电力牵引供电系统共146页

• 牵引变电所
拓扑结构三相不对称； 变压器接线特殊。
.
牵引供电系统主要技术问题
• 电压水平 • 无功功率 • 负序电流 • 谐波 • 通信干扰
电气化铁道的供电要求 • 安全可靠供电 • 保证供电质量 • 降低投资和运营费用 • 提高电磁兼容水平
.
.
目前多采用分散式供电
内桥接线
外桥接线
双T接线 .
单母线分段
1.3 牵引变电所向牵引网的供电
• 单线
电 分 相
SS1
SP
SS2
单 边 供 电
SS1
SS2
双 边 供 电
.
复线
SS1
SP
单边分开供电
SS1
SP
单边并联供电
SS1
SP
单边全并联供电
.
SS1
SS2
双边纽结供电Βιβλιοθήκη 1.4 牵引网向电力机车的供电
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（3）带负馈线的直接供电方式
F T
Us
I
R
• 防干扰效果不如BT供电方式； • 牵引网阻抗界于直接供电方式和BT供电方式之间； • 目前应用比较广泛。
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（4）自耦变压器供电方式（AT方式）
自耦变压器 Auto-transformer
T
Us
R
F
• 防干扰效果与BT方式相当 • 牵引网阻抗小，输送容量大，供电臂长（可达40～50km） • 结构复杂，投资大，维护费用高
• 变电所两侧的牵引网区段被称作供电臂。 • 变电所的主要设备
牵引变压器（有多种接线方式） 断路器（SF6、真空、少油、油断路器），隔离开关 避雷器、避雷针 电压互感器、电流互感器 二次设备（控制、保护、测量、计量、监视和电源设备） 无功补偿装置、调压装置

有下述主要几种。 环形供电 见图2，为电力系统将牵引变电所 联成环形网，优点是供电可靠性好，当任一输 电线或电源故障时都不影响牵引变电所的正常 供电。但因牵引变电所一次侧进出线多及开关
多，继电保护复杂，会使成本增加。
• 双侧供电 电源来自电力系统的两个地区变 电所，给铁路供电的输电线是联络这两个 地区变电所的道路。根据可靠性的要求及 实际情况，双侧供电可分为图3的双路输电 线和单路输电线两种类型。但不论哪种类 型，各路输电线的容量应不小于相关牵引 变电所容量之和。单路输电线方式一次侧 进出开关少，投资也少，供电可靠性不及 双路方式，但一输电线或一电源分别故障 仍不会导致牵引变电所失电。
牵引变电所
接触网
• 接触网是一种悬挂在电气化铁道钢轨上方 并和轨顶保持一定距离的链型或单导线的 输电网。电力机车的受电弓和接触网滑动 接触取得电能。
馈电线
• 馈电线是联接牵引变电所和接触网的导线。 它把牵引变电所变换完备的牵引用电能输 送给接触网。馈电线大都采用大截面的钢 芯铝绞线。
轨道
复线环状供电方式
• 牵引变电所同侧的上、下行牵引网由同相 牵引母线供电，在供电臂末端将上、下行 牵引网联通，可构成环状供电方式
• 复线牵引网环状供电方式
复线全并联供电方式
• 每隔数百米将上、下行接触网进行死连接， 便于充分利用接触网导线截面的供电方式
• 这种方式的网内电压降和电能损失较小， 但上、下行牵引网在电气上无法分开，发 生短路事故时的影响范围较大。
• 习惯上将馈电线、接触网、钢轨、回流线 统称为牵引网。
分区亭（SP）
• 分区亭设于两个牵引变电所的中间，可使相邻的 接触网供电区段(同一供电臂的上、下行或两相邻 变电所的两供电臂)
•

