牵引供电系统课件

第一章第一章 电力牵引供电系统电力牵引供电系统参考教材 谭秀炳谭秀炳 主编，主编，西南交通大学出版社西南交通大学出版社华东交通大学华东交通大学 电气与电子工程学院电气与电子工程学院 罗罗杰杰 第一章 电力牵引供电系统参考教材 1 1-1 电力系统术语电力系统术语 电力系统电力系统:(Power System)(Power System)生产、输送、分配、消费电能的发电机、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变压器、电力线路、各种用电设备联系在一起组成的统一体。一起组成的统一体。1-1 电力系统术语 电力系统:(2 1 1、电力系统：生产、输送、分配与消费电能的系、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。统。包括：发电机、电力网和用电设备组成。2 2、电力网：电力系统中输送与分配电能的部分。、电力网：电力系统中输送与分配电能的部分。3 3、动力系统：动力部分与电力系统组成的整体。、动力系统：动力部分与电力系统组成的整体。牵引供电系统课件3 发电厂发电厂 电力网电力网 电力用户电力用户 发电厂 电力网 电4 1-2 电力牵引电流制式与基本内容电力牵引电流制式与基本内容一、一、电流制与额定电压电流制与额定电压 根据电流形式：根据电流形式：（1）直流制）直流制:主要用于城市轨道交通，额定电压有主要用于城市轨道交通，额定电压有1500V和和750V、3000V或或6000V。（2）交流制）交流制低频单相交流制低频单相交流制:()目前已不采用，目前已不采用，额定电压额定电压15KV或或11KV。工频单相交流制工频单相交流制:主要用于大运量、重载的铁路运主要用于大运量、重载的铁路运输，额定电压为输，额定电压为25kV，广泛采用。，广泛采用。1-2 电力牵引电流制式与基本内容（1）5二、二、电力牵引供电系统主要内容电力牵引供电系统主要内容(一一)电力系统及牵引供电系统概述电力系统及牵引供电系统概述(二二)牵引变电所主变压器的牵引变电所主变压器的结线方式结线方式(三三)供电方式供电方式和供电回路和供电回路(四四)牵引网对通信线路的影响牵引网对通信线路的影响牵引供电系统课件6 电力牵引系统电力牵引系统 electric traction system electric traction system：1 1、电力牵引供电系统、电力牵引供电系统 electric traction supply system electric traction supply system 保证实现电力牵引方式且能够安全可靠的、不间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断工作的电力供应系统 （1 1）牵引变电所）牵引变电所 traction substationtraction substation （2 2）牵引网）牵引网 traction networktraction network 馈电线馈电线 feeder line feeder line 接触网接触网 overhead contact overhead contact lineline 钢轨及回流线钢轨及回流线 rail,negative rail,negative feederfeeder 2 2、电力机车、电力机车 electric locomotive electric locomotive1-3 交流电力牵引系统概述交流电力牵引系统概述 电力牵引系统 electric traction sy7G电力系统电力系统(发电厂）发电厂）输电线输电线牵引变电所牵引变电所电力机车电力机车接触网接触网馈电线馈电线回流线回流线钢轨、地钢轨、地3、电力牵引系统组成原理图、电力牵引系统组成原理图电力牵引系统电力牵引系统G电力系统(发电厂）输电线牵引变电所电力机车接触网馈电线回流81-4直流牵引供电系统概述直流牵引供电系统概述 基本结构基本结构1-4直流牵引供电系统概述 基本结构9G电力系统电力系统(发电厂）发电厂）输电线输电线直流牵引变电所直流牵引变电所接触网接触网馈电线馈电线回流线回流线电动车辆电动车辆走行轨走行轨主（降压）变电站主（降压）变电站电力地铁或者表示为：或者表示为：G电力系统(发电厂）输电线直流牵引变电所接触网馈电线回流线电10 1-5 电力系统与电力牵引供电系统电力系统与电力牵引供电系统一、构成一、构成1.电力系统电力系统是一个包括发电厂、输电是一个包括发电厂、输电(线线)、变电、配、变电、配电、用电装置的完整工作系统。电、用电装置的完整工作系统。1-5 电力系统与电力牵引供电系统112、电力牵引供电系统的组成部分与作用、电力牵引供电系统的组成部分与作用 （1）牵引变电所）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能。引要求的电能。（2）馈电线）馈电线:连接牵引变电所和接触网的导线。