1、第一章 电力牵引供电系统,参考教材,谭秀炳 主编，西南交通大学出版社,华东交通大学 电气与电子工程学院 罗杰,1-1 电力系统术语,电力系统: (Power System)生产、输送、分配、消费电能的发电机、变压器、电力线路、各种用电设备联系在一起组成的统一体。,1、电力系统：生产、输送、分配与消费电能的系统。包括：发电机、电力网和用电设备组成。2、电力网：电力系统中输送与分配电能的部分。3、动力系统：动力部分与电力系统组成的整体。,1-2 电力牵引电流制式与基本内容一、 电流制与额定电压根据电流形式：,（1）直流制:主要用于城市轨道交通，额定电压有1500V和750V、3000V或6000V
2、。,（2）交流制,低频单相交流制:( )目前已不采用，额定电压15KV或11KV 。,工频单相交流制:主要用于大运量、重载的铁路运输，额定电压为25kV，广泛采用。,二、电力牵引供电系统主要内容(一)电力系统及牵引供电系统概述(二)牵引变电所主变压器的结线方式(三)供电方式和供电回路(四)牵引网对通信线路的影响,电力牵引系统 electric traction system ：1、电力牵引供电系统 electric traction supply system 保证实现电力牵引方式且能够安全可靠的、不间断工作的电力供应系统（1）牵引变电所 traction substation（2）牵引网 t
3、raction network馈电线 feeder line 接触网 overhead contact line钢轨及回流线 rail, negative feeder 2、电力机车 electric locomotive,1-3 交流电力牵引系统概述,钢轨、地,3、电力牵引系统组成原理图,电力牵引系统,1-4直流牵引供电系统概述 基本结构,电力,地铁,或者表示为：,1-5 电力系统与电力牵引供电系统 一、构成 1.电力系统是一个包括发电厂、输电(线)、变电、配电、用电装置的完整工作系统。,2、电力牵引供电系统的组成部分与作用（1）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
4、能。（2）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。（3）接触网:是一种悬挂在轨道上方，沿轨道敷设的、和铁路轨道保持一定距离的输电网。通过电动车组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。（4）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。,（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。
5、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化铁路供电系统 。,二、牵引变电所一次侧的供电方式 (1)单边供电：牵引变电所的电能由电力系统中的一个方向的发电厂送来。,(2)两边供电：就是牵引变电所的电能由电力系统中两个方向的发电厂送来。,(3)环形供电：若干个发电厂、地方变电所通过高压输电线连接成环形的电力系统，牵引变电所处于环形电力系统的一段环路之中。,三、牵引供电系统的构成方式 (1)牵引供电系统向接触网的供电方式 、单线区段一边供电两边供电 、双线区段同相一边并联供电同相一边分开供电双边纽结供电,(2)牵引供电系统向电力机车的供电方式 直接供电方式(DF)
6、 Direct feed 带回流线的直接供电方式(DN供电方式) 自耦变压器供电方式(AT供电方式) Auto-Transformer 吸流变压器供电方式(BT供电方式) Booster-Transformer 同轴电力电缆供电方式（CC） Coaxial cable(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,1-6 牵引变电所 一、牵引变电所的分类1、按牵引变压器的结线形式分类纯单相结线；单相V,v结线; 三相V,v结线；三相YN,D11结线；斯柯
7、特结线； 阻抗匹配平衡结线；非阻抗匹配 平衡结线2、按高压输电线的引入方式分类 T接线（又称分支接线） ；桥接线（内桥和外桥接线）3、按承担供电臂的供电任务分类集中供电方式和分散供电方式,1、纯单相结线牵引变压器结线（1）结线（2）原理与特点原边（高压侧）：接电网的AB（BC、CA）次边（牵引侧）：一端接钢轨，另一端接供电臂优点： 主接线结构简单 ; 设备少 ;占地面积小，投资较少; 容量利用率（额定输出容量与变压器的额定容量之比）为100%；缺点： 不能实现对接触网的双边供电, 副边不能提供三相电源; 对电力系统的不对称性（负序）影响 最严重（不对称系数为1）;（3）应用纯单相结线主要适合于
