高速铁路牵引供电系统相关问题的分析与研究应用毕业设计方案.doc

毕业设计摘要高速列车与牵引供电系统直接有关,是进行牵引供电系统研究最重要基本。为此，文一方面对牵引供电系统构成进行了详细简介，然后结合牵引供电系统供电方式及牵引供电回路特点，对牵引供电系统供电分析论证,针对无功功率、谐波电流、负序电流，分析了牵引供电系统存在问题提出理解决办法。然后提出了抱负牵引供电系统，依照运营方式与同相供电系统，研究并分析牵引变电所(最小)补偿容量，并提出研究后自耦变压器(AT)供电模式，从而进行新型AT供电模式研究。核心词：牵引供电系统、牵引变电所、供电系统、供电回路目录第1章 绪论11.1 本文研究目和意义11.2 国内外研究现状21.2.1 概况21.2.2 日本31.2.3 法国51.2.4 德国61.3 本文重要工作6第2章 高速铁路牵引供电系统系统简介72.1 牵引供电某些72.2 牵引网供电方式92.2.1 直接供电方式92.2.2 吸流变压器回流线装置BT92.2.3 自耦变压器供电方式(AT)102.2.4 带回流线直接供电方式(DN)112.3 牵引供电回路12第3章 高速铁路牵引供电系统有关问题143.1 铁道牵引供电系统构成143.2 铁道牵引供电系统存在问题143.2.1 无功功率143.2.2 谐波电流153.2.3 负序电流153.2.4 解决办法15第4章 高速铁路牵引供电发展若干核心技术问题174.1 抱负牵引供电系统174.1.1 系统构成174.1.2 运营过程184.2 现行方式与同相供电系统194.2.1 同相供电系统194.2.2 牵引变电所(最小)补偿容量20道谢21参照文献22第1章 绪论1.1 本文研究目和意义随着国内国门经济持续稳定发展，人口城乡化进程加速，国际交往急剧增长，旅游事业日益兴旺，诱发了大量困运需求。人民生活水平提高，时间价值观念增强，客观上提出了发展高速铁路客运系统社会需求。之前国家批准铁道部报送中华人民共和国铁路发展中，长期规划，规划中，明确了将建设四纵，四横迅速客运通道，升级速度喂350km/h武汉客运专线就是四纵中京广客运通道重要构成某些。高速客运专线设计在国内相对完善，单设计中还存在诸多没有解决课题，就牵引供电系统设计而言，也同样存在诸多当前国内尚未掌握和解决难题。告诉客运专线速度高，运量大，行车密度，供电系统出送功率势必很大。如今高速铁路飞速发展，在高铁动车组列车大幅投入运营同步，对高铁安全可靠性也提出了更高规定。在高铁运营各技术系统中，牵引供电系统特别重要，因牵引供电系统直接关系高铁可靠运营。高速铁路之因此受到广泛青睐，在于其自身具备明显长处：缩短了旅客旅行时间，产生了巨大社会效益；对沿线地区经济发展起到了推动和均衡作用；增进了沿线都市经济发展和国土开发；沿线公司数量增长使国税和地税相应增长；节约能源和减少环境污染。随着京津城际铁路、武广高速铁路、郑西高速铁路、沪宁城际高速铁路等相继开通运营，中华人民共和国高铁正在引领世界高铁发展.进入本世纪，随着环境问题日益严峻，专家们以为，交通运送各行业中，从单位运量能源消耗、对环境资源占用、对环境质量保护、对自然环境适应以及运营安全等方面来综合分析，铁路优势最为明显。因而欧洲各发达国家在经历了一段曲折道路之后，重新审视和调节其运送政策，把重点逐渐移回铁路，其方略中重要一环是规划和发展高速铁路。专家们纷纷指出，发展中华人民共和国高速铁路势在必行。1.2 国内外研究现状1.2.1 概况(1)供电制式电气化铁道最早采用直流和低频交流（以15kV、16 2/3Hz为主），有也曾采用单项交流供电，日后居上是单相工频交流供电。低频交流和直流供电电压都较低，变电所间距较短，有多一套变频和整流设备，因而供电设备投资比单相工频供电要大。单相工频交流供电可以运用公共电力系统，经降压后直接使用，并且由于采用比较高25kV或225kV电压，在输送相似功率时，接触网电流减少，接触网上压损和电能损失也减少，延长了牵引变电所间距，接触悬挂也可选用轻型构造，支柱容量也可减少，从而大大节约牵引网投资。当前高速电气化铁路也是以单相工频供电为主。法国、日本、西班牙高速铁路采用了单相工频交流供电方式；德国沿用了15kV，16 2/3Hz低频交流供电；意大利沿用了直流供电方式。