它将牵引变电所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。变换后的电能送到接触网。（3）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。车运行。（4）轨道）轨道:在非电牵引情形下只作为列车的导轨。在电力牵引时，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。力牵引的轨道，需要具有良好的导电性能。2、电力牵引供电系统的组成部分与作用12（5）回流线）回流线:是连接轨道和牵引变电所的导线。通过回流线把轨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。道中的回路电流导入牵引变电所的主变压器。牵引网牵引网:通常将接触网、馈电线、钢轨回路通常将接触网、馈电线、钢轨回路(包括大地包括大地)和回和回 流线称为牵引网。流线称为牵引网。牵引变电所和牵引网构成牵引变电所和牵引网构成牵引供电系统牵引供电系统。专用高压输电线路和牵引供电系统称为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电气化铁路供电系统。（5）回流线:是连接轨道和牵引变电所的导线。通过回流线13二、牵引变电所一次侧的供电方式二、牵引变电所一次侧的供电方式(1)单边供电：单边供电：牵引变电所的电能由电力系统中的一个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。方向的发电厂送来。二、牵引变电所一次侧的供电方式14(2)两边供电：两边供电：就是牵引变电所的电能由电力系统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。中两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15(3)环形供电：环形供电：若干个发电厂、地方变电所通过高压输电线连若干个发电厂、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。段环路之中。(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16三、牵引供电系统的构成方式三、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牵引供电系统向接触网的供电方式、单线区段、单线区段 一边供电一边供电 两边供电两边供电、双线区段、双线区段 同相一边并联供电同相一边并联供电 同相一边分开供电同相一边分开供电 双边纽结供电双边纽结供电三、牵引供电系统的构成方式17(2)牵引供电系统向电力机车的供电方式牵引供电系统向电力机车的供电方式直接供电方式直接供电方式(DF)Direct feed带回流线的直接供电方式带回流线的直接供电方式(DN供电方式供电方式)自耦变压器供电方式自耦变压器供电方式(AT供电方式供电方式)Auto-Transformer吸流变压器供电方式吸流变压器供电方式(BT供电方式供电方式)Booster-Transformer同轴电力电缆供电方式（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牵引变电所主变压器的主结线型式YN,d11三相接线三相接线广泛应用于广泛应用于DF和和BT方式方式单相单相V,V接线接线斯科特斯科特(Scott)广泛应用于广泛应用于AT方式方式阻抗匹配平衡变压器接线阻抗匹配平衡变压器接线非阻抗匹配平衡变压器接线非阻抗匹配平衡变压器接线(2)牵引供电系统向电力机车的供电方式181-6 牵引变电所牵引变电所一、牵引变电所的分类一、牵引变电所的分类 1、按牵引变压器的结线形式分类、按牵引变压器的结线形式分类 纯单相结线；纯单相结线；单相单相V,v结线结线;三相三相V,v结线；结线；三相三相YN,D11结线；结线；斯柯特结线；斯柯特结线；阻抗阻抗匹配平衡结线；匹配平衡结线；非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、按高压输电线的引入方式分类 T接线（又称分支接线）接线（又称分支接线）；桥接线（内桥和桥接线（内桥和外桥接线）外桥接线）3、按承担供电臂的供电任务分类、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集中供电方式和分散供电方式1-6 牵引变电所191、纯单相结线牵引变压器结线、纯单相结线牵引变压器结线 （1）结线）结线 （2）原理与特点）原理与特点 原边（高压侧）：接电网的原边（高压侧）：接电网的AB（BC、CA）次边（牵引侧）：一端接钢轨，另一端接供电臂次边（牵引侧）：一端接钢轨，另一端接供电臂 优点：优点：主接线结构简单主接线结构简单;设备少设备少;占地面积小，投资较少占地面积小，投资较少;容量利用率（额定输出容量与变容量利用率（额定输出容量与变 压器的额定容量之比）为压器的额定容量之比）为100%；缺点：缺点：不能实现对接触网的双边供电不能实现对接触网的双边供电,副边不能提供三相电源副边不能提供三相电源;对电力系统的不对称性对电力系统的不对称性 （负序）影响（负序）影响 最严重（不对称系数为最严重（不对称系数为1）;（3）应用）应用 纯单相结线主要适合于电力系统容量较大，地方电力网发达的地区。