電氣化鐵路供電系統設計

電氣化鐵路供電系統設計石昭監中鐵十九局集團電務(wù)工程有限公司北京100026摘要:鐵路和電力同為國家的重要基礎設施,電氣化鐵路的發(fā)展與其供電系統密不可分。電氣化鐵路是電網(wǎng)的重要用電負荷,同時(shí)對電力系統運行也帶來(lái)一些新的問(wèn)題。本文首先分析了電氣化鐵路供電系統的構成,并對電力牽引的特點(diǎn)和優(yōu)越性進(jìn)行了說(shuō)明,其次分析了電氣化鐵路供電系統設計中存在的問(wèn)題,最后重點(diǎn)論述了電氣化鐵路供電系統的設計要點(diǎn)。關(guān)鍵詞:電氣化鐵路;供電系統;設計;牽引供電;供電方式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中圖分類(lèi)號:U22文獻標識碼:A文章編號:2095-2104(2013)、電氣化鐵路供電系統的構成電氣化鐵道供電系統由一次供電系統和牽引供電系統組成。電氣化鐵道供電系統的簡(jiǎn)單構成如圖1所示中國煤化工CNMHG圖1電氣化鐵路供電系統構成1—區域變電站或發(fā)電廠(chǎng)2-110K三相交流高壓輸電線(xiàn)3—牽引變電所饋電線(xiàn)5—接觸網(wǎng)6—軌道、地7—鋼軌回流電8—電力機車(chē)(一)一次供電系統次供電系統是指電力系統向電氣化鐵道的供電部分。在我國,電力系統通常以110kV的電壓等級向電氣化鐵道供電。圖1中,1為區域變電站或發(fā)電廠(chǎng),2為三相交流高壓輸電線(xiàn),這兩部分即為電氣化鐵道的一次供電系統。(二)牽引供電系統完成對電力機車(chē)供電的屬于鐵路部門(mén)管轄的裝置稱(chēng)為電氣化鐵道的牽引供電系統。如圖1,它由牽引變電所3、饋電線(xiàn)4、接觸網(wǎng)5、鋼軌6和鋼軌回流線(xiàn)7等組成。二、電力牽引的特點(diǎn)及優(yōu)越性電氣化鐵路的供電系統是由發(fā)電廠(chǎng)集中提供電能,經(jīng)變電站,通過(guò)高壓輸電線(xiàn)(110kV)傳輸給牽引變電所,轉變成電壓27.5kV或55kV送到接觸網(wǎng)上,供給沿線(xiàn)運行的電力機車(chē)。而牽引供電是指電力系統從鐵路牽引變電所開(kāi)始,向牽引接觸網(wǎng)的供電。電力牽引是一種新型有軌運輸牽引動(dòng)力形式。在干線(xiàn)鐵路、城市軌道交通運輸和工礦運輸中有著(zhù)廣泛的作用。電力牽引是利用電能作為牽引動(dòng)力,將電能轉換為機械能,驅動(dòng)鐵路列車(chē)、電動(dòng)車(chē)組和城市軌道交通車(chē)輛等有軌運輸工具運行的一種運輸形式。中國煤化工CNMHG電力牽引按其牽引網(wǎng)供電電流制式不同,分為工頻單相交流制、低頻單相交流制和直流制。我國電氣化鐵路采用工頻單相交流制電力牽引,直流制電力牽引僅用于城市軌道交通運輸系統和工礦運輸系統。我國電力牽引供電系統的主要特點(diǎn)有以下幾方面:①電力機車(chē)是單相移動(dòng)性隨機負荷,是一種負序源。②非線(xiàn)性整流器機車(chē),成為一種諧波源,并從電力系統和牽引供電系統獲取無(wú)功。③供電方式及設備種類(lèi)多樣化,有直接供電方式、帶回流線(xiàn)的直接供電方式、串聯(lián)吸流變壓器、BT供電方式、自耦變壓器AT供電方式,這些供電方式的技術(shù)和經(jīng)濟特性有較大的差異。對牽引變壓器,有單相、YN,d1l接線(xiàn)、斯科特接線(xiàn)、伍德橋接線(xiàn)、阻抗匹配平衡型、三相不等容量型等形式,它們具有不同的結構和性能特點(diǎn)。