(2)减少负序和通信干扰重要办法高速电气化铁路牵引负荷为大容量单相负荷，其产生不平衡电压和电流对公共电力系统构成危害，供电臂上不稳定负荷，更加重了不平衡度；以钢轨为回流通路地中电流对沿线通信和信号设备产生电磁干扰，危及设备和人身安全，影响通信质量；电力机车整流产生高次谐波对电力系统和通信线路也产生严重影响。减少单相交流供电不平衡电压和电流，有如下办法： 变化主变压器接线采用Scott和变形伍德桥接线，实现三相-两相平衡互换。当两供电臂负荷电流和功率因数相似时，电力系统中三相电流平衡。虽然在两供电臂电流不同状况下，不平衡度也大大减少。 无功补偿实现三相-单相平衡在列车高速运营状况下，为克服不平衡电压和电流影响，应增大电力系统短路容量，但这往往需要加长输电线距离，增长建设费用。而高速电动车组再生制动采用，使原理减少不平衡电压和电流办法变得更加困难。采用任何接线变压器都做不到三相-单相平衡对称变换，必要辅以恰当并联无功补偿设备。日本研究开发了一种静态不平衡馈线补偿装置。该装置是在Scott接线变压器M座和T座接上电容器和电抗器构成平衡补偿装置，借助并联无功补偿办法，实现三相-单相对称变换，从而减少牵引供电系统对电力系统锻炼容量规定，以运用附近较弱电源，并且不必考虑馈线负荷不平衡问题。1.2.2 日本(1)牵引供电系统概况日本1964年东海道新干线开通时，采用BT供电方式，变电所间隔20km左右，最大供电电流1000A。但BT供电方式存在诸多问题，如在通过接触网电分段时产生很大电弧，极易烧坏滑板及解除导线，加之牵引网单位阻抗很大，在大负荷状况下磨损很大，牵引网电能损失很大。1972年山阳新干线正式采用日本铁道研究所开发AT供电方式，在这之后其她新干线均采用AT供电方式，变电所间距约60km左右，最大供电电流约3000A。日本东海道新干线供电电压为25kV、60Hz，山阳新干线供电电压25kV、60Hz，东北，上越新干线供电电压25kV、50Hz，山形新干线供电电压20kV、50Hz，北陆新干线供电电压25kV、60Hz。新干线AT供电方式变电所容量在100150MVA，供电电压容许波动范畴为：1927.5kV，额定电压为25kV，瞬时最低17.5kV，在22.527.5kV列车可满功率运营。为了提高功率因数，变电所端设立了并联电容，容量约为6000kVar/单位电臂，为了增强供电能力，变电所还设立了静止无功率补偿装置（SVC），进行综合补偿。(2)高次谐波、功率因数、再生制动对牵引供电设备影响300系、700系、500系、E1系、E2系、E3系、E4系及300X、STAR21型实验车等均采用PWM变流器和VVVF逆变器。该变流回流特点是：采用再生制动、次数较高谐波含量高、功率因数高。 高次谐波特点和减少影响办法交直交传动与交直传动相比，由于采用主元件性能有很大改进，以及动力分散型列车各单元之间采用不同相位、保持一定相角差来补偿一某些谐波，总体上谐波是比较低。但由于采用PWM技术，15001800Hz高次谐波含量明显增长。采用AT供电方式，供电臂增长，电源阻抗增长，电源电感L和馈线回路电容C在较低频率时会产生共振，当与机车输出频率接近时，产生高次谐波放大。新干线供电回路共振频率约为1000Hz。高次谐波共振危害有：a、恶化系统电气设备绝缘能力；b、车辆主回路和辅助回路误动作；c、通信杂音干扰；d、设备烧损。通过模仿分析和现场测试，以为共振重要是高次谐波在供电臂末端反射形成，为了抑制高次谐波共振，在供电臂末端安装HMCR装置；在供电臂21.5km复线区间实验成果为：共振频率为1550Hz，放大倍数为14.66倍，在分区亭设立HMCR装置后，共振频率移至500Hz。为了防止高次谐波放大，协调并减少车辆、供电设备和环境设备干扰，日本制定了高次谐波具有率原则，详细如表1.1所示。表1.1 日本新干线高次谐波具有率原则级数35711131719232529综合供电系统343221.51.5115220kV侧22.521.51.5110.50.53 功率因数特点与减少影响办法交直交传动机车功率因数牵引时接近1，再生制动时接近-1，STAR21型实验车实际测量成果为：牵引时0.951，再生制动时0.9.