我国的哈纯单相结线主要适合于电力系统容量较大，地方电力网发达的地区。我国的哈-大线大线 （哈尔滨（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。电力网。二、单相牵引变电所二、单相牵引变电所、纯单相牵引变电所纯单相牵引变电所、单相、单相V,v结线牵引变电所结线牵引变电所3、三相、三相 V,v结线牵引变电所结线牵引变电所1、纯单相结线牵引变压器结线二、单相牵引变电所、纯单相牵引202、开口三角形、开口三角形(单相单相V/V结线结线)牵引变压器结线牵引变压器结线（1）结线（2）原理与特点原理与特点 单相变电所的一种变形；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（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；）两高压绕组有公用端子；故构成了原边的故构成了原边的V接。接。次边：各取一端连接于牵引母线次边：各取一端连接于牵引母线a相和相和b相，各自的另一端联结成相，各自的另一端联结成公共端接至钢轨构成了副边的公共端接至钢轨构成了副边的V接；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。电力系统的对称运行。2、开口三角形(单相V/V结线)牵引变压器结线21 牵引变电所装设两台单相牵引变电所装设两台单相结线牵引变压器，作结线牵引变压器，作V,v接线。接线。V,v接线牵引变压器接线牵引变压器原边原边接入电力系统的接入电力系统的两个线电压两个线电压。次边次边各有一端分别接到牵各有一端分别接到牵引侧的两相母线上，各有另引侧的两相母线上，各有另一端与轨道及接地网连接。一端与轨道及接地网连接。牵引变电所装设两台单相22（1）原、次边电流关系）原、次边电流关系（1）原、次边电流关系23(2)额定利用率额定利用率当当Iab=Ibc=Ie时，时，额定输出容量：额定输出容量：S=IabUe+IbcUe=2UeIe额定容量：额定容量：S=2UeIe所以，所以，K=100%(3)跨相供电跨相供电 当一台变压器因故停电时，另一台变压器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必须跨相供电，即兼供左右两边供电分区的牵引网。牵引网。(2)额定利用率243、三相、三相 V,v牵引变压器结线牵引变压器结线（1）结线）结线（2）原理与特点）原理与特点 高压绕组引出高压绕组引出3个端子个端子A，B，C接三相电源，接三相电源，同单相同单相V/V结线一样，第一个高压绕组的尾端结线一样，第一个高压绕组的尾端X1与与第二个绕组的首端第二个绕组的首端A2构成原边的构成原边的V接，顶点为接，顶点为C。副边绕组的四个端子副边绕组的四个端子a1,x1,a2,x2全部引出在全部引出在油箱的外部，根据牵引供电的要求，可以接成正油箱的外部，根据牵引供电的要求，可以接成正V（V，V-12）即）即a2与与x1连接成为连接成为c即正的顶点，即正的顶点，a1，x2分别为分别为a相和相和b相。相。也可以接成反也可以接成反V（V，V-）即）即a与与x连接连接成为成为c即反的顶点，即反的顶点，x1，a2分别为分别为a相和相和b相。相。3、三相 V,v牵引变压器结线25优缺点：优缺点：三相三相V/V结线的牵引变电所不但保持了结线的牵引变电所不但保持了单相单相V/V结线牵引变电所的所有优点，而且结线牵引变电所的所有优点，而且完全克服了单相完全克服了单相V/V结线牵引变电所的缺点。结线牵引变电所的缺点。最可取的是解决了单相最可取的是解决了单相V/V结线牵引变电所结线牵引变电所不便于采用固定备用及自动投入的问题。不便于采用固定备用及自动投入的问题。同时同时2台变压器的容量可以相等也可以不等；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。提高了供电的灵活性。优缺点：26三、三相三、三相YN,d11接线牵引变电所接线牵引变电所 目前在三相牵引变电所中大多采用的是目前在三相牵引变电所中大多采用的是110KV油浸风冷式油浸风冷式变压器，该牵引变压器的接线采用变压器，该牵引变压器的接线采用YN,d11标准联结组。标准联结组。1.原理电路图及展开图原理电路图及展开图a.原理电路图原理电路图（）（）内符号表示端子号，内符号表示端子号，大写为原边，小写为次边大写为原边，小写为次边其中绕组其中绕组(ax)，(by)为负荷相绕组；为负荷相绕组；绕组绕组(cz)为自由相绕组为自由相绕组三、三相YN,d11接线牵引变电所（）内符号表示端子号，27b.