电气化铁路供电系统设计 电气化铁路供电系统设计

电气化铁路供电系统设计

  • 期刊名字:城市建设理论研究(电子版)
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  • 论文作者:石昭监
  • 作者单位:中铁十九局集团电务工程有限公司
  • 更新时间:2020-07-04
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电气化铁路供电系统设计石昭监中铁十九局集团电务工程有限公司北京100026摘要:铁路和电力同为国家的重要基础设施,电气化铁路的发展与其供电系统密不可分。电气化铁路是电网的重要用电负荷,同时对电力系统运行也带来一些新的问题。本文首先分析了电气化铁路供电系统的构成,并对电力牵引的特点和优越性进行了说明,其次分析了电气化铁路供电系统设计中存在的问题,最后重点论述了电气化铁路供电系统的设计要点。关键词:电气化铁路;供电系统;设计;牵引供电;供电方式Abstract: the railways and power as a national important foundation facilities, isclosely related to development of electrified railway and power supply systemThe electrified railway is the important power grid electricity load, but alsobrings some new problems to power system operation. This paper firstanalyzes the structure of electrified railway traction power supply system ofelectric traction, and the characteristics and advantages are describedfollowed by analysis of the design of electrified railway traction power supplysystem in question, finally discusses the key points in the design of powersupply system of electric railway.Keywords: electric railway; power supply system; design; traction powersupply; power supply中图分类号:U22文献标识码:A文章编号:2095-2104(2013)、电气化铁路供电系统的构成电气化铁道供电系统由一次供电系统和牵引供电系统组成。电气化铁道供电系统的简单构成如图1所示中国煤化工CNMHG图1电气化铁路供电系统构成1—区域变电站或发电厂2-110K三相交流高压输电线3—牵引变电所馈电线5—接触网6—轨道、地7—钢轨回流电8—电力机车(一)一次供电系统次供电系统是指电力系统向电气化铁道的供电部分。在我国,电力系统通常以110kV的电压等级向电气化铁道供电。图1中,1为区域变电站或发电厂,2为三相交流高压输电线,这两部分即为电气化铁道的一次供电系统。(二)牵引供电系统完成对电力机车供电的属于铁路部门管辖的装置称为电气化铁道的牵引供电系统。如图1,它由牵引变电所3、馈电线4、接触网5、钢轨6和钢轨回流线7等组成。二、电力牵引的特点及优越性电气化铁路的供电系统是由发电厂集中提供电能,经变电站,通过高压输电线(110kV)传输给牵引变电所,转变成电压27.5kV或55kV送到接触网上,供给沿线运行的电力机车。而牵引供电是指电力系统从铁路牵引变电所开始,向牵引接触网的供电。电力牵引是一种新型有轨运输牵引动力形式。在干线铁路、城市轨道交通运输和工矿运输中有着广泛的作用。电力牵引是利用电能作为牵引动力,将电能转换为机械能,驱动铁路列车、电动车组和城市轨道交通车辆等有轨运输工具运行的一种运输形式。中国煤化工CNMHG电力牵引按其牵引网供电电流制式不同,分为工频单相交流制、低频单相交流制和直流制。我国电气化铁路采用工频单相交流制电力牵引,直流制电力牵引仅用于城市轨道交通运输系统和工矿运输系统。