高速铁路牵引供电系统2012.5

高速牵引供电系统主讲：张丽西南交通大学电气工程学院一、牵引供电系统与电力系统的关系二、牵引供电系统供电方式1、直接供电方式2、吸流变压器（BT）供电方式3、带回流线的直接供电方式4、自耦变压器（AT）供电方式三、牵引变压器接线一、牵引供电系统与电力系统的关系高压输电网：500/220/110kV低压配电网：35/10/0.38kV电力系统结构一、牵引供电系统与电力系统的关系优质的供、用电应具有以下特征：(1)供电电压具有稳定的标称频率、幅值和波形；(2)保持三相电压和电流的平衡，保证电网最大传输效率；(3)持续稳定和充足的电能供应；(4)低廉的电价；(5)对环境的不良影响较小。电力系统电能质量的基本要求一、牵引供电系统与电力系统的关系GB/T12325-2008电能质量供电电压偏差GB/T15945-2008电能质量电力系统频率偏差GB/T15543-2008电能质量三相电压不平衡度GB/T12326-2008电能质量电压波动和闪变GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波GB/T24337-2009电能质量公用电网间谐波GB/T18481-2001电能质量暂时过电压和瞬态过电压电能质量国家标准一、牵引供电系统与电力系统的关系1、牵引供电系统与电力系统的关系牵引变电所牵引供电系统牵引网单相工频交流25kV馈线回流线接触网钢轨牵引变压器220kV或110kV发电机升压变压器高压输电线路降压变压器用电设备降压变压器三相工频交流一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引供电系统牵引网25kV馈线回流线接触网钢轨一、牵引供电系统与电力系统的关系电力系统牵引变压器电能质量公共连接点（PCC）或供用电协议规定的电能计量点牵引供电系统与其电源，即三相电力系统（公用电网）之间通过PCC点的电能质量相互约束。一、牵引供电系统与电力系统的关系电能质量——电压偏差GB/T12325—2008电能质量供电电压允许偏差交流50Hz电力系统供电电压偏差定义为实测电压与额定电压之差，以额定电压的百分数表示。35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%；一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨ABCeeeSRSX25kVSSUEZIEUUZI电压损失概念及计算方法UEUΔUEU-IEUUΔUΔ(压降)(压损)SSSZRjX压降：压损：矢量差算数差δ很小，近似cosEEδ工程上cosRe()cossinSSΔUEδUΔURIXI()SSSUEUZIRjXIδEUUΔIABCSIRjSIX一、牵引供电系统与电力系统的关系计算到负荷端口，系统电压损失表达式如下式中，XS为负荷端口看出的电网等值相电抗，；Q为该相线路传输的无功功率，kvar；UN为线路额定相电压，kV；为负荷功率因数角，感性负荷取正值。cossin()/SSSSNURIXIRPXQUsinSUXI忽略电阻SNQUXU或SSRX一、牵引供电系统与电力系统的关系2(3)sinsin(3)sinsin(V)sin(kV)1000NSkNNNTkkNTkUUXIISUUUISSSUSS按三相负荷，系统电压损失表达式如下式中，UN为线路额定相电压，kV；Sk为负荷端口的系统三相短路容量，MVA；ST为负荷三相容量，kVA；负荷功率因数角。一、牵引供电系统与电力系统的关系进一步，计算电压偏差式中，Sk为负荷端口的系统三相短路容量，MVA；ST为负荷三相容量，kVA；负荷功率因数角。(%)10sin100'kTNSSUUU一、牵引供电系统与电力系统的关系一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨负荷的变化使PCC点电压幅值在额定值附近变化ABCeeeSRSX①减小系统等值阻抗，即选择短路容量大的电源。