高速鐵路牽引供電系統(tǒng)概論

1、高速鐵路牽引供電系統(tǒng)概論一、牽引供電方式和牽引變電所一、牽引供電方式和牽引變電所 1.1 牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)牽牽引引變變電電所所電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)牽牽引引網(wǎng)網(wǎng)鋼鋼軌軌接接觸觸網(wǎng)網(wǎng) YNd11接線 單相Ii接線 單相Vv接線 YN 接線 YN 接線 Scott接線 YNd11d1接線 直接供電方式 帶回流線的直接供電方式 吸流變壓器(BT)供電方式 自耦變壓器(AT)供電方式牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.2 供電方式：1.2.1 直接供電方式TR特點：結(jié)構(gòu)簡單，投資少，維護(hù)費用低；一部分電流從大地回流，對鄰近通信線干擾大。1.2.2 帶回流線的直接供電方式UsFTRI特點：防干擾效果不如BT供電方式；牽引網(wǎng)阻

2、抗較小；目前應(yīng)用比較廣泛。1.2.3 吸流變壓器供電方式（BT方式）UsFTRIBT負(fù) 饋 線 （ 回 流 線 ）吸 上 線鋼 軌接 觸 網(wǎng)特點：防干擾效果好；牽引網(wǎng)阻抗偏大；電力機(jī)車過BT時，易產(chǎn)生電弧；由于是串聯(lián)系統(tǒng)，可靠性較低。1.2.4 自耦變壓器供電方式（AT方式）Us400A200A200A200A200A300A100A200A200A100A100A100A100A100A特點：防干擾效果與BT方式相當(dāng) 牽引網(wǎng)阻抗小，輸送容量大，供電臂長（可達(dá)4050km） 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資大，維護(hù)費用高 適合于高速鐵路1.2.5 同軸電纜供電方式（CC方式）UsC CTR特點：防干擾效果好，占

3、用空間??；牽引網(wǎng)阻抗?。煌顿Y大1.3 牽引變電站（Traction SubStation， SS）l從公用電力系統(tǒng)（Public Electric Power Systems）接受電能，通過變壓器將電能從三相110kV或220kV變換成單相27.5kV（對AT系統(tǒng)為227.5kV），并向鐵路上、下行兩個方向的牽引網(wǎng)供電。l變電所兩側(cè)的牽引網(wǎng)區(qū)段被稱作供電臂。l變電所的主要設(shè)備 牽引變壓器（有多種接線方式） 斷路器（SF6、真空、少油、油斷路器），隔離開關(guān) 避雷器、避雷針 電壓互感器、電流互感器 控制、保護(hù)、測量、計量、監(jiān)視和電源設(shè)備 無功補(bǔ)償裝置、調(diào)壓裝置1.4 牽引網(wǎng)（Traction Ne

4、twork）l由饋電線、接觸網(wǎng)、軌道、回流線等設(shè)施構(gòu)成的輸電網(wǎng)絡(luò)l饋電線 連接牽引變電所和接觸網(wǎng)的導(dǎo)線l接觸網(wǎng) 沿線路露天敷設(shè)，通過和受電弓的滑動接觸，把電能輸送給電力機(jī)車的供電設(shè)施。由接觸線、承力索以及支持、懸掛和定位器等裝置組成。l軌道 牽引電流的回流導(dǎo)線；支撐與導(dǎo)向；信號專業(yè)軌道電路l其它設(shè)備 負(fù)饋線（回流線），吸上線，BT，AT，正饋線， 保護(hù)線，地線，供電線1.5 牽引供電系統(tǒng)的其他設(shè)備：l分區(qū)所（Section Post, SP） 設(shè)于兩變電所之間，把電氣化鐵道牽引網(wǎng)分成不同供電區(qū)段，裝有開關(guān)設(shè)備，根據(jù)運(yùn)行需要可以連接同一供電臂的上、下行接觸網(wǎng)，或連接相鄰供電臂以實現(xiàn)越區(qū)供電。l開