由于供電方式不同,接觸網(wǎng)結構類(lèi)型也較多④牽引供電系統和電力機車(chē)在電氣上是一個(gè)連續的整體,易于實(shí)現自動(dòng)化和信息化管理電力牽引的優(yōu)越性主要有以下幾點(diǎn):①電力牽引的動(dòng)力大,生產(chǎn)效率高電力牽引的能量取于強大的電力系統,牽引動(dòng)力大,能最大限度適應鐵路運輸多拉快跑的需要。據有關(guān)資料統計,電力牽引的生產(chǎn)效率比內燃機車(chē)的生產(chǎn)效率高50%以上,對于客貨運輸繁忙的鐵路干線(xiàn),電力牽引的這種優(yōu)越性尤為顯著(zhù)。②電力牽引節省能源,經(jīng)濟效益好方面電力機車(chē)本身的電能轉換效率高;另一方面,電力的生產(chǎn)能夠高效率地綜合利用各種廉價(jià)的自然能源,這對于節約國家有限的煤炭、石油資源,提高鐵路運輸的經(jīng)濟效益十分有利。③有利于優(yōu)化生態(tài)環(huán)境,改善勞動(dòng)條件電力機車(chē)運行時(shí)不會(huì )產(chǎn)生有害氣體,對鐵路沿線(xiàn)的居民和列車(chē)乘客不會(huì )造成危害,特別是在多隧道的山區線(xiàn)路,這種無(wú)有害氣體產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)更為可貴。電力機車(chē)的司乘人員工作條件好,維護檢修工作量小,大大降低了工人的勞動(dòng)強度。、電氣化鐵路供電系統設計中存在的問(wèn)題)牽引變壓器的選型問(wèn)題中國煤化工CNMHG鐵路部門(mén)從經(jīng)濟性考慮,在牽引變壓器選型方面大多會(huì )采用V/V(V/X)接線(xiàn)變壓器,會(huì )產(chǎn)生較嚴重的三相功率不平衡問(wèn)題。而可大大減少對電力系統負序影響的阻抗平衡牽引變壓器或Scot牽引變壓器,由于造價(jià)相對較高,往往不被選用。特別是220kV三相平衡牽引變壓器,鐵路部門(mén)認為目前尚無(wú)可靠制造和應用經(jīng)驗,廣泛推廣面臨困難。(二)系統短路容量問(wèn)題從保證高速鐵路牽引供電系統的電壓水平、確保動(dòng)車(chē)組穩定正常運行的角度出發(fā),要求在牽引變電站進(jìn)線(xiàn)處外部配套電源的系統短路容量一般不小于特定數值。目前給牽引變電站供電的110kV電源,鐵路方面提出的系統短路容量大都低于1000VA,相當多的牽引變電站短路容量在500MVA以下,有的甚至只有200300MVA,按此標準建設電氣化鐵路供電工程,將導致系統壓降很大。從供電安全可靠性考慮,要達到這個(gè)要求供電部門(mén)有一定困難。因此為保障電氣化鐵路的安全供電,要加強對電氣化鐵路短路容量問(wèn)題的合理性研究。(三)負序諧波治理問(wèn)題近年來(lái)電氣化鐵路大量投運,現有電氣化鐵路仍有部分線(xiàn)路存在著(zhù)負序、諧波超標等問(wèn)題。隨著(zhù)電氣化鐵路運力的不斷提高,三相不平衡、諧波以及短路電流過(guò)大等問(wèn)題會(huì )更加突出。由于鐵路部門(mén)在設備選取時(shí)注重經(jīng)濟性因素,電氣化鐵路對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響愈加突出。以大秦鐵路湖東牽引站為例,需要采用SVC實(shí)現諧波、負序治理,但鐵路部門(mén)反映設備占地面積大、不實(shí)用,新型、有利于治理負序和諧波的技術(shù)難以推廣。