展开图展开图 为分析的直观与方便，为分析的直观与方便，更常见使用更常见使用YN,d11接线接线牵引变压器的展开图。牵引变压器的展开图。画展开图有如下约定：画展开图有如下约定：(1)为施工和运行安全起见，为施工和运行安全起见，统一规定次边绕组的统一规定次边绕组的(c)端子接钢轨和地；端子接钢轨和地；(2)原、次边对应绕组相互平行；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；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。由此，先画次边，后画原边，可作出展开图。(4)画成画成“，”形式形式b.展开图28如约定次边绕组的如约定次边绕组的(a)端子放在图左边，端子放在图左边，(b)端子放在端子放在图右边，则得展开图图右边，则得展开图(图图1),反之则得展开图反之则得展开图(图图2)图图1 1图图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，29简单讲就是：简单讲就是：对于原边：电压对于原边：电压U首端为正尾端为负；电流首端为正尾端为负；电流I首端流入，尾端流出。首端流入，尾端流出。对于次边：电压对于次边：电压U首端为正尾端为负；电流首端为正尾端为负；电流I首端流出，尾端流入。首端流出，尾端流入。2.电压、电流相量的电压、电流相量的规格化定向规格化定向 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。向。规格化定向的具体含义：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。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。次边负荷的电源。(3)负荷吸收正功率。负荷吸收正功率。简单讲就是：2.电压、电流相量的规格化定向规格化定向的具体含30 就某一就某一YN,d11接线牵引变电所而言，规格化定向还应接线牵引变电所而言，规格化定向还应注意以下两条：注意以下两条：(1)原边绕组电压与实际进线电压相别一致；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；次边绕组按同名端与原边绕组电压一致；通常，完成电压定向后通常，完成电压定向后(先原边，后次边先原边，后次边)，先标次边先标次边电流，再标原边电流电流，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。多个变电所的相量图和相量分析。下标确定原则：下标确定原则：(1)电流、电压相量的下标表示其实际相别，与绕组端子电流、电压相量的下标表示其实际相别，与绕组端子号无关。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。臂负荷的电压相别与其对应的工作绕组相别一致。就某一YN,d11接线牵引变电所而言，规格化定向31+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-32+-+-+-+-+-+-*UC*ABCUa+-+-+-+-+-+-*UC*ABCUa33（1）当只有）当只有Ib流通时，流通时，bc绕组中的电流为绕组中的电流为 ，而，而ca与与ab绕组电流为绕组电流为 （2）当只有）当只有Ia流通时，流通时，ca绕组中的电流为绕组中的电流为 ，而，而ca与与ab绕组电流为绕组电流为 、供电臂电流与绕组电流关系、供电臂电流与绕组电流关系（1）当只有Ib流通时，bc绕组中的电流为 34（3）同时流通时，各绕组）同时流通时，各绕组电流应叠加处理。电流应叠加处理。（3）同时流通时，各绕组电流应叠加处理。35如如设设变变压压器器变变比比为为k,则则两两侧侧绕绕组组的的匝匝数数比比k=k/可可以以建建立立一一次次侧侧三三相相电电流流与与牵牵引引侧侧馈馈线线电电流流的的变变换换关关系系式式为为：从而得出三相电力系统从而得出三相电力系统的原边电流不对称。的原边电流不对称。如设变压器变比为k,则两侧绕组的匝数比k=k/从而得出三3636.960次边电压、电流相量图：次边电压、电流相量图：(以以 为参考相量为参考相量)在两供电臂功率因数相等时，在两供电臂功率因数相等时，由图知由图知Ib滞后滞后Ia角角度为度为60度度。