5、閉所（Sub-feeder Switching Post, SFSP） 實際上是開關(guān)站，多設(shè)于鐵路樞紐，一般兩路進(jìn)線、多路饋線，用以實現(xiàn)對站場各股道群的分別供電控制。 （1）進(jìn)線和饋線都經(jīng)過斷路器，可靈活地對各分區(qū) 接觸網(wǎng)停、供電 （2）在斷路器上可實現(xiàn)短路故障保護(hù)，從而縮小事故 停電范圍 （3）對AT牽引網(wǎng)，往往同ATP合建，增強(qiáng)對供電臂供電的靈活性l自耦變壓器（AT）所（AT Post, ATP） AT供電系統(tǒng)，除變電所、分區(qū)所和開閉所外，在牽引網(wǎng)上放置自耦變壓器的場所。220KV牽引變電所主接線圖京津城際AT所電氣主接線圖京津城際變電所用27.5KVGIS組合開關(guān)8DA12電氣接線圖京津

6、城際AT所用27.5KVGIS組合開關(guān)8DA12電氣接線圖Sitras 8DA11 / 8DA12組合開關(guān)柜Sitras 8DA11/8DA12開關(guān)柜開關(guān)柜機(jī)械參數(shù)機(jī)械參數(shù)Sitras 8DA11 / 8DA12開關(guān)柜剖面圖開關(guān)柜剖面圖1.6 牽引變壓器1.6.1單相變壓器類l純單相I /i接線l單相V/v接線l三相V/v 接線l二次側(cè)中抽式單相接線（專用于AT系統(tǒng)）lV/x接線（專用于AT系統(tǒng)）ABabABCabc純單相接線單相V/v接線a1x1ABCa2x2A1X1A2X2ABTFN+UABC三相V/v接線單相中抽式（AT專用）V/x接線（AT專用）特點：l接線簡單l變壓器容量利用率為10

7、0l二次側(cè)不能直接提供三相電源l對于純單相接線，理論上可取消變電所出口的電分相；l存在負(fù)序問題，僅適用于電網(wǎng)容量較大場合1.6.2 三相變壓器類lYNd11接線變壓器l三相不等容YNd11接線變壓器l十字交叉接線變壓器ABCa(y)b(z)c(x)*OAIBICIIIbyIaxIczIUU12BACb1a1c1a2b2c2NTFTF phasephaseO123YNd11接線變壓器十字交叉接線變壓器特點：l變壓器容量利用率為75.6l一次側(cè)中性點可接地運(yùn)行l(wèi)二次側(cè)能直接提供三相電源l負(fù)序方面優(yōu)于純單相接線，與V/v接線相當(dāng)l滯后相電壓水平往往偏低1.6.3 平衡變壓器類lScott接線變壓器l

8、星形延邊三角形接線變壓器l星形曲折延邊三角形接線變壓器lLe Blanc 接線變壓器（我國臺灣用）l變形Woodbridge接線變壓器（日本新干線用）l三相變兩相平衡變壓器的共性： 在一次側(cè)施加三相對稱電壓時，只要二次側(cè)兩端口的負(fù)荷相等（幅值和功率因數(shù)均相等），則二次側(cè)兩相端口電壓保持幅值相等、相位相差90，一次側(cè)三相電流對稱。ABCadDbc+UIIU+ABCa(y)db(z)c(x)e*OAIBICIIIbyIaxIczIUUOI1234ABCa(y)db(z)c(x)e*OAIBICIIIbyIaxIczIUU12gfScott變壓器星形延邊平衡變壓器星形曲折延邊平衡變壓器BCIU+UI

