利用变流器输出的三种电压调制得到。可采用状态优化控制方法，控制规则如右表所示。**di*设

u*

，i*

分别为变流器输出电压、电流的期望值，则：

u

L

Ri

eabdt2.3.3

解决对策值，但系统阻抗是变化的，会影响其控制精度。为此提出双滞环比较状态优化控制方法。3.

基于有源滤波器的V,v

接同相供电系统2）平衡变换与补偿（3）平衡变换器的结构及其控制*上述方法需要根据式

u*

L

di

计算出

u*

，以判断其大小，这需要预先估计

L

和

Rabu*udt忽略R

可得 L

dΔidΔi由此可构造出双滞环电流比较状态优化控制方法。由于准确检测 较困难，故实际根据检测

Δi

是否继续增加来判定

u*

的状态。2.3.3

解决对策3.

基于有源滤波器的V,v

接同相供电系统2）平衡变换与补偿（3）平衡变换器的结构及其控制图示为双滞环电流比较状态优化控制框图。图中

Si

，Su分别为内外环比较器输出状态值，由图可得