36.960次边电压、电流相量图：(以 为374 4、供电臂电流与原边电流关系、供电臂电流与原边电流关系4、供电臂电流与原边电流关系38现假设现假设:Ia=Ib=I（供电臂电流大小），（供电臂电流大小），5、供电臂电流与次边绕组的电流关系、供电臂电流与次边绕组的电流关系现假设:Ia=Ib=I（供电臂电流大小），5、供电臂电流与396、几个结论：、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（即在两负荷端口电流大小及功率因数角相等的条件下（即 ）有）有:(1)两负荷相绕组电流相等，等于供电臂上负荷电流的两负荷相绕组电流相等，等于供电臂上负荷电流的2.65/3；(2)自由相绕组电流是两负荷相绕组电流的自由相绕组电流是两负荷相绕组电流的1/2.65，即即0.378倍，倍，等于供电臂负荷电流的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又称臂绕组或接地相绕组)，自由相绕组称为轻负荷相绕组，自由相绕组称为轻负荷相绕组(又称非接地相绕组又称非接地相绕组)。6、几个结论：407、YN,d11变压器额定利用率变压器额定利用率（1）变压器额定利用率）变压器额定利用率K定义：定义：K=(额定输出容量额定输出容量/额定容量额定容量)*100%（2）YN,d11变压器额定利用率变压器额定利用率 K=75.6%7、YN,d11变压器额定利用率418 8、三相牵引变电所优缺点、三相牵引变电所优缺点(1)(1)优点：优点：（）变压器原边采用接线，中性点引出接（）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，（）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，不但所内自用电可靠，（）变电所有三相电源，不但所内自用电可靠，而且必要时可以向地方负荷供电而且必要时可以向地方负荷供电(2)(2)缺点：缺点：（）变压器的容量不能充分利用，输出容量只（）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能达到其额定容量的75.6%.75.6%.（）和单相结线牵引变电所相比，主接线比较（）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维护检修的工作量和费用都相应增加8、三相牵引变电所优缺点(1)优点：42四、三相四、三相-两相牵引变电所两相牵引变电所1.概述概述 这种牵引变电所中变压器为这种牵引变电所中变压器为三相三相两相平衡变压器两相平衡变压器。在电力系统中对称和平衡是有区别的：在电力系统中对称和平衡是有区别的：平衡平衡 “0序序”，即无，即无“0序分量序分量”称为平衡，否则为不平衡称为平衡，否则为不平衡 对称对称 “负序负序”，即无，即无“负序分量负序分量”称为对称，否则为不对称称为对称，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生“0序分量序分量”，但通常都会造成负序分量。因此，从三相系统看，牵引负，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对称的。荷是平衡而不对称的。也正因为这个特点，电气化铁道正常运行时不考虑也正因为这个特点，电气化铁道正常运行时不考虑“0序序”，只，只考虑负序考虑负序，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。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。四、三相-两相牵引变电所43由两台单相变压器构成。由两台单相变压器构成。变压器的原边绕组联成倒变压器的原边绕组联成倒T形接入三相电力系统，副边绕组联形接入三相电力系统，副边绕组联成相位差为成相位差为90的的V形，公共端接地和形，公共端接地和钢轨，两个开口端分，两个开口端分别接接入接触网相入接触网相邻的两区段，相的两区段，相邻两接触网两接触网对地地电压相位不同，故相位不同，故相相邻两接触网区段必两接触网区段必须用用分相分相绝缘器断开器断开。2.Scott变压器结线变压器结线牵引变电所牵引变电所由两台单相变压器构成。2.Scott变压器结线牵引变电44(1)原、次边电压关系及变比关系原、次边电压关系及变比关系(M)座变压器座变压器的绕组原边接入电力系统的绕组原边接入电力系统AB相相(线电压线电压)；(T)座变压器座变压器绕组原边一端接绕组原边一端接(M)座绕组的座绕组的中点中点D，另一端，另一端接入接入C相。相。(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45分析：分析：以原边相电压以原边相电压 为为参考相量，则：参考相量，则：(T)座原边电压座原边电压 为：为：分析：46 (T)座原边绕组匝数是座原边绕组匝数是(M)座的座的 ，而副边匝数相等，而副边匝数相等()。(M)座变压器变比座变压器变比 (T)座变压器变比座变压器变比:由于由于(M)与与(T)两变压器两变压器原边电压的关系原边电压的关系对应于等边三角形底边对应于等边三角形底边和高的关系，故通常和高的关系，故通常称称M座为底变压器，座为底变压器，T座为高变压器。座为高变压器。