8、电力系统容量较大，地方电力网发达的地区。我国的哈-大线（哈尔滨-大连）全部采用纯单相结线，牵引变电所接入容量较大的220KV电力网。,二、单相牵引变电所,2、开口三角形(单相V/V结线)牵引变压器结线（1）结线 （2）原理与特点单相变电所的一种变形；原边：以开口三角形的形式实现获取两相电能（A、BC）两高压绕组有公用端子；故构成了原边的V接。次边：各取一端连接于牵引母线a相和b相，各自的另一端联结成 公共端接至钢轨构成了副边的V接；不对称性分析结论：虽然其变压器的三端都是联向三相电力系统，即使在两牵引供电臂电流相等的情况下，三相系统的电流也不是对称的，仍然会影响三相电力系统的对称运行。,牵引变
9、电所装设两台单相 结线牵引变压器，作V,v接线。V,v接线牵引变压器原边 接入电力系统的两个线电压。次边各有一端分别接到牵 引侧的两相母线上，各有另 一端与轨道及接地网连接。,（1）原、次边电流关系,(2) 额定利用率 当Iab=Ibc=Ie时， 额定输出容量：S=IabUe+IbcUe=2UeIe 额定容量：S=2UeIe 所以，K=100% (3) 跨相供电当一台变压器因故停电时，另一台变压器必须跨相供电，即兼供左右两边供电分区的牵引网。,3、三相 V,v牵引变压器结线（1）结线 （2）原理与特点高压绕组引出3个端子A，B，C接三相电源，同单相V/V结线一样，第一个高压绕组的尾端X1与第二
10、个绕组的首端A2构成原边的V接，顶点为C。 副边绕组的四个端子a1,x1,a2,x2全部引出在油箱的外部，根据牵引供电的要求，可以接成正V（V，V-12）即a2与x1连接成为c即正的顶点，a1，x2分别为a相和b相。 也可以接成反V（V，V-）即a与x连接成为c即反的顶点，x1，a2分别为a相和b相。,优缺点：三相V/V结线的牵引变电所不但保持了单相V/V结线牵引变电所的所有优点，而且完全克服了单相V/V结线牵引变电所的缺点。最可取的是解决了单相V/V结线牵引变电所不便于采用固定备用及自动投入的问题。同时2台变压器的容量可以相等也可以不等；副边电压可以相等也可以不等，这样大大提高了供电的灵活性
11、。,三、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。 1.原理电路图及展开图 a. 原理电路图,（）内符号表示端子号， 大写为原边，小写为次边 其中绕组(ax)，(by)为负荷相绕组； 绕组(cz)为自由相绕组,b. 展开图为分析的直观与方便， 更常见使用YN,d11接线 牵引变压器的展开图。 画展开图有如下约定：(1)为施工和运行安全起见， 统一规定次边绕组的(c)端子接钢轨和地；(2)原、次边对应绕组相互平行；(3)原、次边每相绕组的同名端放在同一侧； 由此，先画次边，后画原边，可作出展开图。(4
12、)画成“ ， ”形式,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),图1,图2,简单讲就是：对于原边：电压U首端为正尾端为负；电流I首端流入，尾端流出。对于次边：电压U首端为正尾端为负；电流I首端流出，尾端流入。,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。,规格化定向的具体含义：,(1)原边绕组电压、电流采用电动机惯例定向，即牵引变压器从电力系统吸收电能。,(2)次边绕组电压、电流采用发电机惯例定向，即牵引变压器是次边负荷的电源。,(3)负荷吸收正功率。,就某一YN,d11接线牵引变电所而言，
13、规格化定向还应注意以下两条： (1)原边绕组电压与实际进线电压相别一致； (2)次边绕组按同名端与原边绕组电压一致；通常，完成电压定向后(先原边，后次边)，先标次边电流，再标原边电流。这种方法不仅方便于单个变电所的电气分析，也方便多个变电所的相量图和相量分析。 下标确定原则： (1)电流、电压相量的下标表示其实际相别，与绕组端子号无关。 (2)臂负荷的电压相别与其对应的工作绕组相别一致。,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,（1）当只有Ib流通时，bc绕组中的电流为 ，而ca与ab绕组电流为,（2）当只有Ia流通时，ca绕组中的电流为
14、 ，而ca与ab绕组电流为,、供电臂电流与绕组电流关系,（3）同时流通时，各绕组电流应叠加处理。,如设变压器变比为k, 则两侧绕组的匝数比k=k/ 可以建立一次侧三相电流与牵引侧馈线电流的变换关系式为：,从而得出三相电力系统 的原边电流不对称。,36.9,60,次边电压、电流相量图：,(以 为参考相量),在两供电臂功率因数相等时，由图知Ib滞后Ia角度为60度。,4、供电臂电流与原边电流关系,现假设: Ia=Ib=I（供电臂电流大小），,5、供电臂电流与次边绕组的电流关系,6、几个结论： 在两负荷端口电流大小及功率因数角相等的条件下（即）有: (1)两负荷相绕组电流相等，等于供电臂上负荷电流的
