电气工程及其自动化牵引网电压损失.docx

引 言供电系统由于阻抗及负荷而导致供电电压降低，其降低的数值称为电压损失。牵引负荷引起的电压损失主要由两部分组成：牵引网的电压损失和牵引变电所的电压损失。有时，还应计入电力系统的电压损失。三部分电压损失的计算，原理相同。根据国家标准铁道干线电力牵引交流电压标准（GB1402）的规定，铁道干线电力牵引变电所牵引侧母线上的额定电压为27.5kV，自耦变压器供电方式为55kV；电力机车、电动车组受电弓和接触网的额定电压为25kV，最高允许电压为29kV；电力机车、电动车组受电弓上的最低工作电压为20kV;电力机车、电动车组在供电系统非正常（检修或事故）情况下运行时,受电弓上的电压不得低于19kV。为了保证电力牵引列车的正常运行，牵引供电系统的设计，必须进行电压损失计算，以校核供电臂末端区间电力机车受电弓上的短时最低电压，要求不低于上述标准。第一章 牵引网中的电压损失1.1牵引网概况牵引网是由接触网和轨道地回路构成的供电网的总称。牵引电流经由接触网供给电力机车，然后沿轨道和大地流回牵引变电所。1.1.1牵引网的组成最简单的牵引网是由馈电线、接触网、轨道和大地、回流线构成的供电网。牵引电流从牵引变电所主变压器流出，经由馈电线、接触网供给电力机车，然后沿轨道和大地回流线流回牵引变电所主变压器。馈电线是由硬铝绞线或绞线架设在电杆上组成的。接触网是牵引网的主体。它采用架空式的单链形悬挂或简单悬挂前者除接触线外，还有承力索、吊弦。早期电气化的宝凤段采用单链形悬挂，使用的是截面为100的铜接触导线TCG-100。后来大都改用钢铝接触导线。这种导线导电性能与TCG-100相当，长期容许电流为470A，短时(20分钟)容许电流为520A。链形悬挂承力索用钢绞线GJ-70。接触导线和承力索之间的电流分配随着接触网负荷电流的变化略有改变。重负荷时承力索平均电流约50A左右。在牵引电流大于接触网容许电流的地段，可改用导电承力索或增设加强导线与接触网并联。导电承力索可用钢芯铝绞线或特制的钢铝导线。加强导线一般采用铝绞线。必要时，在长大隧道内可使用铜接触导线和铜承力索，以减少腐蚀。在国外（如日本）的高速铁路上，还采用弹性双链形悬挂，即在承力索与接触线间增加一根辅助承力索。在牵引电流大于由一根钢绞线承力索和一根接触线构成的接触悬挂允许载流量的地段，可改用载流承力索，或增设加强线与接触悬挂并联。载流承力索可采用TJ95和TJ120型铜绞线。加强线常采用LGJ-185型钢芯铝绞线。此外，为了简化接触网结构，降低牵引网阻抗，增大接触悬挂载流量，已研制出铝覆钢铝混绞线载流承力索。采用这种载流承力索代替加强线与钢绞线承力索，既起载流作用，又作承力索之用。铝覆钢铝混绞线型号规格有GLZA-56、GLZB-65、GLZC-120、GLZD-125等A、B型可代替GJ-70钢绞线，作一般承力索用，也可起到降低牵引网阻抗的作用；C、D型可代替GJ-70LGJ-185，既可起到加强线作用，又可作承力索。钢轨按其每米重量分别为75kg轨、60kg轨、50kg轨、43kg轨等，型号标记对应为P75、P60、P50、P43等。每根钢轨标准长12.5m，长钢轨每根长25m。毗连两根钢轨间有鱼尾板连接，两条轨道每隔300m用圆钢并联。在设置自动闭塞装置的线路上，全线一般分成许多闭塞分区。闭塞分区的工作也利用轨道电路，相邻闭塞分区之间的轨道接缝互相绝缘。在电气化区段，绝缘轨缝两侧，各设一个扼流线圈，每侧两轨道间借助扼流线圈并联，两扼流线圈中点互联，以便牵引电流流通。而信号电流仅在各闭塞分区的轨道电路以内流通，不会越过绝缘轨缝两侧扼流线圈中点的互联线。在设置自动闭塞的双线上，两线路之间可在闭塞分区分界点并联。这时只须将两线路对应的扼流线圈中点的连接线连通即可。