(T)座原边绕组匝数是(M)座的 47(2)原、次边电流关系原、次边电流关系列写电流和磁势平衡关系式：列写电流和磁势平衡关系式：原边电流：原边电流：若副边两相牵引负荷电流相等时，若副边两相牵引负荷电流相等时，且且M、T两供电臂功率因数相等两供电臂功率因数相等时，时，以以 为参考相量：为参考相量：列磁势平衡方程：列磁势平衡方程：(2)原、次边电流关系48将将 代入得：代入得：将 49结论：结论：在在M、T两供电臂负荷电流大小相等、功率因数相等的条件下，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，相位互差牵引变压器原边三相电流大小相等，相位互差120，即，即原原边三相三相电流流对称称。(3)Scott变压器容量利用率器容量利用率 达到达到额定定输出出时，即，即 ，此，此时 变压器器额定定输出容量：出容量：变压器器设计额定容量：定容量：结论：50(4)Scott结线结线变压器的优缺点变压器的优缺点:优点优点:当当M座和座和T座两供电臂电流相等座两供电臂电流相等,且功率因且功率因数相同时数相同时,原边三相电流对称原边三相电流对称;变压器容量基本能够全部利用变压器容量基本能够全部利用;可利用逆可利用逆Scott结线结线变压器产生三相对称变压器产生三相对称电压供牵引变电所的自用电电压供牵引变电所的自用电;(4)Scott结线变压器的优缺点:51Scott结线结线变压器的优缺点变压器的优缺点:缺点缺点:Scott结线结线变压器制造难度大变压器制造难度大,绕组需按全绝缘绕组需按全绝缘设计设计,变压器造价较高变压器造价较高;变电所主接线复杂变电所主接线复杂,设备较多设备较多,工程投资较大工程投资较大,日日常的维护、检修工作量及费用都相应增加；常的维护、检修工作量及费用都相应增加；Scott结线结线两馈线之间的电压为两馈线之间的电压为38.9KV,即分相即分相绝缘器两端的电压较高绝缘器两端的电压较高,故应适当加强其绝缘故应适当加强其绝缘;Scott结线结线变压器的中性点难以引出变压器的中性点难以引出,且无三角且无三角形绕组回路形绕组回路,电压波形较差电压波形较差;Scott结线变压器的优缺点:523.阻抗匹配平衡变压器阻抗匹配平衡变压器所谓平衡变压器必须满足：所谓平衡变压器必须满足：(1)无论二相侧无论二相侧(负荷侧负荷侧)负荷状况如何，三相侧负荷状况如何，三相侧(系统侧系统侧)均无零均无零序电流。即三相侧电流为序电流。即三相侧电流为“平衡系平衡系”；(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。即三相侧电流为电流为“对称系对称系”。这里介绍的阻抗匹配平衡变压器就是在普通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。使副边最简单的。使副边内各内各绕组阻抗阻抗满足阻抗匹配原足阻抗匹配原则，从而使原，从而使原边平衡，即三个平衡，即三个绕组阻抗阻抗满足足:Zab=Zbc=Zac3.阻抗匹配平衡变压器53(1)接线图接线图:原边接线与普通原边接线与普通YN,d11接线接线变压器的原边情况完全相同；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，次边三角形接线结构有所改变，即在非接地相增设了即在非接地相增设了两个外移绕组：两个外移绕组：和和 。(c)端子仍接地。端子仍接地。、两端分别接到两端分别接到牵引侧两相母线上。牵引侧两相母线上。由两相牵引母线分别由两相牵引母线分别向两侧对应的供电臂向两侧对应的供电臂供电。供电。(1)接线图:54(2)电流关系电流关系(2)电流关系55次边绕组电流与负荷端口电流关系为次边绕组电流与负荷端口电流关系为牵引供电系统课件56由磁势平衡方程得由磁势平衡方程得:原边三相电流与负荷端口电流关系为原边三相电流与负荷端口电流关系为牵引供电系统课件57当次边两相均载时，都等于当次边两相均载时，都等于I2时，有：时，有：当次边两相均载时，都等于I2时，有：58电压关系电压关系电压关系59变比关系变比关系变压器容量利用率变压器容量利用率额定容量：额定容量：S1=3U1相相I1相相额定输出容量：额定输出容量：变比关系60阻抗匹配平衡变压器的特点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，与现有接法，引出中性点，与现有110kV或或220kV系统匹配方便。系统匹配方便。b.阻抗匹配平衡变压器的副边仍有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。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容量利用率显著高于YN,d11接线变压器。接线变压器。d.次边次边 时，原边三相电流为平衡系；次边时，原边三相电流为平衡系；次边 时，原边三时，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相电流的不对称度较YN,d11牵引变压器仍有明显改善。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。