符合阻抗特性也发生变化，不再分布于第I象限40左右，而是在第I、II象限内随机浮现，这样容易引起保护误动作。推出交流电气化贴到用保护范畴转换继电器，该继电器仍为四边形特性，但R、X可以进行分别整定，在任意R、X整定值下，保护均有两个动作范畴，小范畴相应于正常运营状态，大范畴相应于馈线故障状态，保护敏捷度高，高阻保护性能好。这两种方式成功解决了新干线供电保护设备与车辆协调。 再生制动对牵引供电设备影响a、 自动过度相切换开关故障当牵引工况车辆位于中性区时，供电臂恰有一列车处在再生工况，而此时，自动过度相切换开关正处在向备用开关切换状态，如果开断与切换真空断路器串联隔离开关，就有也许产生大电弧。b、变电所供电臂停电，再生产不能及时撤除再生制动供电臂中只有一列车时，如果供电臂停电，通过检测竭诚为电压和换流装置电压，可及时中断再生。但如果同一供电臂中，再生车与牵引车功率发生平衡时，供电臂停电，再生车不能立即检测出，此时对停电反映时间是0-100ms。c、再生工况电路系统故障战场牵引变压器已座过电压再生工况，电力系统故障，以此侧断路器跳开后而馈线断路器未跳开，再生车尚未停止再生前，经由主变一次线圈，对另一座产生过电压。SCOTT变压器如T座车辆再生时发生以此相间短路，M座将产生3倍过电压。1.2.3 法国(1)牵引供电系统概况法国TGV东南线运营速度为270km/h，追踪间隔时分为5min，大西洋运营数为300km/h，追踪间隔时分为3min，英吉利还写谁客货混运，追踪间隔时分为2.5min。法国TGV告诉铁路在东南线第一次采用AT供电方式，而后大西洋高速线、北方高速线等高速铁路均采用AT供电方式。(2)东南线供电系统东南线牵引变电所是法国电力公司通过双回225kV供电，重要供电设备均采用100%备用。主变压器所有为单相牵引变压器，低压次侧设有电压自动调节装置，该装置具备一定延时性，当母线电压持续60s低于26kV时，可自动调节电压并班车电压在26kV以上，因而，仅一列动车组通过时不动作，当动车组交会时才动作。电压调节共分20级，每级350V，具备补偿高压变化作用。牵引变压器容量均为60MVA。东南线共设有8个牵引变电所，其中2/3/4变电所为AT变电所，别的变电所均为直供变电所。AT变电所间平均距离为90km左右，直接变电所为40km左右。AT主变压器二次侧绕组中点引出并接地，这样可不必在变电所馈线上安卓自耦变压器，简化了变电所接线。全线总安装容量为800MVA，检修在夜间，为了检查和简易维护，白天也有80min天窗。AT供电区段AT变间距约为15km。主变压器采用油浸自冷变压器，变压器电抗较高，可使短路电流限制在1A如下。每个变电所通过4个断路器向架空接触网供电。变电所25kV侧采用六氟化硫断路器，断路器额定电流为1250A，断流能力15000A。为了限制电梯对电流系统负序影响，法国采用了如下办法： 牵引变电所由225kV供电，以保证变电所与系统联结点有足够短路容量； 所有牵引变电所通过相序轮换接入电力系统； 在电力系统薄弱、大密度行车时，单相负荷对系统影响也许超标牵引变电所，变电所按可以单相与“V”接互相转换设计； 电网短路容量局限性地区，牵引变电所设立补偿装置。1.2.4 德国德国高速铁路采用15kV、16 2/3Hz供电，铁路有自营专用单相16 2/3Hz发电厂，给牵引变电所供电，也有某些采用公共电力系统，静电气化铁路变频站供应牵引网。汉诺威-维尔茨堡ICE高速线有4个既有线和7个新建牵引变电所供电；曼海姆-斯图加特ICE高速线由2个既有和3个新建牵引变电所供电。在新建和既有线联接处，设有分区亭。为高速线供电既有线牵引供电设备都依照符合增长和短路功率提高进行了加强和当代化改造。高速线上新建牵引变电所和配电室都是统一规格。每个牵引变电所都装有2台15MVA变压器，实行双边供电，变电所间距约为30km。为了将新建村或通过当代化改造高速线牵引供电设施接通到本来供电系统上，对电力调度、美茵河畔法兰克福中心调度因此及关于遥控装置寻常控制设备进行了恰当改造。1.3 本文重要工作本文针对高速铁路牵引供电系统，对牵引供电系统做了详细简介。