9、ABACO+UIIU+adbcLe Blanc 接線變壓器變形Woodbridge接線變壓器二、高速鐵路接觸網(wǎng)二、高速鐵路接觸網(wǎng)2.1 接觸網(wǎng)的懸掛方式l簡單鏈形懸掛l彈性鏈形懸掛l復(fù)鏈形懸掛簡單鏈形懸掛特點：l結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，安裝調(diào)試維修方便，l適應(yīng)于高速受流l定位點處彈性小，跨中彈性大，造成受電弓在跨中抬升量大，l跨中采用預(yù)留弛度，受電弓在跨中的抬升量可降低。l定位點處易形成相對硬點，磨耗大。 彈性鏈形懸掛特點：l相對于簡單鏈形懸掛在定位點處裝設(shè)彈性吊索， 主要有兩種形式：“ ”形和“Y”形 l結(jié)構(gòu)比較簡單，改善了定位點處的彈性，使得定位點的彈性 與跨中的彈性趨于一致，整個接觸網(wǎng)的彈性

10、均勻，受流性能好。l缺點是彈性吊索調(diào)整維修比較復(fù)雜，定位點處導(dǎo)線抬升量大， 對定位器的安裝坡度要求也較嚴(yán)格。 復(fù)鏈形懸掛特點：l在結(jié)構(gòu)上，承力索和接觸導(dǎo)線之間加了一根輔助承力索。l接觸網(wǎng)的張力大，彈性均勻，安裝調(diào)整復(fù)雜，抗風(fēng)能力強(qiáng) 2.3 高速接觸網(wǎng)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)l導(dǎo)線高度 ：指接觸導(dǎo)線距鋼軌面的高度。一般地，高速鐵路接觸導(dǎo)線的高度比常規(guī)電氣化鐵路的接觸導(dǎo)線低。原因：高速鐵路一般無超級超限列車通過，車輛限界為4 800 mm；為了減少列車空氣阻力及空氣動態(tài)力對受電弓的影響，受電弓的底座沉于機(jī)車車頂頂面，受電弓的工作高度較小。所以，高速鐵路接觸導(dǎo)線的高度一般在5 300 m左右。 l結(jié)構(gòu)高度：指

11、定位點處承力索距接觸導(dǎo)線的距離。它是由最短吊弦長度決定的 。我國結(jié)構(gòu)高度為1.11.6 m 。 TGV-ARe330HC結(jié)構(gòu)高度結(jié)構(gòu)高度1.4m1.8m1.5ml跨距及拉出值：取決于線路曲線半徑、最大風(fēng)速和經(jīng)濟(jì)因素等我國高速鐵路一般在保證跨中導(dǎo)線及定位點在最大風(fēng)速下均不超過距受電弓中心300mm的條件下，確定跨距長度和拉出值l錨段長度：它的確定主要考慮接觸導(dǎo)線和承力索的張力增量不宜超過10，且張力補(bǔ)償器工作在有效工作范圍內(nèi)。高速鐵路接觸網(wǎng)的錨段長度與常規(guī)電氣化鐵路基本一樣 l絕緣距離：參照電氣化鐵路接觸網(wǎng)的絕緣配合標(biāo)準(zhǔn) l吊弦分布和間距：吊弦間距指一跨內(nèi)兩相鄰吊弦之間的距離，吊弦間距對接觸網(wǎng)的

12、受流性能有一定的影響，改變吊弦的間距可以調(diào)整接觸網(wǎng)的彈性均勻度 吊弦分布有等距分布、對數(shù)分布、正弦分布等幾種形式，為了設(shè)計、施工和維護(hù)的方便，一般采用最簡單的等距分布 l接觸導(dǎo)線預(yù)留弛度：指在接觸導(dǎo)線安裝時，使接觸導(dǎo)線在跨內(nèi)保持一定的弛度，以減少受電弓在跨中對接觸導(dǎo)線的抬升量，改善弓網(wǎng)的振動。對高速接觸網(wǎng)，簡單鏈形懸掛設(shè)預(yù)留弛度，彈性鏈形懸掛一般不設(shè)預(yù)留弛度 l錨段關(guān)節(jié)：錨段關(guān)節(jié)是接觸網(wǎng)的張力的機(jī)械轉(zhuǎn)換關(guān)節(jié)，是接觸網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，其設(shè)計和安裝質(zhì)量對受流影響較大，高速接觸網(wǎng)一般采用兩種形式的錨段關(guān)節(jié)：非絕緣錨段關(guān)節(jié)采用三跨錨段關(guān)節(jié)；絕緣錨段關(guān)節(jié)采用五跨錨段關(guān)節(jié)。安裝處理上，盡量縮短接觸導(dǎo)線工作支和