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。阻抗匹配平衡变压器的特点611-7 牵引网的供电方式牵引网的供电方式一、一、BT供电方式供电方式 在牵引网中，每相距在牵引网中，每相距1.5km4km间隔，设置间隔，设置一台变比为一台变比为1:1的吸流变压器的吸流变压器。吸流变压器设在分。吸流变压器设在分段中央，段中央，其原边串入接触网其原边串入接触网，副边串入沿铁路架设副边串入沿铁路架设的回流线的回流线。回流线通常就悬挂在铁路沿线的接触网。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。支柱外侧的横担上。1-7 牵引网的供电方式621接触网接触网；2为为轨道轨道；3为为回流线回流线；4为为吸流变压器吸流变压器，变比，变比1:1，一次线圈，一次线圈串接串接入接触网，二入接触网，二次线圈串接入回流；次线圈串接入回流；5为为吸上线吸上线，一端接回流线，另一端与轨道或吸流变压，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。到回流线中去的通路。6为位于远端的吸上线处的为位于远端的吸上线处的电力机车电力机车；牵引供电系统课件63 这种装置的这种装置的防护作用防护作用在于：把本来是尺寸很大的接触在于：把本来是尺寸很大的接触网网轨道大地回路改变成尺寸相对很小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流线回路。回路。当牵引电流流经吸流变压器原边时，副边在回流线中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和回流线之间集中地加大互感加大互感。即：。即：设吸流变压器原边电流为设吸流变压器原边电流为I1，匝数为，匝数为1 1；副边电流；副边电流I I2 2，匝数为，匝数为2 2。根据磁势平衡关系：。根据磁势平衡关系：I I2 2 2 2 I1 1 1又因为变比为又因为变比为1:11:1，则，则1 1=2 2，所以，所以 I I2 2II1 1 说明：说明：采用吸流变后，只有变压器原边的激磁电流仍采用吸流变后，只有变压器原边的激磁电流仍流经轨道和大地，且电流数量很小。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，仅约感，仅约10-20%10-20%牵引电流经回流线流回牵引电流经回流线流回。这种装置的防护作用在于：把本来是尺寸很大的接触64 同时回流线和接触网中的电流基本上同时回流线和接触网中的电流基本上大小相等，方向大小相等，方向相反相反。两者的交变磁场基本上可互相平衡。两者的交变磁场基本上可互相平衡(抵消抵消)。显著地。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。在邻近的通信线路中的电磁感应影响大大地减小。缺点：缺点：1.电力机车处于吸流变压器附近时防护效果差。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，则在段中没有电流，而回流线中有电流，则在ab段的长度内段的长度内等于没有防护。等于没有防护。同时回流线和接触网中的电流基本上大小相等，方向相65回流线回流线cd 中无电流，在中无电流，在接触网接触网cd 段的长度内等于段的长度内等于没有防护。没有防护。两种情形都使吸流变压器两种情形都使吸流变压器回流线在半段长度里失去回流线在半段长度里失去效用，这种现象叫做效用，这种现象叫做半段效应，失效区相当于分段长度之半段效应，失效区相当于分段长度之半半。所以实际装置是在供电臂内设置长度不大的许多所以实际装置是在供电臂内设置长度不大的许多吸上吸上分段分段，每个分段仅长，每个分段仅长24km，每个分段中央设置一台吸，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。一端焊入钢轨。牵引供电系统课件66 按照这种安排，按照这种安排，半段效应长度大大缩小半段效应长度大大缩小，且只有处在一个分段，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。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.使使牵引网阻抗显著增大牵引网阻抗显著增大。接触网。接触网回流线回路比通常牵引网阻抗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回流线回路阻抗与吸流变压器短路阻抗之和。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，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或增设串联电容补偿，来保证牵引网电压水平。