我国电力牵引供电系统的主要特点有以下几方面:①电力机车是单相移动性随机负荷,是一种负序源。②非线性整流器机车,成为一种谐波源,并从电力系统和牵引供电系统获取无功。③供电方式及设备种类多样化,有直接供电方式、带回流线的直接供电方式、串联吸流变压器、BT供电方式、自耦变压器AT供电方式,这些供电方式的技术和经济特性有较大的差异。对牵引变压器,有单相、YN,d1l接线、斯科特接线、伍德桥接线、阻抗匹配平衡型、三相不等容量型等形式,它们具有不同的结构和性能特点。由于供电方式不同,接触网结构类型也较多④牵引供电系统和电力机车在电气上是一个连续的整体,易于实现自动化和信息化管理电力牵引的优越性主要有以下几点:①电力牵引的动力大,生产效率高电力牵引的能量取于强大的电力系统,牵引动力大,能最大限度适应铁路运输多拉快跑的需要。据有关资料统计,电力牵引的生产效率比内燃机车的生产效率高50%以上,对于客货运输繁忙的铁路干线,电力牵引的这种优越性尤为显著。②电力牵引节省能源,经济效益好方面电力机车本身的电能转换效率高;另一方面,电力的生产能够高效率地综合利用各种廉价的自然能源,这对于节约国家有限的煤炭、石油资源,提高铁路运输的经济效益十分有利。③有利于优化生态环境,改善劳动条件电力机车运行时不会产生有害气体,对铁路沿线的居民和列车乘客不会造成危害,特别是在多隧道的山区线路,这种无有害气体产生的优点更为可贵。电力机车的司乘人员工作条件好,维护检修工作量小,大大降低了工人的劳动强度。、电气化铁路供电系统设计中存在的问题)牵引变压器的选型问题中国煤化工CNMHG铁路部门从经济性考虑,在牵引变压器选型方面大多会采用V/V(V/X)接线变压器,会产生较严重的三相功率不平衡问题。而可大大减少对电力系统负序影响的阻抗平衡牵引变压器或Scot牵引变压器,由于造价相对较高,往往不被选用。特别是220kV三相平衡牵引变压器,铁路部门认为目前尚无可靠制造和应用经验,广泛推广面临困难。(二)系统短路容量问题从保证高速铁路牵引供电系统的电压水平、确保动车组稳定正常运行的角度出发,要求在牵引变电站进线处外部配套电源的系统短路容量一般不小于特定数值。目前给牵引变电站供电的110kV电源,铁路方面提出的系统短路容量大都低于1000VA,相当多的牵引变电站短路容量在500MVA以下,有的甚至只有200300MVA,按此标准建设电气化铁路供电工程,将导致系统压降很大。从供电安全可靠性考虑,要达到这个要求供电部门有一定困难。因此为保障电气化铁路的安全供电,要加强对电气化铁路短路容量问题的合理性研究。(三)负序谐波治理问题近年来电气化铁路大量投运,现有电气化铁路仍有部分线路存在着负序、谐波超标等问题。随着电气化铁路运力的不断提高,三相不平衡、谐波以及短路电流过大等问题会更加突出。由于铁路部门在设备选取时注重经济性因素,电气化铁路对电网电能质量的影响愈加突出。以大秦铁路湖东牵引站为例,需要采用SVC实现谐波、负序治理,但铁路部门反映设备占地面积大、不实用,新型、有利于治理负序和谐波的技术难以推广。四、电气化铁路供电系统设计要点)牵引供电设备应满足的要求、应保证不间断行车可靠供电,牵引供电设备能力应与线路运输能力匹配:并留有余地;2、为了满足规定的列车重量、密度和速度的要求,接触网最高工作电压为27.5kV,瞬时最大值为29kV;最低工作电压为20kV,非正常情况下不得低于19kV3、牵引变电所需具备双电源、双回路受电双线电气化区段应具备反方向行车条件中国煤化工CNMHG5、接触网的分段应检修方便和缩小故障停电范围,枢纽及较大区段站应设开闭所,枢纽及较大区段站的负荷开关和电动隔离开关应纳入远动控制。(二)接触网导线在最大弛度时距钢轨顶面应保持的高度接触网导线在最大弛度,至钢轨顶面的高度不超过6500m,在区间和中间站不少于5700m(旧线改造不少于5330mm)。在编组站、区段站和个别较大的中间站站场不少于6200m,客运专线为5300~5500m,站场与区间宜取一致。(三)架空线路与接触网的垂直距离的规定架空电线路(包括通讯线路)跨越接触网时,与接触网的垂直距离:110kV及其以下电线路,不少于3000mn;220kV电线路,不少于4000mn;330kV电线路,不少于5000m;500kV电线路,不少于6000m。以防止相互间的电磁干扰,保证接触网与架空电线路的安全。为避免低压线路跨越高压线路,便于设备维修管理,10kV及其以下的电线路,尽量由地下穿过铁路。