• 由馈电线、接触网、轨道、回流线等设施构成的输电网络 • 馈电线（Feeder，引出线:Lead Wire）
连接牵引变电所和接触网的导线
• 接触网
沿线路露天敷设，通过和受电弓的滑动接触把电能输送给电力机 车的供电设施。由接触线、承力索以及支持、悬挂和定位等装置组成。 从牵引网角度关注的是接触线、承力索和加强线等载流导线。
• 牵引变电所
拓扑结构三相不对称； 变压器接线特殊。
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牵引供电系统主要技术问通信干扰
• 变电所两侧的牵引网区段被称作供电臂。 • 变电所的主要设备
牵引变压器（有多种接线方式） 断路器（SF6、真空、少油、油断路器），隔离开关 避雷器、避雷针 电压互感器、电流互感器 二次设备（控制、保护、测量、计量、监视和电源设备） 无功补偿装置、调压装置
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牵引网（Traction Network）
（1）直接供电方式（T-R方式, Trolley-Rail）
T R
结构简单，投资少，维护费用低； 一部分电流从大地回流，对邻近通信线干扰大。
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（2）吸流变压器供电方式（BT方式）
吸流变压器 Booster Transformer
F T
Us
I
R
• 防干扰效果好； • 牵引网阻抗偏大； • 电力机车过BT时，易产生电弧； • 由于是串联系统，可靠性较低。
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（5）同轴电缆供电方式（CC方式）
同轴电缆 Coaxial Cable
T Us
R CC
• 防干扰效果好，占用空间小； • 牵引网阻抗小； • 投资大
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1.5 牵引供电系统的特点及主要问题
• 负荷特点
移动性，变化剧烈，非线性，单相； 电流回路不可靠，存在薄弱环节（弓网受流）

牵引变电所的主要设备
AC220kV组合电器
SWJTU
OCS 2014.02.28
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牵引变电所的主要设备
AC25kV组合电器
SWJTU
OCS 2014.02.28
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牵引变电所的主要设备
控制柜
SWJTU
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直流牵引供电系统
直流电传动
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弓网系统的组成
SWJTU
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弓网系统是由相互作用相互依赖的受电弓和接触网结合而成的、具有向电力 牵引车辆输电功能的有机整体，又是它从属的牵引供电系统的组成部分。
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弓网系统的分类
接触网系统
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架空接触网系统
接触轨系统
架空接触网
架空接触轨
牵引 变电所
I 吸流变压器 I
I
I
吸流变压器
回流线 接触网
25kV I
I
I
I
钢轨
目标： ①长回路中钢轨电位降为0；②长回路磁场完全平衡，电磁干扰降至最低。
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牵引供电系统的供电方式
SWJTU
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带回流线的直接供电方式（TRNF） 回流线与接触网同杆架设，两组导线
之间有互感，部分电流由回流线回流。
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牵引供电系统电流制式
电流制式
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DC：
750V 1.5kV 3.0kV
北京地铁等 上海、广州、成都等地铁 意大利、前苏联等
AC：

& K +1 & 1 & Iax = z Iα − Iβ Kz + 2 Kz + 2 & 1 & 1 & Iby = − Iα − Iβ Kz + 2 Kz + 2 & = − 1 I + Kz +1 I & & Iax α β Kz + 2 Kz + 2
由原次边磁势平衡得
YN,d11牵引变压器的额定容量利用率为 牵引变压器的额定容量利用率为
( 3 2.645 ) I e ⋅ 2U e × 100% = 75.6% K=
= 3U e I e × =
YNd11接线牵引变的优缺点
原边采用YN接线， 原边采用YN接线，中性点接地方式可与一次系统配合 YN接线 绕组， 有∆绕组，构成三次谐波通路，减少波形畸变 绕组 构成三次谐波通路， 技术成熟，安全可靠， 技术成熟，安全可靠，造价较低 在二次测可获得三相电能、提供自用电和地区负荷 在二次测可获得三相电能、 容量利用率不高 变电所主接线较复杂，设备多，占地面积大， 变电所主接线较复杂，设备多，占地面积大，工程投资 较高
(A) 接供电臂 (X) (a)
(B) (Y) (b) (c)
(C) (Z) 接供电臂
(x) (y) (A) (B) (C) (a) (c) (b)
(z)
展开图
二、 电压、电流相量的规格化定 向
在牵引供电系统分析中， 在牵引供电系统分析中 ， 对所有牵引变压器 均都采用规格化定向（ 又称为减极性定向 减极性定向， 均都采用 规格化定向（又称为 减极性定向 ， 即在 规格化定向 这种定向下，原次边绕组磁势相互抵消） 这种定向下，原次边绕组磁势相互抵消）。 (1) (2) 原边绕组电压、电流采用电动机惯例定向， 电动机惯例定向， 原边绕组电压、电流采用电动机惯例定向 电压 次边绕组电压、电流采用发电机惯例定向 发电机惯例定向， 次边绕组电压、电流采用发电机惯例定向， 电压 即牵引变压器从电力系统吸收电能； 即牵引变压器从电力系统吸收电能； 即牵引变压器是次边负荷的电源； 即牵引变压器是次边负荷的电源； (3) 负荷吸收正功率。 负荷吸收正功率。