从各供电制式，供电方式入手，发现并研究了供电系统中从在诸多问题，做出理解决办法。结合国内近年来经验，详细分析了牵引供电发展问题，并做出了抱负牵引供电系统.第2章 高速铁路牵引供电系统系统简介由于电力机车功率大，拉多，跑快，世界各国高速铁路几乎都采用电力机车牵引。电力机车与蒸汽机车和内燃机车不同，它自身不带能源，必要由外部供应电能。为了给电力机车供应电能，需要在铁路沿线架设一套牵引供电系统。高速铁路牵引供电系统，与常速铁路牵引供电系统不同，它供电能力和供电可靠性必要满足高速列车运营规定。自1964年10月1日，日本建成世界上第一条高速铁路以来，通过几十年实践和发展，各国高速铁路牵引供电系统均有了很大改进，达到了很高水平，并且都各具特色。最具备代表性是日本、法国和德国高速铁路牵引供电系统。高速铁路牵引供电系统重要涉及牵引供电和接触网两大某些。下面就其采用重要技术原则做一简朴简介。2.1 牵引供电某些(1)牵引供电方式高速铁路规定接触网受流质过高，分段和分相点数量少。当前各国大多采用自耦变压器（AT）供电方式和带回线直接（RT）供电方式。自耦变压器（AT）供电方式是每隔10km左右在接触网与正馈线之间并联接入一台自耦变压器，其中性点与钢轨相连。自耦变压器将牵引网供电电压提高一倍，而供应电力机车电压仍为25kv，如图所示。带回线直接（RT）供电方式是在接触网支柱上架设一条与钢轨并联回流线，如图所示，运用接触网与回流线之间互感作用，使钢轨中电流尽量地由回流线流回牵引变电所，因而能某些抵消接触网对邻近通信线路干扰。日本、法国采用AT供电方式；德国、意大利和西班牙采用RT供电方式。AT供电方式长处是：供电质量高,变电所数量少,便于牵引变电所选址和电力部门配合,牵引变电所间距大、分相点少。因而，便于高速列车运营，防干扰效果也好。国内京沪高速铁路牵引供电优先采用225kV（AT）供电方式。(2)电源电压级别高速铁路负荷电流大，对电力系统不平衡影响也大。为了减少对电力系统影响，高速铁路普通都采用较高电源电压。日本采用154kV、220kV和275kV三种电压级别，法国采用225kV电压级别，德国采用110kV电压级别，意大利采用130kV电压级别，西班牙采用132kV和220kV两种电压级别。(3)接触网电压接触网电压对电力机车功率发挥及机车运营速度有很大影响，并且直接关系到牵引供电设备技术参数选定和供电系统工程投资，各国都非常注重这一技术原则。日本接触网原则电压为25kV，最高电压为30kV，最低电压为22.5kV。法国分别为25kV、27.5kV和18kV。德国分别为15kV、17kV和12kV。西班牙分别为25kV、27.5kV和19kV。意大利采用直流供电，分别为3kV、3.6kV和2kV。国内京沪高速铁路接触网标称电压为25kV，长期最高电压拟定为27.5kV，短时（5min）最高电压为29kV，设计最低工作电压为20kV。(4)牵引变压器接线形式牵引变压器是牵引供电系统中最重要设备。它对牵引供电系统和工程投资起决定性影响，不同类型牵引变压器对电力系统产生不同不平衡影响。日本采用斯科特接线和变形伍德桥接线三相变压器。法国、德国、意大利和西班牙采用单相变位器。单相变压器长处是变压器容量大、运用率高、经济效果好，最适合在高速铁路上应用。国内京沪高速铁路应优先采用单相变压器。(5)牵引变电所继电保护和自动控制装置日本、法国、德国及西班牙高速铁路牵引变电所均按无人值班设计，采用运动装置在电力调度中心监控。牵引变电所继电保护和自动控制系统仍采用老式控制保护盘方式，微机控制保护和所有自动化等技术都还没有采用。但在保护系统配备、继电器特性、控制回路联动等方面比较先进，系统安全性和可靠性也比较高。(6)电力调度和运动系统日本列车运营指挥中心集列车、车辆、信号、牵引供电、防灾报警、旅客服务等各种业务调度为一体，构成一种综合调度解决系统。电力调度及运动是其中一种子系统。法国高速铁路综合调度系统由行车调度和电力调度构成。德国和西班牙高速铁路牵引供电调度及运动系统则是一种设在调度中心独立系统。由调度所对高速线上所有开关设备和接触网柱上开关进行遥控。为了便于列车调度指挥，电力调度和运动系统集中设在行车调度室内。