按照这种安排，半段效应长度大大缩小，且只有处在一67 日本铁路为防止通讯干扰，在实行交流电气化的日本铁路为防止通讯干扰，在实行交流电气化的前前期期，在牵引网中普遍应用了，在牵引网中普遍应用了BT供电方式供电方式。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，分段时，在受电弓上会产生强烈电弧，为了克服此缺点，后来后来发展了一种新的牵引网供电方式发展了一种新的牵引网供电方式自耦变压器供电方自耦变压器供电方式式。二、自耦变压器供电方式二、自耦变压器供电方式(AT供电方式供电方式)二、自耦变压器供电方式(AT供电方式)68T接触网；接触网；R轨道；轨道；F正馈线；正馈线；AT自耦变压器自耦变压器AT供电方式：供电方式：由接触网由接触网T、正馈线、正馈线F、轨道大地系统、轨道大地系统R以以及每隔一定距离的自耦变压器及每隔一定距离的自耦变压器(AT)构成。构成。AT并联于接触导线与正馈线之间，并联于接触导线与正馈线之间，AT中点与钢轨相连。中点与钢轨相连。T接触网；R轨道；F正馈线；69 结构上：结构上：AT方式是用方式是用自耦变压器代替了吸流变压器自耦变压器代替了吸流变压器，正馈线代替了回流线正馈线代替了回流线。自耦变压器是。自耦变压器是并入并入电路，这一改变，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。大部分回流流经正馈线，从而降低对邻近通信线的干扰。经正馈线，从而降低对邻近通信线的干扰。自耦变压器的工作原理：自耦变压器的工作原理：一次和二次回路共用部分绕组一次和二次回路共用部分绕组(n2部分部分)，而，而n1只有只有一次电流通过。一次电流通过。结构上：AT方式是用自耦变压器代替了吸流变压器，正70 输入电压为输出电压的输入电压为输出电压的2倍倍，也就是说，通过，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。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电压损失将降低为1/4。利用利用AT这个特点，可增大变电所间的距离和这个特点，可增大变电所间的距离和增大传输功率，增大传输功率，减少牵引网损耗减少牵引网损耗。缺点：缺点：必须在沿线安设电压较高、容量较大的自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。耦变压器，牵引网设备的投资相应增加。输入电压为输出电压的2倍，也就是说，通过自耦71三、带回流线的直接供电方式三、带回流线的直接供电方式(DN供电方式供电方式)由于由于AT方式设备复杂，一次投资高、运营费用高、维方式设备复杂，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。护困难，特别在多隧道区段应用更为困难。BT方式由于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，和重载行车的适应能力差。因此，常采用直接供电加回流常采用直接供电加回流线线(负馈线负馈线)。DN供电方式：供电方式：由接触网、钢轨、沿全线架设的负馈线由接触网、钢轨、沿全线架设的负馈线NF(每隔几公里用每隔几公里用P金属线和钢轨相连金属线和钢轨相连)组成。组成。由于由于NF和钢轨并联连接，使得正常运行时钢轨中负荷和钢轨并联连接，使得正常运行时钢轨中负荷电流的一部分分流到电流的一部分分流到NF中去，因此，可以减少流入大地中去，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。电回路的阻抗。DN方式与方式与AT、BT相比相比，其馈电回路和设备简单、投，其馈电回路和设备简单、投资省、运营维护方便。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为了能取得最好的防干扰效果，需研究回流线的空间三、带回流线的直接供电方式(DN供电方式)72布置布置(与接触网的磁耦合关系与接触网的磁耦合关系)和设法降低回流线和设法降低回流线地、钢地、钢轨轨地回路的阻抗，以地回路的阻抗，以提高回流率提高回流率。回流率与各导线回流率与各导线地回路自阻抗以及各导线地回路自阻抗以及各导线地回路地回路间的互阻抗有关，当间的互阻抗有关，当回流率回流率=1时，则接触网电流时，则接触网电流完全由回完全由回流网吸上，地中电流为零流网吸上，地中电流为零。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73BT（吸流变压器）方式牵引供电系统课件74AT（自耦变压器）方式AT（自耦变压器）方式75同轴电力电缆方式同轴电力电缆方式76带回流线的直接供电方式带回流线的直接供电方式带回流线的直接供电方式77牵引供电系统课件78牵引供电系统课件79牵引供电系统课件80牵引供电系统课件81牵引供电系统课件82牵引供电系统课件83牵引供电系统课件84