lecture1-牵引供电系统外部电源与供电方式2015.10

情况下，换向条件较工频（50～60Hz）时更为有利；
低频单相交流制牵引系统的缺点： （1）单相整流子牵引电动机设备复杂； （2）牵引变电所需要变频装置，结构复杂。 在20世纪中期以前电力电子和传动控制技术尚不发 达，这种技术选择在当时应属可取的。
一、电气化铁道概述
2、牵引供电系统负荷的特殊性
直交型电力机车的谐波含量很小、功率因数高。
受电弓 断路器 交流25kV 接触网
车载变压器
整流器
直流
逆变器
交流电机 辅助回路 钢轨 牵引电流从钢轨回流至变电所
二、牵引供电系统对外部电源的要求
二、牵引供电系统对外部电源的要求
电气化铁道的外部电源——电力系统（公用电网）
中小型 电厂
电气化铁路牵引供电系统
电力系统
电压不平衡度 三相-两相的结构 牵引 变电所
馈 线
牵 引 供 电 系 统
回 流 线 接触网
25kV
钢轨
二、牵引供电系统对外部电源的要求
电能质量 公用电网谐波 GB/T 14549-1993
对周期性交流量进行付立叶级数分解，得到频率为基波频率大于1 整数倍的分量。
电力系统
谐波 整流型机车谐 波含量丰富 25kV 牵引 变电所
一、电气化铁道概述
供电制式发展 1900年～1915年 低压直流制 500～750V 直流串激电动机 16 2/3Hz或25Hz 直流串激电动机
1915 年~1930年
低频单相交流制 11kV或15kV 整流子电动机 直流制 1.2kV或1.5kV 三相交流制 3.6kV 三相异步电动机
一、电气化铁道概述
牵引供电系统直接接入高压系统
电气化铁道牵引供电系统接入110kV电网，随着铁
路客运高速和货运重载的不断发展，高速铁路均拟直接
接入220kV电网。 单相负载 牵引负载是接入三相电力系统的单相负载，相对三相 电力系统而言，牵引负荷具有不对称性，将在电力系统
中造成三相不平衡。
一、电气化铁道概述
负载波动频繁，负荷大小不均衡 列车的负荷大小，主要与列车牵引重量、运行速度、线 路坡度等因素有关。铁路线路条件千差万别，线路坡度随 时变化，列车速度随时变化；列车按信号运行，铁路运输
ΔU E cos δ U ) Re( ΔU RS cos I X S sin I
电力系统
供电电压偏差
牵 引 供 电 系 统
大容量波动性负 载；整流型机车 功率因数低
25kV
牵引 变电所
馈 线
回 流 线 接触网
钢轨
二、牵引供电系统对外部电源的要求
电能质量 三相电压不平衡度 GB/T 15543-2008
三相电力系统中三相不平衡的程度。用电压、电流负序基波分量
或零序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比表示。
25kV工频单相交流制 （日本旧20kV）
3kV直流
一、电气化铁道概述
当前干线铁路主要供电制式
供电制式 11kV，15kV低频单相交流制 16 2/3Hz 采用国家 德国、瑞士、 瑞典、奥地利、 挪威
低压直流制和25Hz单相交流制在干线铁路已逐渐
淘汰，前者被广泛用于城市轨道交通和城市无轨电车。
1972年日本山阳新干线引入2×25kV自耦变压器 （AT）供电方式，在世界许多国家的长距离繁忙干线 上得到了推广使用。
一、电气化铁道概述
另一种低频单相交流电力牵引供变电系统，由三相工频
交流电力系统获得电能，经牵引变电所降压变频后，再
经过升压变压器将电压升至15kV后馈送至牵引网。
一、电气化铁道概述
低频单相交流制牵引系统的优点： （1）电力机车或动车组采用牵引特性良好的单相整流子 牵引电动机驱动； （2）整流子牵引电动机换向困难，在低频（16 2/3Hz）
机车受电点电压=牵引变压器空载电压-牵引变电所压损-牵引网压损
二、牵引供电系统对外部电源的要求
eA eB eC RS XS
E Z I E U U S Z I U
S
牵引 变电所
牵引 变电所
回流线
馈线
25kV
钢轨
接触网
二、牵引供电系统对外部电源的要求
电压损失概念及计算方法
电力系统
牵引变电所 降压变压器
牵引网 电力机车 交流单相负荷
一、电气化铁道概述
单相工频交流制的牵引供电系统的优点： （1）结构简单，不需要在变电所设置整流和变频设备；
（2）牵引供电电压增高，既可保证大功率机车的供电，
提高机车的牵引定数和运行速度，又可使变电所之间的 距离延长，导线截面减少，建设投资和运营费用显著降 低； （3）地中电流对地下金属的腐蚀作用小，一般可不设专
E
E U 压降：U -U 压损： ΔU E