2.2 牵引网供电方式 2.2.1 直接供电方式 图2.1 直接供电方式牵引供电系统，两个牵引变电所之间将接触网提成两个供电分区（又称供电臂），正常状况两相邻供电臂之间在接触网上是绝缘，每个供电臂只从一端牵引变电所获得电能供电方式称为单边供电。若两个供电臂通过开关设备，在电路上连通，两个供电臂可同步从两个牵引变电所获得电能，这种供电方式称为双边供电。双边供电可提高接触网电压水平，减少电能损耗。但馈线及分区亭保护及开关设备都较复杂，因而，当前采用较少。单边和双边供电为正常供电方式，尚有一种非正常供电方式（也称事故供电方式）叫越区供电。越区供电是当某一牵引变电所因故障不能正常供电时，故障变电所肩负供电臂，经开关设备与相邻供电臂接通，由相邻牵引变电所进行暂时供电。这种供电方式称越区供电。因越区供电增大了该变电所主变压器负荷，对电器设备安全和供电质量影响较大，因而，只能在较短时间内实行越区供电，是避免中断运送暂时性办法。复线区段供电方式与上述基本相似，但每一供电臂分别向上、下行接触网供电，因而牵引变电所馈出线有四条。同一侧供电臂上、下行线实行并联供电，可提高供电臂末端电压。越区供电时，通过度区亭开关设备来实现。2.2.2 吸流变压器回流线装置BT在牵引网中，每相距1.5km4km间隔，设立一台变比为1:1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回流线。回流线普通就悬挂在铁路沿线接触网支柱外侧横担上。图2.2 BT供电方式在接触网和回流线中串接吸流变压器，让牵引电流通过电力机车后从回流线返回牵引变电所。电磁兼容性能好，对周边环境影响小，钢轨电位低2.2.3 自耦变压器供电方式(AT)日本铁路为防止通讯干扰，在实行交流电气化前期，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，为了克服此缺陷，日后发展了一种新牵引网供电方式自耦变压器供电方式。 图2.3自耦变压器供电方式。 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。构造上：AT方式是用自耦变压器代替了吸流变压器，正馈线代替了回流线。自耦变压器是并入电路，这一变化，一方面是消除了接触网中吸流变压器分段。大某些回流流经正馈线，从而减少对邻近通信线干扰。自耦变压器工作原理：一次和二次回路共用某些绕组(n2某些)，而n1只有一次电流通过。图2.4自耦变压器工作原理输入电压为输出电压2倍，也就是说，通过自耦变压器可以输入较高电压而得到机车所需低电压。电流则相反，输入电流为输出电流一半。从牵引变电所看，以两倍接触网电压沿线输送1/2I。送电电压加倍，送电电流减半，送电电路中电压损失将减少为1/4。运用AT这个特点，可增大变电所间距离和增大传播功率，减少牵引网损耗。缺陷：必要在沿线安设电压较高、容量较大自耦变压器，牵引网设备投资相应增长。2.2.4 带回流线直接供电方式(DN)由于AT方式设备复杂，一次投资高、运营费用高、维护困难，特别在多隧道区段应用更为困难。BT方式由于其半段效应、接触网分段及牵引网阻抗大等弱点，对高速和重载行车适应能力差。因而，常采用直接供电加回流线(负馈线)。DN供电方式：由接触网、钢轨、沿全线架设负馈线NF(每隔几公里用P金属线和钢轨相连)构成。由于NF和钢轨并联连接，使得正常运营时钢轨中负荷电流一某些分流到NF中去，因而，可以减少流入大地电流，减轻对通讯干扰危害，减少钢轨电位，减小馈电回路阻抗。DN方式与AT、BT相比，其馈电回路和设备简朴、投资省、运营维护以便。为了能获得最佳防干扰效果，需研究回流线空间布置(与接触网磁耦合关系)和设法减少回流线地、钢轨地回路阻抗，以提高回流率。图2.5带回流线直接供电方式回流率与各导线地回路自阻抗以及各导线地回路间互阻抗关于，当回流率=1时，则接触网电流完全由回流网吸上，地中电流为零。2.3 牵引供电回路电力牵引供变电系统是指从电力系统接受电能，通过变压，变相后，向电力机车供电系统。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、地或回流线构成。此外尚有分区亭、开闭所、自耦变压器站等。