15、2.65/3；(2)自由相绕组电流是两负荷相绕组电流的1/2.65，即0.378倍，等于供电臂负荷电流的1/3。(3)两负荷相绕组称为重负荷相绕组(又称臂绕组或接地相绕组)，自由相绕组称为轻负荷相绕组(又称非接地相绕组)。,7、YN,d11变压器额定利用率 （1）变压器额定利用率K定义：K=(额定输出容量/额定容量) * 100% （2）YN,d11变压器额定利用率K=75.6%,8、三相牵引变电所优缺点,(1)优点： （）变压器原边采用接线，中性点引出接地方式与高压电网相适应 （）变压器结构相对简单，又因中性点接地，绕组可采取分级绝缘，因此变压器造价较低 （）变电所有三相电源，不但所内自用电
16、可靠，而且必要时可以向地方负荷供电 (2)缺点： （）变压器的容量不能充分利用，输出容量只能达到其额定容量的75.6%. （）和单相结线牵引变电所相比，主接线比较复杂，设备多，占地面积大，工程投资大，而且维护检修的工作量和费用都相应增加,四、三相-两相牵引变电所 1. 概述这种牵引变电所中变压器为三相两相平衡变压器。在电力系统中对称和平衡是有区别的：平衡 “0序”，即无“0序分量”称为平衡，否则为不平衡对称 “负序”，即无“负序分量”称为对称，否则为不对称在电气化铁道牵引负荷通过特定接线的牵引变压器不会在电力系统中产生“0序分量”，但通常都会造成负序分量。因此，从三相系统看，牵引负荷是平衡而不
17、对称的。也正因为这个特点，电气化铁道正常运行时不考虑“0序”，只考虑负序，又把对称变压器称为平衡变压器，目的都是消除或削弱负序。,由两台单相变压器构成。变压器的原边绕组联成倒T形接入三相电力系统，副边绕组联成相位差为90的V形，公共端接地和钢轨，两个开口端分别接入接触网相邻的两区段，相邻两接触网对地电压相位不同，故相邻两接触网区段必须用分相绝缘器断开。,2. Scott变压器结线牵引变电所,(1)原、次边电压关系及变比关系,(M)座变压器的绕组原边接入电力系统AB相(线电压)；(T)座变压器绕组原边一端接(M)座绕组的中点D，另一端接入C相。,分析：以原边相电压 为参考相量，则：(T)座原边电
18、压 为：,(T)座原边绕组匝数是(M)座的 ，而副边匝数相等( )。(M)座变压器变比(T)座变压器变比:由于(M)与(T)两变压器原边电压的关系对应于等边三角形底边和高的关系，故通常称M座为底变压器，T座为高变压器。,(2)原、次边电流关系 列写电流和磁势平衡关系式： 原边电流： 若副边两相牵引负荷电流相等时，且M、T两供电臂功率因数相等时，以 为参考相量：列磁势平衡方程：,将 代入得：,结论：在M、T两供电臂负荷电流大小相等、功率因数相等的条件下，Scott牵引变压器原边三相电流大小相等，相位互差120，即原边三相电流对称。 (3) Scott变压器容量利用率达到额定输出时，即 ，此时变压
19、器额定输出容量：变压器设计额定容量：,(4)Scott结线变压器的优缺点: 优点: 当M座和T座两供电臂电流相等,且功率因数相同时,原边三相电流对称; 变压器容量基本能够全部利用; 可利用逆Scott结线变压器产生三相对称电压供牵引变电所的自用电;,Scott结线变压器的优缺点: 缺点: Scott结线变压器制造难度大,绕组需按全绝缘设计,变压器造价较高;变电所主接线复杂,设备较多,工程投资较大,日常的维护、检修工作量及费用都相应增加；Scott结线两馈线之间的电压为38.9KV,即分相绝缘器两端的电压较高,故应适当加强其绝缘;Scott结线变压器的中性点难以引出,且无三角形绕组回路,电压波形
20、较差;,3.阻抗匹配平衡变压器 所谓平衡变压器必须满足： (1)无论二相侧(负荷侧)负荷状况如何，三相侧(系统侧)均无零序电流。即三相侧电流为“平衡系”； (2)当二相侧两臂负荷相等时，三相侧负序电流为零。即三相侧电流为“对称系”。 这里介绍的阻抗匹配平衡变压器就是在普通YN,d11接线变压器的自由相上增加两个绕组。这种结构是目前现有平衡牵引变压器中最简单的。使副边内各绕组阻抗满足阻抗匹配原则，从而使原边平衡，即三个绕组阻抗满足: Zab=Zbc=Zac,(1)接线图: 原边接线与普通YN,d11接线变压器的原边情况完全相同； 次边三角形接线结构有所改变， 即在非接地相增设了 两个外移绕组：