13、非工作支同時接觸受電弓滑板的長度，提高非工作支的坡度。l接觸導(dǎo)線的張力：提高接觸導(dǎo)線的張力，可以增大波形傳播速度，改善受流性能，同時增加了接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性。導(dǎo)線張力的確定受導(dǎo)線的拉斷力，接觸網(wǎng)的安全系數(shù)等因素影響 l承力索的張力：受接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性、載流容量、結(jié)構(gòu)高度、支柱容量等因素影響，提高承力索的張力可以增加接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性，但對弓網(wǎng)受流性能影響不大。減少承力索的張力，有利于減少反射系數(shù)，承力索的張力受接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)高度的限制，也就是在一定的結(jié)構(gòu)高度上，要保持跨內(nèi)最短吊弦的長度。 2.4 接觸網(wǎng)的主要設(shè)備和零部件2.4.1 接觸網(wǎng)的線材 l接觸導(dǎo)線 ：接觸導(dǎo)線是接觸網(wǎng)中直接與機(jī)車受電弓作摩擦運(yùn)動傳

14、遞電能的線材，它對接觸網(wǎng)受電弓系統(tǒng)的受流性能的好壞產(chǎn)生至關(guān)重要的作用，受流系統(tǒng)的許多性能指標(biāo)直接由接觸導(dǎo)線決定 基本要求 ：（1）機(jī)械強(qiáng)度高；（2）單位質(zhì)量盡量??；（3）導(dǎo)電性能好；（4）良好的耐磨及耐腐蝕性能及高溫軟化特性，使用壽命長；（5）摩擦性能與受電弓滑板相匹配。運(yùn)行速度(km/h)接觸線類型接觸線線密度 (kg/m)接觸線張力(kN)波動傳播速度(km/h)日本240Cu1701.5114.7355300CT-CS1100.94220525300CT-CSD1100.95720520法國300Cu1501.3220441270CdCu1201.0714412350SuCu1201.0

15、724539德國250AgCu1201.0715426330MgCu1201.0827569國外高速接觸導(dǎo)線的比較 隨著運(yùn)行速度的提高，為了提高抗拉強(qiáng)度，增大波動傳播速度、耐磨性，國外有關(guān) 國家對高速鐵路的接觸導(dǎo)線都趨向于研制銅合金導(dǎo)線或復(fù)合導(dǎo)線。銅合金導(dǎo)線是在銅中加入其他金屬元素，如鎂、銀，采用合金方法制成的。復(fù)合導(dǎo)線是用銅與另一種機(jī)械強(qiáng)度高的金屬制成的。 l 承力索： 承力索是接觸網(wǎng)承載接觸導(dǎo)線，并傳輸電流的線材 基本要求：(1)承力索的線脹系數(shù)與接觸導(dǎo)線相匹配；(2)機(jī)械強(qiáng)度高；耐疲勞、耐腐蝕性能好，耐溫特性好；(3)導(dǎo)電率高。 我國接觸網(wǎng)的承力索一般采用95mm和70mm的銅合金絞線

16、日本法國德國承力索鎘銅絞線BZ65120BZ張力（kN）24.51421國外高速鐵路使用的承力索性能表 l彈性吊索 對彈性鏈形懸掛，彈性吊索一般選用截面積為35 mm的青銅絞線，張力為2.83.5kN。2.4.2 高速鐵路接觸網(wǎng)的支持裝置 l支柱 ：高速鐵路接觸網(wǎng)支柱的選擇，區(qū)間一般采用環(huán)形等徑預(yù)應(yīng)力混凝土支柱；橋上支柱采用熱浸鍍鋅鋼柱；跨度小時用環(huán)形等徑預(yù)應(yīng)力混凝土支柱，跨度大時選用熱浸鍍鋅鋼柱。 l硬橫跨：是用于站場或兩股以上線路的接觸網(wǎng)支持鋼結(jié)構(gòu)，一般用型鋼焊接成粱式結(jié)構(gòu)橫跨于線路上空，支持接觸懸掛。特點：各股道上的接觸網(wǎng)在機(jī)械上和電氣上相互獨立。接觸懸掛在硬橫跨上采用吊柱旋轉(zhuǎn)腕臂的支持