(1)开闭所（SSP）电力牵引系统中开闭所，事实上是起配电作用开关站开闭所就是高压开关站，事实上从严格意义上讲是“高压配电”站，仅仅起配电作用，实现环网供电、双路互投等功能。当枢纽地区供电，分为“由里向外供”和“由外向里供”两种方式，前者在枢纽内设立牵引变电所。后者在枢纽内不设牵引变电所，为了增长枢纽地区供电可靠性和缩小事故影响范畴，普通设开闭所。AT供电方式时，供电臂较长，在供电臂中部也设开闭所。开闭所应有来自不同牵引变电所（单线区段）或同一牵引变电所不同馈线段（复线区段）两回进线。开闭所应尽量设立在枢纽地区负荷中心处，以减少馈线长度和馈线与接触网交叉干扰。(2)分区亭（SP）为了增长供电灵活性，提高运营可靠性，在两个牵引变电所供电区间常加设分区亭。分区亭惯用于牵引网为双边供电，或复线区段牵引网为单边供电，但上下行接触网在末端并联时。这时，分区亭起到平时将两个供电臂或上下行接触网联系起来作用，这样，当事故发生时，可缩小停电范畴和实现越区供电。(3)自耦变压器站电力牵引供电系统如采用自耦变压器供电方式时，在沿线每隔10-15公里设立一台自耦变压器。设立时尽量将自耦变压器设于沿铁路各站场上。同步，尽量与分区亭、开闭所合并，以便于运营管理。(4)牵引网牵引网是由馈线、钢轨回流线、接触网构成双导线供电系统，完毕对电力机车送电任务。BT供电方式时，还要有回流线。AT供电供电方式时，尚有正馈线和保护线。馈线：接在牵引变电所牵引母线和接触网之间导线，即将电能由牵引变电所引向电气化铁路。接触网：一种特殊输电线，架设在铁路上方，机车受电弓与其磨擦受电。回流线：牵引变电所处横向回流线，它将轨或与轨平行其他导线与牵引变压器指定端子相联。分相绝缘器（电分相）：串在接触网上，目是把两相不同供电区别开，并使机车光滑过渡，重要用在牵引变电所出口处和分区处。分段绝缘器（电分段）：分为纵向电分段和横向电分段，前者用线路接触网上，后者用于站场各条接触网之间。通过其上隔离开关将关于接触网进行电气连通或断开，以保证供电可靠性、灵活性和缩小停电范畴等。 供电分区：正常供电时，牵引变电所馈线到接触网末端一段供电线路称为供电区。第3章 高速铁路牵引供电系统有关问题3.1 铁道牵引供电系统构成铁道牵引供电系统重要是由三大某些构成，即：电气化铁道一次性供电系统、铁道牵引变电因此及牵引网。其中，铁道牵引变电所其重要功能就是把三相交流高压电能通过各种方式转变成较低电压，三相交流高压电能重要是从电气化铁道一次供电系统处所输送过来，而这些较低电压重要适合电力机车使用。铁道牵引网则重要涉及五某些，分别为：接触网、馈电线、轨道、大地以及回流线，铁道牵引网功能重要是将铁道牵引变电所转化较低电压电能输送到电力机车。铁道牵引供电系统依照为铁道机车提供电流性质来划分，可以分为直流制以及交流制两种。其中交流制又可以分为两种，即：工频单相交流制以及低频单相交流制。工频重要指是工业原则频率，普通就是50赫兹或者60赫兹。而低频则指是低于工业原则频率（50赫兹或者60赫兹）频率，在寻常应用中，低频用最多是15-20赫兹。不同电流制，其电力牵引供电系统设备均有极大不同。3.2 铁道牵引供电系统存在问题3.2.1 无功功率电力机车是一种具备随机变化特点感性负载，它基波电流会滞后电压一定角度，由于变压器、牵引电机这些设备非线性，加上电力电子器件非线性调节作用，导致机车电流中包括大量在三相供电系统中不对称分布谐波成分。牵引负载功率大、时间和空间分布随机性强以及三相不对称特点导致牵引供电系统成为电力系统中重要无功源。供电系统无功功率产生危害重要体当前如下方面：使供电线路中无功功率有功损耗增长，供电线路、变送电设备以及其她用电设备发热限度增长。增长无功功率会使电流增大，从而使得发电机、变压器以及其她电气设备和导线容量增长。由于变送电设备负荷容量中，增长了无功容量。导致变送电设备有功输出容量减少。3.2.2 谐波电流电力系统所产生谐波和其他整流负荷所产生谐波同样，给电力系统及顾客带来巨大危害。特别是在牵引负荷与波动性方面，具备负荷功率大、波动性强特点，这些危害体现得尤为突出。重要体当前如下方面:谐波会增长公共电网中各元件谐波耗损，从而减少用电、输电、发电设备效率，过量三次谐波还会导致线路过热从而引起火灾。