高速电气化铁路变配电系统构成(四学时2015)

如图所示三相系统：
N If
UC UB UA
If
大地
中性点不接地方式的利弊分析 1.供电可靠性
中性点不接地系统单相接地故障点流过的电容电流不大， 常能自动解除，即使遇到持久性接地故障，也不需要立即跳闸 开断线路，可让运行人员有一定时间处理故障或倒用备用设 备，因此保证了不间断供电，提高了供电可靠性。
变压器变比：额定变比kN; 实际变比k;
有备用接线：网络中，每个负荷可以从两条或两条以 上线路获得电能，如双回路放射式、干 线式、树状网络以及环形网络和两端供 电网络。
放射式
干线式
环形网络
树状网络 两端供电网络
4、电力网的接线方式
电力网的接线方式按供电可靠性分为无备用和有备 用两类。 无备用接线：网络中，每个负荷只能靠一条线路获

(VG k1
V ) / k2

VG k1

PR QX V

/
k2
(1)调节励磁电流以改变发电机端电压VG； (2)适当选择变压器变比k1、k2； (3)改变线路无功功率分布Q（并联电容补偿）； (4)改变线路参数X （串联电容补偿） ；
5
7、电力系统中性点运行方式
电力系统中性点：
客运专线电力线路宜采用中性点直接接地方式
（3）提高系统抗灾能力
电力电缆
电力电缆
10kV电力电缆沿线路两侧电缆槽敷设，与接触网和钢 轨并行，电缆金属护层上产生的感应过电压超标。所以， 10kV电力电缆金属护层宜采用双端接地方式（或单端接 地）
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5、提高电力供电可靠性措施
（1）保证系统可靠备用
●各配电所自国家电网接引两路电源 ●各配电所采用单母线分段接线型式 ●10kV配电网络采用双路环网电力电缆 ●变配电所、箱式变电站内配电变压器按双台配置
4
6、电力系统的频率调整及电压调整
电力系统正常、稳定运行的两个重要指标：频率、电压
电力系统中的重要负荷：感应电动机，感应电动机正
常运行过程中，既要消耗电能中的有功P，又要消耗电
能中的无功Q。
Id
φ
U
P=U* Id=U*Icosφ
Iq
I
Байду номын сангаасQ=U*Iq=U*Isinφ
发电厂中的发电机即是电力系统中唯一的有功源，也是 电力系统中基本的无功源。
中性点不接地系统发生的单相接地有三种形式：金属性接 地、断续电弧接地和稳定电弧接地。
系统中某一相发生金属性接地时，该相接地点的对地电压为
零，而健全的其它两相对地电压升高。断续电弧接地会产生更
严重的过电压。
U
(0) fA
1.金属性单相接地 UC
N –UA
大地
UB
U
(0) fC
UA U
If
U fC
电力系统中的其它无功源—无功补偿装置：电容器、 SVC、SVG等。
对电力系统电压中枢点的调整方式：
逆调压、顺调压、常调压
(1)逆调压：在最大负荷时保持中枢点电压比线路额定电压高 5%，在最小负荷时保持为线路额定电压。适用于供电线路 较长，负荷变动较大的中枢点。其特定为可改善电压质量， 但与电压的变化规律相反，所以实现起来要求较高，难度较 大。
（4）值班方式
采用无人值班工作方式。
3、10/0.4kV箱式变电站
主要对区间通信、信号等一级负 荷，以及沿线动力照明等供电。
包括：干式变压器、熔断器、 SF6负荷开关等。
4、10kV贯通线
沿线输电线路，高速铁路设置两回电力贯通线，一条为一级
负荷贯通线，另一条为综合负荷贯通线，分别沿铁路两侧预制 电缆槽敷设，采用单芯电缆，三相采用“品”字形全换位敷设。
U
(0) fB
120O U
U fB
对于中性点不接地系统，当发生单相接地故障时，非故障 相电压升高√3倍.
6
2.电弧单相接地
电弧接地常由雷击或鸟害引起，在线路或变电站的绝缘薄弱 环节发生，这种接地会在整个电网中引起操作过电压。
如果以后每 隔半个工频周 期都重复发生 熄弧和重燃， 过渡过程也将 重复，这样， 将导致非故障 相的最大过电 压为3.5Uxe， 故障相的最大 过电压为 2Uxe。
外部电源
变配 电所
综合贯通线
一级贯通线
箱变
箱变
外部电源
变配 电所
综合贯通线
一级贯通线
箱变
箱变
外部电源