(四)牵引供电方式交流电力牵引供电系统因牵引网对抑制通信干扰采取的技术措施不同而采取不同的供电方式。牵引供电系统的供电方式主要包括直接供电方式、带回流导线的供电方式、带吸流变压器(BT)供电方式,以及2×25kv自耦变压器(AT)供电方式。1、直接供电方式(TR供电方式)直接供电方式是在牵引网中不断增加特殊防护措施的一种供电方式,是结构最简单的一种。电气化铁路最早大都采用这种供电方式,它的一根馈线接在接触网(T)上,另一根馈线接在钢轨(R)上,如图2所示。这种供电方式结构简单投资最省,牵引网阻损较小,能耗也较低。供电距离单线一般为30km左右,复线般为25km左右。电气化铁路是单相负荷,机车由接触网取得电流经钢轨流回牵引变电所。由于钢轨与大地是不绝缘的,一部分回流电流由钢轨流入大地,因此对通信线路产生较大电磁干扰。这是直接供电方式的缺点,它一般采用在铁路沿线通信线路已改用地下屏蔽电缆的区段中国煤化工CNMHG接触网27.5KV钢轨R图2直接供电方式原理图2、吸流变压器供电方式(BT供电方式)BT供电方式是在牵引网中架设有吸流变压器一回流线装置的一种供电方式。与直接供电方式相比,是在系统中增加了吸流变压器设备。此种方式目前在我国电气化铁路上采用较广。吸流变压器是变比为1:1的变压器,它的一次绕组串接在接触网(T)上,二次绕组串接在专为牵引电流流回牵引变电所而特设的回流线(NF)上,所以也称吸流变压器一回流线供电方式,如图3所示。吸流变压器(BT)回流线接触网吸上线27.5kV图3BT供电方式原理图吸流变压器供电方式的工作原理是,由于吸流变压器的变比为1:1,当吸流变压器的一次绕组流过牵引电流时,在其二次绕组中强制回流通过吸上线流入回流线。由于接触网与回流线中流过的电流大致相等,方向相反,因此对邻近的通信线路的电磁感应绝大部分被抵消,从而降低了对通信线路的干扰。这种供电方式由于在牵引网中串联了吸流变压器,牵引网的阻抗比直接供电方式约大50%,能耗也比较大,供电距离也较短,单线一般为25km左右,复线一般为20km左右投资也比直接供电方式大。3、自耦变压器供电方式(AT供电方式)AT供电方式是20世纪70年代才发展起来的一种供电方式。它既能有效地减轻牵引网对通信线的干扰,又能适应高速、大功率电力机车运行,故近年来在我国得到了迅速发展。这种供电方式是每隔10km左右在接触网与正馈线之间并联接入中国煤化工台自耦变压器,绕组与钢轨相接。自耦变压器将牵引CNMHG而供给电力机车的电压仍是25kv,其工作原理如图4所示。电力机车由接触网(T)受电后,牵引电流一般由钢轨(R)流回,由于自耦变压器的作用,钢轨流回的电流经自耦变压器绕组和正馈线(F)流回变电所。当自耦变压器的一个绕组流过牵引电力时,其另一个绕组感应出电流供给电力机车,因此实际上当机车负荷电力为I时,由于自耦变压器的作用,流经接触网(T)和正馈线(F)的电流为I白耦变压器(AT)接触网55k\钢轨R正馈线图4AT供电方式原理图自耦变压器供电方式牵引网阻抗很小,约为直接供电方式的1/4,因此电压损失小,电能损耗低,供电能力大,供电距离长,可达40~50km。由于牵引变电所间的距离加大,减少了牵引变电所数量,也减少了电力系统对电气化铁路供电的工程和投资。但由于牵引变电所和牵引网比较复杂,加大了电气化铁路自身的投资,这种供电方式一般在重载铁路、高速铁路等负荷大的电气化铁路上使用。由于牵引负荷电流在接触网(T)和正馈线(F)中方向相反,因而对邻近的通信线路干扰很小,其防干扰效果与BT供电方式相当结语我国电气化铁道已运营了几十年,在实践中积累了大量的经验,但与铁路电气化发达国家相比,在技术及装备上仍有较大的差距。特别是在面临高速、重载和扩能要求下,电气化铁道供电系统中更有许多技术难题需要解决。因此我们应认真硏究电气化铁路供电特点,加强对关键技术的研究,增强电气化铁路安全、可靠供电的技术保障参考文献[1]孙珂,李勇.电气化铁路供电工程建设中存在的问题及相关建议[J].能源与电力工程,2010.2中国煤化工CNMHG[2]李勇,黄宝莹,孙珂.京沪高铁供电工程统一技术标准的有关问题探讨[J]电力技术经济,2009.2[3]李彦哲,王果,张蕊萍,胡彦奎.电气化铁道供电系统与设计[M.兰州:兰州大学出版社,2006中国煤化工CNMHG

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