25kV②减小无功功率在系统的传输，即提高功率因数：采用交-直-交型电力机车；无功就地补偿一、牵引供电系统与电力系统的关系电能质量——谐波牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨电源为工频（基波）50Hz的正弦波机车为非线性负载，是谐波电流源ABCeeeSRSX25kV负载的非线性使得系统的电压、电流波形发生畸变一、牵引供电系统与电力系统的关系根据GB/T14549-93，电网公共连接点第h次谐波电压含有率HRUh按下式计算式中，Ih为注入电网公共连接点的总h次谐波电流，A；h为谐波次数；Sk为公共连接点的三相短路容量，MVA；UN和UL分别为公共连接点的额定相电压和线电压，kV。(%)10310)3(310)3(1001000/)(1002khLkhNNhkNNhhNhhShIUShIUUISUhUIxUUHRU一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨ABCeeeSRSX①减小系统等值阻抗，即选择短路容量大的电源。25kV②减小注入系统的谐波电流：采用交-直-交型电力机车；装设滤波器一、牵引供电系统与电力系统的关系电能质量——电压不平衡度牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨三相对称电源（正序）负载的不对称使得系统电压、电流不再对称机车为单相负载ABCeeeSRSX25kV一、牵引供电系统与电力系统的关系大功率单相负荷对系统的冲击，要求系统有足够的承受能力。采用单相牵引变电所的负序功率等于牵引负荷功率。GB/T15543-2008三相电压允许不平衡度电力系统公共连接点处的电压不平衡度应满足国家标准（GB/T15543-95）的要求，正常电压不平衡度允许值为2％，短时不得超过4％。221100100uNUUUU电压不平衡度一、牵引供电系统与电力系统的关系式中，I2为注入电网公共连接点的A相负序电流，A；Sk为公共连接点的三相短路容量，MVA；UN和UL分别为公共连接点的额定相电压和线电压，kV。22122222100100()/1000(3)100103(3)3(%)1010uNSNNkNNLkkUUUUXIUIUSUIUIUSS一、牵引供电系统与电力系统的关系牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨三相对称电源（正序）负载的不对称使得系统电压、电流不再对称机车为单相负载ABCeeeSRSX①减小系统等值阻抗，即选择短路容量大的电源。25kV②减小负载的不对称性：各牵引变电所的循环换相；平衡变压器；补偿装置。一、牵引供电系统与电力系统的关系供用电双方的共同努力来维持好的电能质量牵引供电系统牵引网牵引变电所牵引变电所馈线回流线接触网钢轨电力系统一方面：电力系统短路容量越大，电能质量越好。另一方面，作为用户，牵引供电系统本身要采取措施减小对电力系统电能质量的影响。25kV电力系统短路容量大小是反映该点短路时短路电流的大小，同时也就反映了该点至恒定电压点之间总电抗的大小。短路容量值越大，说明该点与电源联系越紧密，电气量越稳定。由电铁负荷产生的谐波、负序以及电压波动等问题对电力系统的影响程度都与之密切相关。一、牵引供电系统与电力系统的关系一方面：电力系统短路容量越大，电能质量越好。一、牵引供电系统与电力系统的关系世界主要高速铁路国家电铁供电电源电压等级国名铁路名称最高速度(km/h)供电电压(kV)附注日本东海道新干线300275个别站154kV山阳新干线300275个别站154kV北陆新干线300275东北新干线260275个别站154kV上越新干线275275法国巴黎－里昂3002251个站400kV巴黎－图尔3002251个站400kV巴黎－加莱3002251个站400kV里昂－瓦朗斯300225瓦朗斯－马赛350225巴黎－斯特拉斯堡3502251个站400kV一、牵引供电系统与电力系统的关系世界主要高速铁路国家电铁供电电源电压等级西班牙马德里－塞维利亚2502203个站132kV，短路容量不小于2000MVA马德里－巴塞罗那3504003个站220kV高速铁路普遍采用高电压、大容量电源供电。