变配 电所
变配电所40-60km间隔
通讯网络 SCADA
相邻所对贯通线形成互供条件
8、铁路供电系统
1、外部电源
是指直接向变配电所供电的地方供电线路，供电线路一般 分为相互独立的两路，电压为 10kV（或110kV）。
T2
110kV
~
G
6kV
T4
VG=10.5kV kT1=10.5/242kV kT2=220/121/38.5kV kT3=35/11kV kT4=10.5/6.6kV
35kV T3
10kV
3
为适应电力系统电压调整的要求，通常在变压器 的高压绕组上设计制造有分接头。
例如：升压变压器变比：242±2×2.5%/10.5kV 降压变压器变比： 220±2×2.5%/11kV
IA A
UA
UC
B IB
C
UB
IC UN
CC CB
正常运行时中性点位移
RC RB RA CA
理论上：正常情况下，中性点不接地系统，如果三相系统对 称，三相电压对称，则中性点对地电位为零。
实际上：由于相对地、相对相存在分布电容且不对称，所以正 常运行时，则中性点对地电位不为零。通常情况下不
对称度在3.5%左右。
如图所示三相系统：
U A
N
N L IL
II
fB fC
CCC
ABC
CCC
ABC
IL
If
U C
U fC
If
I fB I f
I fC U B
U N U fB
二、高速铁路的变配电系统
向铁路车站和沿线的全部非牵引电气设备供电（包 括动力、信号和照明等）的沿线供电设施。
铁路变配电系统主要包括：外部电源、变配电所、高 压电力贯通线及场站电力线路。
我国的电力系统中性点运行方式：
110kV及以上(包括110kV)采用直接接地方式； 110kV 以下 采用经消弧电抗器接地或不接地方式。
特点分析：
不接地：供电可靠性高，但提高了系统的绝缘水平，适用于 电压等级低的系统；
接地：降低系统的绝缘水平，但供电可靠性低，适用于电压 等级高的系统；
单相接地情况分析
500kV、330kV、220kV、110kV、35kV、10kV 6kV、3kV、0.4kV 超高压： 500kV、330kV 特高压：750kV、1000kV
各种电器设备额定电压的确定：
电力线路和受电设备的额定电压和系统的额定电压 相等； 发电机的额定电压规定比系统的额定电压高5%； 变压器额定电压的确定：
2、变配电所
从外部电源接受电能，通过调压器或变压器，并将电能从 三相10kV或110kV变换成三相10kV电源（0.4kV），向车站、 动车段的低压电气设备供电，并作为贯通线10kV电源。
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（1）10kV变配电所主接线
双电源10kV变配电所采用单母线分段接线，单电源10kV 变配电所采用单母线接线。
（2） 中性点直接接地系统
这种系统的主要特点是单相接地短路电流很大，有时甚至会超 过三相短路电流，由此带来一系列缺点，如：所有故障都引起断 路器跳闸；断路器动作频繁并需要选择具有较大遮断容量的断路 器；对系统稳定影响较大的。其明显的优点是：电网设备的绝缘 水平可取低一些，是一种投资较少的中性点接地方式。
2.过电压与绝缘水平
中性点直接接地系统中，相对地的绝缘承受的长期最大工作 电压为相电压，承受的大气过电压，取决于避雷器的保护特 性。
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（3）中性点经消弧电抗器接地系统
中性点经消弧电抗器接地是隶属于中性点不接地系统的一
种运行方式。中性点经消弧电抗器接地系统的主要优点是使单
相接地故障引起的停电事故大大减少。
电力网：电力系统中输送和分配电能的部分，包 括升、降压变压器和各种电压等级的输 电线路。 电力网分为输电网和配电网
1
水力发电厂
火力发电厂 核发电厂
2
2、电力系统的额定电压和额定频率
任何电器设备都有其自身的额定电压VN和额定频 率fN，电器设备只有在其自身的额定电压VN和额定频 率fN下运行，才具有最好的技术性能和经济效果。 我国电力系统的额定频率fN=50Hz； 我国电力系统的额定电压VN包括：
得电能，如单回路放射式、干线式、 树状网络。