❖ 远动监控装置 城市轨道交通运行的管理和调度是由控制中 心来实现的，其中的电力调度室是供电系统运行的管理和调 度部门。供电系统的各类变电所及其他主要设备是沿着轨道 线路分散设置的，要保证系统的安全、可靠和提高经济性， 就必须对系统进行集中管理和调度，实现系统运行状态的监 视和运行方式的控制, 早期的集中调度是通过调度电话来实 施的，即通过人与人之间的信息交换，由值班人员对系统的 运行方式进行监视和控制，这种间接的监视和控制效率低， 可靠性也差。目前现代化的集中调度完全可以通过功能完善、 运行可靠的微机远动监控设备，对各类变电所进行直接的集 中监和控制，并能和其他系统（如行车指挥系统）交换有关 信息，实现整个轨道交通系统的综合自动化。
电力监控SCADA
❖ 基本任务：
实现控制中心对供电系统的集中管理和调度，实 时控制和数据采集
及时掌握和处理供电系统的事故、报警事件 对系统运行的各种数据进行归档和统计
❖ 特点：遥控、遥测、遥信、遥调、遥视 ❖ 组成：主站监控、子站监控和通信传输系统
地下迷流
❖ 在直流牵引供电系统中，牵引电流并非全部 由钢轨流回牵引变电所，而是一部分由钢轨 散杂流入大地，再由大地经钢轨流回牵引变 电所。
❖ 防护：选择高电压、牵引变电所间隔小，减 少钢轨接触电阻，采用双边供电，在地下埋 设排流管。
❖ 车辆电气 车辆包括车辆上各种电气设备及其连接导线。按 其作用和功能可分为三个系统：主电路、辅助电路和控制电 路。
❖ 主电路的作用是实现能量的转换和传递，在 牵引工况下，将从变电所传递来的电能转变 成机械能，产生车辆运动所需的牵引力；在 制动工况下，将车辆的动能转换为制动力或 产生电能回馈给牵引变电所。
❖
接触网是沿铁路线上空架设的向车辆供电的特殊形式的输电线路。

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理论上讲，除了机车所在的 AT 段（该 AT 段存在“半段效应”）以外，其余 AT 段内流经接触网中和正馈线中的电流大小相等，方向相反，且电流大小仅为机车 电流之半。在钢轨和保护线之间每隔 3～4km 设有吸上线。
图 2.4 AT 供电方式
2. 城市轨道交通 城市轨道交通接触网一般采用直流供电，接触网为正极，钢轨为负极，机车 从相邻两变电所取电，即采用双边供电方式（交流电气化铁路一般为单边供电）。 如图 2.5 所示，机车所需的电流分别来自两相邻变电所。
牵引供电绪论
我国铁路电气化事业起始于 1956 年。1961 年 8 月宝成铁路（宝鸡至成 都）宝鸡至凤州段电气化通车；1975 年 6 月宝成铁路全线电气化通车，成 为我国第一条电气化铁路。宝成铁路电气化后，该铁路的运能、运量大幅 度的增长，推动了我国铁路电气化事业的发展。目前，电气化铁路已经占 据了我国铁路发展的绝对主导地位。我国的电气化铁路正逐步向高速铁路 发展，以 2007 年动车组的运行为标志，我国的电气化铁路将迈入世界先进 行列。
但是，由于 BT 变压器自身存在较大的阻抗，且安装密度较大，其在牵引网 中引起的电压将也较大。因此，在同等条件下，BT 供电方式变电所间距小于其 它供电方式，且每 3～4km 在接触网内存在断口，断口两端因 BT 自阻抗而存在一 定的电压差，机车通过该断口时可能会产生电火花，导致接触网的使用寿命缩短。
牵引供电电流制
电力牵引采用的电流、电压制式。根据各国的国情不同，主要有如下 几种形式：
一、直流制
世界上最早采用的电流制。截至目前，世界上仍占 43%左右。这种电气 化铁路采用 0.75KV（我国城市地铁）、1.5KV、3KV 或 6KV 的直流电，向直 流电力机车供电。