四、電氣化鐵路供電系統設計要點(diǎn))牽引供電設備應滿(mǎn)足的要求、應保證不間斷行車(chē)可靠供電,牽引供電設備能力應與線(xiàn)路運輸能力匹配:并留有余地;2、為了滿(mǎn)足規定的列車(chē)重量、密度和速度的要求,接觸網(wǎng)最高工作電壓為27.5kV,瞬時(shí)最大值為29kV;最低工作電壓為20kV,非正常情況下不得低于19kV3、牽引變電所需具備雙電源、雙回路受電雙線(xiàn)電氣化區段應具備反方向行車(chē)條件中國煤化工CNMHG5、接觸網(wǎng)的分段應檢修方便和縮小故障停電范圍,樞紐及較大區段站應設開(kāi)閉所,樞紐及較大區段站的負荷開(kāi)關(guān)和電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)應納入遠動(dòng)控制。(二)接觸網(wǎng)導線(xiàn)在最大弛度時(shí)距鋼軌頂面應保持的高度接觸網(wǎng)導線(xiàn)在最大弛度,至鋼軌頂面的高度不超過(guò)6500m,在區間和中間站不少于5700m(舊線(xiàn)改造不少于5330mm)。在編組站、區段站和個(gè)別較大的中間站站場(chǎng)不少于6200m,客運專(zhuān)線(xiàn)為5300~5500m,站場(chǎng)與區間宜取一致。(三)架空線(xiàn)路與接觸網(wǎng)的垂直距離的規定架空電線(xiàn)路(包括通訊線(xiàn)路)跨越接觸網(wǎng)時(shí),與接觸網(wǎng)的垂直距離:110kV及其以下電線(xiàn)路,不少于3000mn;220kV電線(xiàn)路,不少于4000mn;330kV電線(xiàn)路,不少于5000m;500kV電線(xiàn)路,不少于6000m。以防止相互間的電磁干擾,保證接觸網(wǎng)與架空電線(xiàn)路的安全。為避免低壓線(xiàn)路跨越高壓線(xiàn)路,便于設備維修管理,10kV及其以下的電線(xiàn)路,盡量由地下穿過(guò)鐵路。(四)牽引供電方式交流電力牽引供電系統因牽引網(wǎng)對抑制通信干擾采取的技術(shù)措施不同而采取不同的供電方式。牽引供電系統的供電方式主要包括直接供電方式、帶回流導線(xiàn)的供電方式、帶吸流變壓器(BT)供電方式,以及2×25kv自耦變壓器(AT)供電方式。1、直接供電方式(TR供電方式)直接供電方式是在牽引網(wǎng)中不斷增加特殊防護措施的一種供電方式,是結構最簡(jiǎn)單的一種。電氣化鐵路最早大都采用這種供電方式,它的一根饋線(xiàn)接在接觸網(wǎng)(T)上,另一根饋線(xiàn)接在鋼軌(R)上,如圖2所示。這種供電方式結構簡(jiǎn)單投資最省,牽引網(wǎng)阻損較小,能耗也較低。供電距離單線(xiàn)一般為30km左右,復線(xiàn)般為25km左右。電氣化鐵路是單相負荷,機車(chē)由接觸網(wǎng)取得電流經(jīng)鋼軌流回牽引變電所。由于鋼軌與大地是不絕緣的,一部分回流電流由鋼軌流入大地,因此對通信線(xiàn)路產(chǎn)生較大電磁干擾。這是直接供電方式的缺點(diǎn),它一般采用在鐵路沿線(xiàn)通信線(xiàn)路已改用地下屏蔽電纜的區段中國煤化工CNMHG接觸網(wǎng)27.5KV鋼軌R圖2直接供電方式原理圖2、吸流變壓器供電方式(BT供電方式)BT供電方式是在牽引網(wǎng)中架設有吸流變壓器一回流線(xiàn)裝置的一種供電方式。與直接供電方式相比,是在系統中增加了吸流變壓器設備。此種方式目前在我國電氣化鐵路上采用較廣。吸流變壓器是變比為1:1的變壓器,它的一次繞組串接在接觸網(wǎng)(T)上,二次繞組串接在專(zhuān)為牽引電流流回牽引變電所而特設的回流線(xiàn)(NF)上,所以也稱(chēng)吸流變壓器一回流線(xiàn)供電方式,如圖3所示。