放射式
干线式
树状网络
5、对电力系统的基本要求
（1）电力系统运行的特点
电能不能大量存储； 电力系统的暂态过程非常短促； 与国民经济、人民生活联系密切；
（2）对电力系统运行的基本要求
保证供电的可靠性； 保证良好的电能质量； 保证系统运行的经济性； 减少对生态环境的有害影响；
（2）10kV变配电所一次设备
SF6气体绝缘全封闭组合电器（GIS），真空断路器，动态 无功补偿装置，干式调压器、干式变压器。
（3）10kV变配电所二次设备
测量、信号、保护、控制、自动及远动装置、直流电源等。 采用综合自动化系统，利用先进的计算机技术、现代电子及 通信技术实现所内自动监视、测量、控制及保护的功能。
高速电气化铁路变配电系统构成
北京交通大学电气学院 郎兵 blang@bjtu.edu.cn
2015年10月
一、电力系统的基本概念
主要授课内容
一、 电力系统的基本概念 二、 高速铁路的变配电系统
1、什么是电力系统、电力网
电力系统：将用于生产、传输、分配和消费电能的 发电机、变压器、输配电线路及各种用 电设备连接在一起，而组成的统一整体。
电力系统无功功率平衡关系式： QGC QLD QL 0
维持频率稳定，实现有功功率平衡采用从全系统角 度实现平衡的方法；
维持电压稳定，实现无功功率平衡应采用以就地平 衡为主的方法，功率因数cosφ；
实现以上调压方式的措施：
VG
1:k1
G
R+jX
k2:1
Vb
P+jQ
b点的电压为：Vb
发电机、变压器绕组采用星形连接的中性点。
中性点运行方式会影响电力系统的：
(1)供电可靠性； (2)过电压与绝缘水平的配合； (3)继电保护的配置； (4)对通讯的干扰； (5)对系统稳定的影响；
中性点的运行方式：
不接地、直接接地、经电阻接地(高阻或低阻)、经电抗器接 地等。
（1）中性点不接地系统
一次侧(接受功率侧)绕组额定电压：一次侧绕组 相当于受电设备，所以应与系统的额定电压相等；
二次侧(输出功率侧)绕组额定电压：二次侧绕组相 当于供电设备，所以应比系统的额定电压高10%；
3、电力网中电压分布及电气设备额定电压 的确定
试确定如下电力系统中发电机额定电压、变压器 额定变比：
10kV T1
220kV
（2）提高设备可靠性
●配电所选用SF6气体绝缘开关柜 ●箱式变电站选用SF6气体绝缘开关柜 ●变压器选用干式变压器 ●低压开关柜采用高可靠性、模数化、组合式柜型
（2）补偿电抗器设置方案
集中补偿方案
分散补偿方案
补偿电抗器宜在配电所内集中设置
6、电力配电关键技术
（1）中性点接地方式
中性点直接接地和中性点经小电阻接地属于有效接地系 统，中性点不接地和中性点经消弧线圈接地属于非有效接地 系统。 中性点有效接地系统：短路电流大，短路易切除，过电压低； 中性点非有效接地系统：短路电流小，短路不易切除，过电压 高；
频率稳定主要决定于系统中的有功功率平衡，如系统 发出的有功功率不足，频率就偏低。电压稳定则主要 取决于系统中的无功功率平衡，无功功率不足，电压 就偏低。因此要保证频率、电压稳定，关键在于系统 发出的有功功率和无功功率都应满足负荷在额定条件 下对有功功率和无功功率的需求。
电力系统有功功率平衡关系式： PG PLD PS PL 0
(2)顺调压：在大负荷时允许中枢点电压低一些，但不低于线路 额定电压的102.5%，小负荷时允许其电压高一些，但不能高 于线路额定电压的107.5%。适用于供电距离较近，或负荷变 动不大的变电所。其特点为与电压变化规律一致，容易实 现，但调压效果差。
(3)常调压：介于逆调压和顺调压之间的调压方式，在任何负荷 下中枢点电压保持为恒定数值，一般比线路额定电压高 2%~5%。
2.过电压与绝缘水平
当中性点不接地系统单相接地时，它的相对地绝缘所承受 的长期最大工作电压为线电压，操作过电压最大值可达3.5倍 相电压。
中性点直接接地方式的利弊分析 1.供电可靠性
供电可靠性低，任何短路故障均需跳闸，而且单相短路电流 很大，对断路器的运行不利。为避免停电事故，可采用自动重 合闸，但更增加了断路器负担，特别是在重合不成功时。也可 采用有备用接线形式，如：双回线、环形电网供电等。