谐波会影响各种电气设备进行正常工作，对电机导致影响除了产生附加耗损外，还会引起机械振动、噪声及过电压，从而导致变压器局部过热。此外，谐波会对电容器、电缆等电力设备产生过热、绝缘老化、寿命缩短影响。谐波会使得公共电网中产生局部并联谐振与串联谐振，使谐波放大，甚至引起严重安全事故。3.2.3 负序电流 负序电流产生重要是由铁道牵引变电所在采用不同基本联接方式完毕电压级别变换而引起，负序电流产生，除了会导致无功功率之外，还会对整个电力系统以及顾客导致不可预计后果。负序电流产生，会减少变压器输出功率，使其不能发挥其高效运转效率。负序电流产生，会导致有关部件发热和震荡，从而危及到机器安全及顺利运营。由于当发电机中有负序电流流过，且各相电流不超过额定值，那么就必要要减少发电机出力，这样才干保证发电机正常运营。负序电流产生，会导致电力网输电能力减少，由于当负序电流流过铁道牵引供电系统时，电力系统不但不能发挥其功能，并且还会导致电能损失以及占据输电系统最大容量，从而减少了输电系统容量运用率。此外，负序电流产生，还能引起继电保护装置设备某些误动作，不但减少电机工作效率，并且还导致一定安全隐患。3.2.4 解决办法(1)负序电流解决对策一是要采用大容量电源。负序电流产生影响重要是由于系统自身不能承受巨大不平衡电流导致。采用高压，大容量电源，既是要避免负序电流产生较为严重影响，又是在提高系统自身性能。此外一种方式就是变压器改进。咱们可以通过使用单相、三相V/V结线，斯科特结线，平衡结线变压器等各种形式牵引变压器来实现负序电流解决。负序电流产生重要还是由于三相不平衡导致，当咱们采用这些变压器时候如果变压器两端负荷平衡，最后成功减少负序电流产生。在运用这种方式消除负序电流时候，咱们必要要注意两供电臂状态对负序电流影响：当两供电臂平衡时，单相、三相V/V结线等牵引变压器负序功率为正常百分之五十；斯科特结线，平衡结线变压器负序功率为0。当两供电臂不平衡时，各结线形式牵引变压器负序功率均是百分之百。(2)采用相序轮换技术 相序轮换技术重要原理是运用各相所承受负载及功率因素来达到三相电流平衡状态，从而解决三相不平衡现象。由于接触网在铁道线路周边被划分为许多供电区域，而每个区域又是由电力系统三相来供电，因而，当每个区域供电负载之和相等，并且其功率因素也相等时，那么电力系统三相电流就可以达到平衡状态。尽管如此，在抱负状况下，这种方案是可行，但在实际状况中，由于各种因素存在，这种方案事实上很难达到理论上成功，有时也也许会给列车正常运营导致诸多不便及负面影响，给列车带来安全隐患。因而，相序轮换技术不能彻底解决三相电流不平衡现象，该技术浮现也只是暂时缓和三相电流不平衡带来诸多负面影响。(3)无功功率和谐波电流对策 一是通过更新电车性能，电车性能好坏是谐波电流产生与否重要影响因素。当前，国内和谐号动车组8节、16节编组功率分别是5500KW和11000KW。依照沿海铁路近年运营状况看，其功率因数已高达0.98以上，即避免了国家电网公司对功率因数惩罚，又提高了电气化铁路对电能运用率，较好解决了以往电车无功过高问题。除尽量选取性能好机电设备，另一方面在平时设备维护过程中，要及时更换陈旧设备。性能好机电设备可以有效减少谐波电流产生，从而减少谐波电流对于系统影响。此外还可以在机电车上安装功率矫正装置，发现无功功率可以自动校正。这是提高效率核心办法。 二是可以通过各种手段来进行补偿。在供电系统中，常运用补偿办法是运用电车上无源或者有源或者两者相结合方式来对其进行补偿。此外并联电容应用也可以有效补偿无功功率。第4章 高速铁路牵引供电发展若干核心技术问题4.1 抱负牵引供电系统绝大多数国家电气化铁路均取电于公用电网,电气化铁路用电都存在电能质量问题而受到电力系统限制。抱负牵引供电系统应当是电气化铁路从电力系统取电之同步,把其干扰隔离开来,换言之,把电能质量控制在国标或有关原则容许范畴内,同步铁路内部使用统一电压供电并取消电分相。为此,自然会想到以德国为代表供电模式。由于历史因素,德国联邦铁路除从公用电网取电外,尚有大量铁路专用电厂和输电系统(集中式),同步与 其她国家不同,采用15kV、1623Hz供电制式。