17、結(jié)構(gòu)優(yōu)點：機(jī)械上獨立，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，抗風(fēng)能力強(qiáng)，壽命長，在受流性能上與區(qū)間接觸懸掛相同。法、英、日本等國家的高速鐵路接觸網(wǎng)幾乎全部采用硬橫跨。我國的高速鐵路的接觸網(wǎng)也趨向使用剛性硬橫跨。 l腕臂支持結(jié)構(gòu)：高速鐵路接觸網(wǎng)采用剛性腕臂支持結(jié)構(gòu)，由水平腕臂和斜腕臂組成的穩(wěn)定三角形結(jié)構(gòu)，提高了腕臂結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和抗風(fēng)能力。 l組合定位裝置：組合定位裝置包括：定位器、定位管、支持器，定位防風(fēng)拉線和定位管防風(fēng)支撐，這部分零部件對接觸導(dǎo)線起定位和支持作用，影響弓網(wǎng)受流性能。 對定位器的要求： (1)構(gòu)造簡單，安裝方便，不形成接觸懸掛硬點； (2)材質(zhì)上一般采用鋁合金材料，重量輕，耐腐蝕； (3)具有較高的強(qiáng)度

18、； (4)環(huán)路電阻小，不形成電損壞。 2.4.3 高速接觸網(wǎng)的終端錨固類零部件l 張力補(bǔ)償裝置 ：張力補(bǔ)償裝置是調(diào)整承力索、接觸導(dǎo)線張力，使它們保持恒定的自動裝置，是接觸網(wǎng)的關(guān)鍵部件。高速鐵路接觸網(wǎng)一般有兩種方式的自動張力補(bǔ)償裝置：滑輪組自動補(bǔ)償裝置；棘輪補(bǔ)償裝置。對張力補(bǔ)償裝置的要求是：(1)傳動效率高，達(dá)到97以上；(2)安全可靠；(3)耐腐蝕性能好；(4)少維修，壽命長；(5)有斷線制動裝置。l承力索終端錨固線夾和接觸導(dǎo)線終端錨固線夾 這兩種零件是接觸網(wǎng)的主要受力部件，是保障接觸網(wǎng)安全的關(guān)鍵零件。在結(jié)構(gòu)上，有錐套式螺紋脹緊結(jié)構(gòu)和楔形脹緊式結(jié)構(gòu)兩種。在材質(zhì)上，整體鋁青銅，緊固件采用不銹鋼。

19、其工作張力，應(yīng)滿足2027 kN。2.4.4 高速接觸網(wǎng)的電連接類零件電連接是保證接觸網(wǎng)各導(dǎo)線之間及各股道之間電流暢通的部件。要求：電連接線夾與接觸導(dǎo)線或承力索間的接觸電阻小，整體電連接導(dǎo)電性能好。在結(jié)構(gòu)上，連接可靠，重量輕，耐腐蝕。在材質(zhì)上，用純銅和鋁青銅。 2.4.5 吊弦及吊弦線夾它是接觸網(wǎng)的懸吊類零件，在接觸網(wǎng)中調(diào)節(jié)接觸導(dǎo)線弛度，又可分流，屬于面廣量大的零件。要求：重量輕，體積小，耐腐蝕，安全可靠。材質(zhì)：吊弦采用青銅絞線；吊弦線夾采用鋁青銅。 2.4.6 高速接觸網(wǎng)的線岔 線岔是兩股道接觸網(wǎng)交叉處的裝置。它直接影響著高速受電弓的運(yùn)行安全，是高速接觸網(wǎng)設(shè)計和安裝中需要特別解決好的環(huán)節(jié)。