吸流變壓器(BT)回流線(xiàn)接觸網(wǎng)吸上線(xiàn)27.5kV圖3BT供電方式原理圖吸流變壓器供電方式的工作原理是,由于吸流變壓器的變比為1:1,當吸流變壓器的一次繞組流過(guò)牽引電流時(shí),在其二次繞組中強制回流通過(guò)吸上線(xiàn)流入回流線(xiàn)。由于接觸網(wǎng)與回流線(xiàn)中流過(guò)的電流大致相等,方向相反,因此對鄰近的通信線(xiàn)路的電磁感應絕大部分被抵消,從而降低了對通信線(xiàn)路的干擾。這種供電方式由于在牽引網(wǎng)中串聯(lián)了吸流變壓器,牽引網(wǎng)的阻抗比直接供電方式約大50%,能耗也比較大,供電距離也較短,單線(xiàn)一般為25km左右,復線(xiàn)一般為20km左右投資也比直接供電方式大。3、自耦變壓器供電方式(AT供電方式)AT供電方式是20世紀70年代才發(fā)展起來(lái)的一種供電方式。它既能有效地減輕牽引網(wǎng)對通信線(xiàn)的干擾,又能適應高速、大功率電力機車(chē)運行,故近年來(lái)在我國得到了迅速發(fā)展。這種供電方式是每隔10km左右在接觸網(wǎng)與正饋線(xiàn)之間并聯(lián)接入中國煤化工臺自耦變壓器,繞組與鋼軌相接。自耦變壓器將牽引CNMHG而供給電力機車(chē)的電壓仍是25kv,其工作原理如圖4所示。電力機車(chē)由接觸網(wǎng)(T)受電后,牽引電流一般由鋼軌(R)流回,由于自耦變壓器的作用,鋼軌流回的電流經(jīng)自耦變壓器繞組和正饋線(xiàn)(F)流回變電所。當自耦變壓器的一個(gè)繞組流過(guò)牽引電力時(shí),其另一個(gè)繞組感應出電流供給電力機車(chē),因此實(shí)際上當機車(chē)負荷電力為I時(shí),由于自耦變壓器的作用,流經(jīng)接觸網(wǎng)(T)和正饋線(xiàn)(F)的電流為I白耦變壓器(AT)接觸網(wǎng)55k\鋼軌R正饋線(xiàn)圖4AT供電方式原理圖自耦變壓器供電方式牽引網(wǎng)阻抗很小,約為直接供電方式的1/4,因此電壓損失小,電能損耗低,供電能力大,供電距離長(cháng),可達40~50km。由于牽引變電所間的距離加大,減少了牽引變電所數量,也減少了電力系統對電氣化鐵路供電的工程和投資。但由于牽引變電所和牽引網(wǎng)比較復雜,加大了電氣化鐵路自身的投資,這種供電方式一般在重載鐵路、高速鐵路等負荷大的電氣化鐵路上使用。由于牽引負荷電流在接觸網(wǎng)(T)和正饋線(xiàn)(F)中方向相反,因而對鄰近的通信線(xiàn)路干擾很小,其防干擾效果與BT供電方式相當結語(yǔ)我國電氣化鐵道已運營(yíng)了幾十年,在實(shí)踐中積累了大量的經(jīng)驗,但與鐵路電氣化發(fā)達國家相比,在技術(shù)及裝備上仍有較大的差距。特別是在面臨高速、重載和擴能要求下,電氣化鐵道供電系統中更有許多技術(shù)難題需要解決。因此我們應認真硏究電氣化鐵路供電特點(diǎn),加強對關(guān)鍵技術(shù)的研究,增強電氣化鐵路安全、可靠供電的技術(shù)保障參考文獻[1]孫珂,李勇.電氣化鐵路供電工程建設中存在的問(wèn)題及相關(guān)建議[J].能源與電力工程,2010.2中國煤化工CNMHG[2]李勇,黃寶瑩,孫珂.京滬高鐵供電工程統一技術(shù)標準的有關(guān)問(wèn)題探討[J]電力技術(shù)經(jīng)濟,2009.2[3]李彥哲,王果,張蕊萍,胡彥奎.電氣化鐵道供電系統與設計[M.蘭州:蘭州大學(xué)出版社,2006中國煤化工CNMHG