这 种模式使用范畴有限,但在技术上不失为一种/抱负牵引供电系统0,值得借鉴,抓紧实验研究。4.1.1 系统构成 随着大功率电力电子技术发展,功率半导体器件容量、集成水平大幅提高,价格不断下降,为解决牵引供电系统与电力系统在电能质量上存在矛盾及铁路自身电分相问题提供了新思路,并在技术与装备方面提供了也许。可借鉴德国模式,在变电所通过三相交流2直流2单相交流全变换方式实现同相供电,将牵引网互联,运用直流环节转换与隔离作用,形成独立于公用电网供电网络。由于采用全变换,电力系统仅与牵引网侧互换有功,且三相负荷平衡,不存在负序问题,同步,铁路供电臂取消电分相,并且变电所之间可进行潮流调度,牵引变压器容量运用率和负荷率都可得到极大提高。/抱负供电系统0构造原理图如图所示。图中,牵引变电所取电于三相电力系统。牵引馈线需加断路器及有关保护,可仿单相牵引变电所馈线予以实现,各断路器相应不同故障区间。分区所断路器普通是闭合,以实现引网贯通供电。图4.1 抱负供电系统构造原理图图4.1为抱负供电系统0中牵引变电所内部原理图。图中,原边三相变压器应适应整流特性,但注意通过正弦调制时谐波含量很低。直流储能环节经三相四线逆变送出所内自用电,经单相逆变环节送出牵引电压,当电力电子器件集成后经济耐受电压足够或者逆变侧采用多重化级联构造时,可省去虚线框中单相升压变压器,直接馈出27.5kV、50Hz额定电压,直流储能环节还可联结其她可再生能源。由于所有采用四象限变流器,再生制动电能可存储或反馈给电网,即可由用电转为发电过程。4.1.2 运营过程 可将抱负供电系统输出牵引馈线电压视为电压源,其大小、相角均可调节控制。牵引网送电时,先将任意一种牵引变电所牵引馈线投入,如牵引馈线1,设其电压为U1;然后将牵引馈线2电压U2由任意向量Uc2调节至与U1大小、相位相似时投入,实现与牵引馈线1并网,其她牵引馈线电压依次投入,以实现贯通供电。 牵引网馈线电压可控性为牵引供电系统负荷潮流有效调度提供了也许,使本来不也许事情得以实现。4.1.3 可靠性及其她 随机过程以为系统中两个及以上子系统或元件同步故障或修复(转移)概率为零。因而,可不考虑两个及以上牵引变电所同步故障。抱负供电系统运营维护可仿照高压直流输电系统,如随机故障检修,定期检修等。 当一变电所故障时,应退出运营并及时维修。退出情形可等效为这一变电所正被控制在其馈线电流为0情形。此时,该变电所负荷潮流由相邻及其 她正常运营变电所担当。 修复后牵引变电所投入过程仍如图3所示。当馈线电压大小、相位与运营中牵引网电压相似时,即可并网投入运营。 牵引变电所中变流器所有采用相对独立功率单元组合而成,功率单元采用冗余配备。当一种单元故障时,可以及时替代,并且,该供电系统中各变电所已互为工作备用关系,整个系统可靠性可以得到保障。4.2 现行方式与同相供电系统 除德国模式外,其她国家无一例外地采用公用电网给工频(50Hz或60Hz)交流电气化铁路供电原则制式。其中牵引变电所主变压器把110kV或220kV高压降为27.5kV或25kV铁路原则用电。它普通采用双绕组或多绕组接线,其中接线方式有I,i(单相)、V,v、YN,d11和Scott等。高速铁路供电核心重要取决电力系统对负序电流耐受能力和牵引变电所接线方式对负序电流抑制能力。 为减少负序电流影响,除牵引变压器接线方式外,还要把供电臂相位轮流接入电力系统三相中某一相,简称换相 。这都将导致沿线供电臂使用不同相位电压供电,而在变电所出口或分区所处设立电分相装置,又使之成为列车、特别是高速列车运营薄弱环节。实现同相供电是取消电分相、提高列车安全性和舒服性唯一途径.4.2.1 同相供电系统 解决现行供电方式存在问题最为有效办法是在牵引变电所应用以负序、无功补偿为核心对称补偿技术,实现同相供电,即全线用同一相位单相电压供电。它与单相牵引变压器同样,都可避免在牵引变电所出口采用电分相。两者最重要区别在于对负序电流抑制能力。但虽然在同一电力系统中,不同进线处系统短路容量不同,承受负序电流能力也不同。因而,为减少不必要投资和设备挥霍,可将同相供电系统中变电所分为3种:一是全补偿,它规定实现对称补偿,特别对负序有极好抑制能力;二是半补偿,对补偿负序有适度规