ΔU (压降)
矢量差
算数差
δ
ΔU
jIX S
A

I
IR B U S
C
I E
ΔU (压损) Z S RS jX S U
δ 很小，近似 E E cos δ
工程上
E U U Z S I ( RS jX S ) I
电气化铁道牵引供电系统
一、电气化铁道概述 二、牵引供电系统对外部电源的要求
三、牵引供电系统供电方式
一、电气化铁道概述
一、电气化铁道概述
1、轨道交通的供电制式
轨道交通电力牵引是利用电能作为牵引动力，将电能转化 为机械能，驱动铁路列车、电动车组和城市轨道电动车辆 等载运工具运行的一种运输形式。
轨道交通（电力）牵引供变电系统主要包括电气化铁道交 流牵引供电系统和城轨交通（地铁与轻轨等）直流牵引供 电系统两大部分。取决于机车的供电制式。
二、牵引供电系统对外部电源的要求
在牵引供电系统的设计中要求牵引网电压水平不低于 20kV，需
要考虑最小短路容量，即在系统短路阻抗较大的情况下，能否满足
列车牵引的需要。 电气化铁路牵引供电系统的电压水平受电力系统电压损失、牵 引变压器电压损失和牵引网电压损失三方面制约。
牵引变电所 电压损失 牵引网电压损失
一、电气化铁道概述
直流电力牵引供变电系统
电力系统 380/220V 电源 车站与区间 机电设备 照明负荷 通信信号
牵引变电所 降压变压器 整流机组
牵引网
电动车组 直流负荷
一、电气化铁道概述
（1）直流制：
最初采用直流电力牵引制的出发点有以下几方面： （1）直流串励电动机机械性能好、调速方便。电动车辆应用直流牵引 电机调速方便且易于实现，借助传统的电阻调节控制，改变牵引电机 端压或调节励磁即可调节速度； （2）利用直流电向直流电机供电可以极大地简化机车设备； （3）直流供电相对交流供电的牵引网电压损失和功率损失要小得多， 有利于保持网压稳定，确保列车频繁启动下的电压质量，从而有利于 保证列车的运行速度。
般不大于300A；高速列车追踪间隔一般为3～4分钟。
功率因数取决于机车类型 交-直（AC/DC 整流）电力机车功率因数低、谐波含量
大；交-直-交动车组，功率因数在0.95以上，谐波含量低
。
一、电气化铁道概述
（1）电力机车的电气特性
交直型电力机车 电力机车从接触网取得25kV工频单相交流电，经车载变压器降压为 1500V，整流后向牵引电动机供电。交直型电力机车采用半控桥式整流， 通过晶闸管控制导通角来控制机车出力，整流过程中会产生谐波，功率 因数较低。
状态随时发生变化，供电臂内列车数量疏密不等；有时负
载较重，在节假日、铁路故障后恢复行车等情况下，会出 现列车紧密追踪情况，在军运、煤电油运、农运等特殊运 输期间，也会出现列车紧密追踪情况。此时，牵引变电所 会出现负荷高峰值。
一、电气化铁道概述
高速铁路列车负载率高，受电时间长，运行密度大，单 相负载的冲击性更大 空气阻力随速度呈几何级数增长。高速时，空气阻 力成为列车运行的主要阻力，持续从接触网取得电能； 高速列车单车电流可达600～1000A，而普速列车电流一
一、电气化铁道概述
直流电力牵引制的缺点：
（1）受直流牵引电动机额定电压的限制，直流制供电电
压较低，通常只有1500V； （2）供电电压较低，要保证电力机车足够的功率，供电 电流就比较大，线路损耗也大，送电距离较短，一般不超 过20~30 km，变电所的数目相对增加；又由于电流较大， 需要导线的截面大，金属消耗增加； （3）三相整流装置，会产生较大的谐波。
馈 线
牵 引 供 电 系 统
回 流 线 接触网
钢轨
二、牵引供电系统对外部电源的要求
电能质量——电压偏差 GB/T 12325—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%；
二、牵引供电系统对外部电源的要求
220kV或110kV 用电 设备 发电机 升压 变压器
高压输电线路
降压 变压器
降压 变压器
三相工频交流
牵 引 供 电 系 统 牵引 变压器 变电所
单相工频交流
牵 引 网 25kV
馈 线
回 流 线 接触网
钢轨
二、牵引供电系统对外部电源的要求
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。
公共连接点（PCC） 或 供用电协议规定的电能计量点
电能质量 牵 引 供 电 系 统 牵引 变电所 牵 引 网
电力系统
牵引 变电所
馈线 回流线
25kV
钢轨
接触网
二、牵引供电系统对外部电源的要求
电能质量 供电电压偏差 GB 12325-2008