韩国电铁接入系统的短路容量韩国电力变电所短路容量(MVA)高速铁路变电所陵谷10,140高阳一洞8,418安山秋八4,003平泽清原12,286新清州沃川7,504沃川金泉4,325金泉凡川7,611釜山韩国电力系统最高电压354kV，下一级是154kV，没有220kV的电压等级。由于354kV不能直接给用户供电，所以电铁的电力系统接入电压等级为154kV，但其系统短路容量很大。一、牵引供电系统与电力系统的关系随着电网发展，系统短路容量呈日益加大的趋势，则系统的短路阻抗减小，对牵引供电系统的影响：①使得系统电压损失降低，从而牵引变压器出口电压水平提高，牵引网电压水平提高。②负序电压、谐波电压畸变对系统的影响相对减小；系统结构发生变化，使得负序电流和谐波电流在系统中的渗透发生改变。③牵引变压器进线短路容量增大。牵引变电所高、低压侧的各种电气设备、开关电器等将承受更大的短路电流。系统短路容量不可能无限制变大，目前部分地区已经因为短路容量太大导致开关选择的困难。一、牵引供电系统与电力系统的关系一、牵引供电系统与电力系统的关系主要有两种方案：（一）源头控制。在干扰负荷主电路上改进，如改交直型机车为交直交机车或动车组，可以从根本上解决诸如功率因数、谐波等问题。（二）综合补偿技术。综合作用：提高功率因数、滤除谐波、减少负序电流。另一方面，作为用户，牵引供电系统本身要采取措施减小对电力系统电能质量的影响。牵引变电所换相连接在减小负荷不对称造成的负序电流方面，欧洲各国大都采用单相变压器，为减小单相牵引负荷在电力系统中的电流不平衡，各变电所采取按相序轮换方式接入系统，使全区达到平衡的措施。法国为改善不平衡状态，最初采用Scott平衡变压器，但没能解决电压不平衡对电力系统的影响。后来，随着电网的发展，全部以单相变压器代替，并且使用轮换相序接入电力系统，使不同变电所产生的负序电流部分抵消，削弱了电铁产生的负序电流。一、牵引供电系统与电力系统的关系单相牵引变电所换相连接方案1：由3台单相变构成相别循环ABCabUbcUcaUabUbcU电分相承受电压电分相上承受电压为325kV一、牵引供电系统与电力系统的关系方案2：由6台单相变构成相别循环ABCabUbcUacUbaUcaUcbUabUbcU电分相承受电压acUbaUcaUcbU电分相上承受电压为25kV一、牵引供电系统与电力系统的关系Vv接线变压器换相连接（1）按对称要求规定供电分区电压顺序为、、、等。两相邻变电所间分区所的供电分区的电压相同。（2）所有变电所变压器副边以同名端接地。caUabUbcUcaU一、牵引供电系统与电力系统的关系ABCabUcaUbcUabUcaUbcUabUbcU电分相承受电压acUbaUcaUcbU一、牵引供电系统与电力系统的关系采用平衡变压器与法国不同，日本采用Scott接线或变形WB接线的平衡变压器，变压器一次侧不换相接入电源。当两个供电臂上的负荷完全相同时，一次侧就不会产生负序电流，利用这种特殊接线方式的变压器来消除电气化铁路负荷不对称对电力系统所造成的影响。一、牵引供电系统与电力系统的关系BAC平衡牵引变压器电力系统同相供电系统座座…………隔离变压器隔离变压器SVGSVG下层控制器IIcILI电分相LIcI日本RPC22pappapIIIIII平衡变次边电流LpqiiiLpqiii两供电臂负载电流1、直接供电方式（TR）二、牵引供电系统供电方式接触网钢轨CT牵引变电所结构简单，投资最少，维护费用低。直接供电方式的钢轨电位高；对弱电系统的电磁干扰较大。改进供电方式目标：①降低钢轨电位；②减小对弱电系统的电磁干扰。③具有更强的供电能力（更小的牵引网电压损失和电能损失）