21、和 。 (c)端子仍接地。、 两端分别接到 牵引侧两相母线上。 由两相牵引母线分别 向两侧对应的供电臂 供电。,(2)电流关系,次边绕组电流与负荷端口电流关系为,由磁势平衡方程得:原边三相电流与负荷端口电流关系为,当次边两相均载时，都等于I2时，有：,电压关系,变比关系 变压器容量利用率 额定容量：S1=3U1相I1相 额定输出容量：,阻抗匹配平衡变压器的特点 a.阻抗匹配平衡变压器的原边仍为YN接法，引出中性点，与现有110kV或220kV系统匹配方便。 b.阻抗匹配平衡变压器的副边仍有接线绕组，三次谐波电流可以流通，确保主磁通和电压波形有良好的正弦度。 c.容量利用率显著高于YN,d11接
22、线变压器。 d.次边 时，原边三相电流为平衡系；次边 时，原边三相电流转化为对称系。对牵引负荷来说，任何时刻都满足两边负荷电流相等的概率是很小的，尽管如此，阻抗匹配平衡变压器原边三相电流的不对称度较YN,d11牵引变压器仍有明显改善。 e.原边三相制的视在功率完全转化为次边二相制的视在功率。,1-7 牵引网的供电方式 一、BT供电方式在牵引网中，每相距1.5km4km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。,1接触网； 2为轨道； 3为回流线； 4为吸流变压器，变比1:1，
23、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；,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1；副边电流I2，匝数为2。根据磁势平衡关系：I2 2 I1 1 又因为变比为1:1，则1=2，所以 I2I1说明：采用吸流变后，只有变压器
24、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。,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。,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
25、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24km，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。,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。,日本铁路为防止通讯干
26、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。,二、自耦变压器供电方式(AT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。,结构上：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，这一改变，首先是消除了接触网中的吸流变压器分段。大部分回流流经正
27、馈线，从而降低对邻近通信线的干扰。 自耦变压器的工作原理：一次和二次回路共用部分绕组(n2部分)，而n1只有一次电流通过。,输入电压为输出电压的2倍，也就是说，通过自耦变压器可以输入较高的电压而得到机车所需的低电压。电流则相反，输入电流为输出电流的一半。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，送电电路中的电压损失将降低为1/4。利用AT这个特点，可增大变电所间的距离和增大传输功率，减少牵引网损耗。缺点：必须在沿线安设电压较高、容量较大的自耦变压器，牵引网设备的投资相应增加。,三、带回流线的直接供电方式(DN供电方式)由于AT方式设备复杂，一次投资高、运营费
28、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，对高速和重载行车的适应能力差。因此，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、沿全线架设的负馈线NF(每隔几公里用P金属线和钢轨相连)组成。由于NF和钢轨并联连接，使得正常运行时钢轨中负荷电流的一部分分流到NF中去，因此，可以减少流入大地的电流，减轻对通讯的干扰危害，降低钢轨电位，减小馈电回路的阻抗。DN方式与AT、BT相比，其馈电回路和设备简单、投资省、运营维护方便。为了能取得最好的防干扰效果，需研究回流线的空间,布置(与接触网的磁耦合关系)和设法降低回流线地、钢轨地回路的阻抗，以提高回流率。回流率与各导线地回路自阻抗以及各导线地回路间的互阻抗有关，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。,BT（吸流变压器）方式,AT（自耦变压器）方式,同轴电力电缆方式,带回流线的直接供电方式,