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新温州牵 引变电所
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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。
❖ 接触网分为架空式接触网和接触轨式接触网。 ❖ 接触网电分段:电气连接分离 ❖ 接触网机械分段:机械结构分离 ❖ 受电方式：
受电弓受电 三轨受电 四轨受电
范围为1 000 V～1 800 V）。
❖ 牵引网由馈电线、接触网、轨道和回流线组成。
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接触网:经过受电器向电动列车供给电能的导电网。 回流线:用以供牵引电流返回牵引变电所的导线 馈电线：从牵引变电所向接触网输送牵引电能的导线 轨道（电路）：利用走行轨作为牵引电流回流的电路
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架空接触网
❖
接触网是沿铁路线上空架设的向车辆供电的特殊形式的输电线路。
其由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础几部分组成。
❖
接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索以及连接零件。接触悬挂通过
支持装置架设在支柱上,其功用是将从牵引变电所获得的电能输送给电动
❖
支持装置用以支持接触悬挂,并将其负荷传给支柱或其它建筑物。根
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❖ 目前全世界已有40多个国家的130多个城市, 共修建了7 000 km的城市轨道交通（包括地 铁、轻轨）线路。城市轨道交通电力牵引主 要由牵引供电系统和电动车组构成（图1）。
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图1 城市轨道交通电力牵引系统 1—牵引变电所;2—馈电线;3—接触网；4—电动车组； 5—钢轨；6—回流线；7—电分段。

置，没有备用，线路上的负荷又随电力机车的运行而沿接触线移 动和变化，对接触网提出以下要求：
• 1 在高速运行和恶劣的气候条件下，能保证电力机车正常取流， 要求接触网在机械结构上有良好的稳定性和弹性。
• 2 接触网设备对地绝缘要符合技术要求，安全可靠。
• 3 要求接触网的设备.零件具有足够的耐磨性和抗腐浊能力，以期 延长使用年限。
身的防干扰性能大为增强，考虑到接触网的运行
可靠性对电气化铁路的安全运行至关重要，所以 通常认为，一般情况下DN供电方式为首选，在 电力系统比较薄弱的地区，经过经济技术比较， 可采用AT供电方式，BT供电方式则尽量少采用 或不采用。
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第三节 牵引供电系统的组成
主要由牵引变电所和牵引网两部分组成。主要作用 是从电力系统取得电能，并送给沿铁路线运行的 机车。
吸流变压器，保留了回流线，利用接触网与回流
线之间的互感作用，使钢轨中的回流尽可能地由
回流线流回牵引变电所，因而部分抵消接触网对
临近通信线路的干扰，其防干扰效果不如BT供
电方式，通常在对通信线防干扰要求不高的区段
采用。这种供电方式设备简单，因此供电设备的
可靠性得到了提高；由于取消了吸流变压器，只
保留了回流线，因此牵引网阻抗比直供方式低一
缺点：机车供电线路复杂，异步电动机调速比较困
难。
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牵引供电系统-电流制
4、工频单相交流制
是电气化铁道发展中的一项先进供电制，最早出现在匈牙利，电压
16kv，1950年法国试建了一条25kv的单相工频交流电气化铁道， 随后日本、前苏联等相继采用（20kv）目前该种电流制已占到 40%以上。我国电气化铁道均采用这种电流制。

(A)
(C) *
(a)
(B) (b)
*
(c)
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(A)
(C) *
(a)
(B) (b)
(B)
(C) *
(b)
(A) (a)
*
*
(c)
(c)
图1
图2
如约定次边绕组的(a)端子放在图左边，(b)端子放在图右边，则得展开图(图1),反之则得展开图(图2)
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2.电压、电流相量的规格化定向 在牵引供电系统分析中，对所有牵引变压器均采用规格化定向。
从广义角度上讲，牵引变压器原次边之间除了有电压的变换外，还有电流和阻抗变换，可称为系统变换。
通过这种变换，可以获得变换到一次侧的牵引变压器、牵引负荷的等值电路模型，或变换到二次侧的电力 系统、牵引变压器的等值电路模型。
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二、三相YN,d11接线牵引变电所
目前在三相牵引变电所中大多采用的是110KV油浸风冷式变压器，该牵引变压器的接线采用YN,d11标 准联结组。
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（5）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。
• 牵引网: 通常将接触网、馈电线、钢轨回路(包括大地)和回 流线称为牵引网。
牵引变电所和牵引网构成牵引供电系统 。
专用高压输电线路和牵引供电系统称为电气铁路供电系统 。
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(3)牵引变电所主变压器的主结线型式 • YN,d11三相接线—广泛应用于DF和BT方式 • 单相V,V接线 • 斯科特(Scott)—广泛应用于AT方式 • 阻抗匹配平衡变压器接线 • 非阻抗匹配平衡变压器接线