牵引变电所主变压器27.5kV侧接地相的回流线，一方面必须用扁钢与接地网相连，其连接方法，可以直接与接地网相连，也可以通过接地放电保护装置与接地网相连。另一方面必须与轨道相连。其连接方法，在牵引变电所有专用的岔线的情况下，直接用扁钢和专用岔线轨道相连，岔线的所有轨缝的电连接应连接可靠。在牵引变电所无专用岔线的情况下，为了将主变压器27.5kV侧接地相端子与轨道相连，有时中间相当长一段回流线要采用架空硬铝绞线或钢芯铝绞线。回流线截面应满足回归电流的要求。1.1.2牵引网的供电方式我国电气化区段牵引网普遍采用一边供电方式，接触网供电分区由牵引变电所从一边供电，示于图1-1于这个缘故，每个接触网供电分区常称为一个供电臂。如图1-1,牵引变电所之间相邻的两个接触网供电臂互相绝缘，电力机车只从一个牵引变电所取用电流。 1.1.3牵引网的等效电路对于牵引网，也像许多其他类似场合那样，为了分析和计算方便，应用等效电路。在牵引网中，电力机车电流是经由接触网送给电力机车，然后沿轨道和大地流回牵引变电所。轨道和大地形成并联回路。然而在实际中，电路参数的分析与测量却是按另外的回路构成进行；架空线路与地形成一个回路，轨道与地形成另一个回路。因此牵引网的等效电路也是按照这种构成的方式进行分析。容易看到，上述电路构成同原有的牵引网单回简单电路等价。因此牵引网分成两个回路接触网地回路，和轨道地回路的情形。牵引电流假定只在接触网地回路中流通。由于互感，而在轨道地回路中感生电流。于是牵引网的等效电路可示于图1-2。图中 1代表接触网地回路，其端电压等于变电所电压和机车电压的向量差。2代表轨道地回路。这样，我们只需求出各回路的自阻抗和两回路的互阻抗，便可得出牵引网阻抗。也就是牵引电流在牵引网阻抗中产生的电压降。1.2牵引网电压损失产生的原因国内外现有的大部分电气化线路的网压水平基本能满足技术规定提出的要求，但在某些区段，由于以下的原因，网压水平不能满足技术规定提出的要求，造成了对运力、运能的制约。l 设计原因造成网压不足由设计原因造成网压不足主要出现在像宝成线、宝天线等电气化较早的线路，由于当时设计的运力和现在的差异较大，造成末端网压普遍不足。l 系统原因造成牵引侧网压压损()主要表现在系统负荷不均衡，近电源点电压偏高，远离电源点的电压偏低。如洛阳供电段管的牵引变电所的进线电压最高达到132 kV，高出额定电压的20 %，而在另外一些区段，如山区电网的末端，较严重的电压只能达到lO5kV。l 牵引变压器运行时产生的压损() l 牵引网电压损失()l 其他原因造成的牵引网压损()因此，分析上述现象产生的原因，寻找适当的方法，稳定网压，降低压损，是提高电气化铁路运输效率的关键所在。1.3国内外常用的改善牵引网电压损失的方法铁路运量增长，使牵引负荷增大和电力系统供电电压不稳定，实际运行中常常可能出现牵引网电压低于电力机车最低允许电压的情况。所以，改善牵引网电压，在电气化铁道的设计中是一项重要课题。随着科学技术的发展，改善牵引网电压的方法也不断更新，这里主要介绍目前国内外电气化铁道常用的几种方法。一、 提高变电所牵引侧母线电压目前普遍采用的是放低变压器的分接开关位置来提高变电所牵引侧母线空载电压的方法。这个方法非常有效。一般牵引变电所牵引侧母线电压在空载时被提高到28kV-29kV，比额定电压高500V-1500V。牵引变压器在制造时一般都采用多级分接开关，以便得到交大的调节范围和较多的调压等级，有变压器的基本原理可知，主变压器牵引侧母线空载电压，等于一次侧系统电压除以变压器变压比。现将牵引变压器常用的分接开关位置及其变压比列于表1-1。例如系统电压为113kV，要求变电所牵引侧母线电压为29kV，则变压比为113/29=3.9。采用第一种变压器分接开关第位或第二种变压器分接开关第位，便可得到牵引侧母线空载电压约为29kV。这种调压方法虽然简单方便，但只能进行无激磁调节，并且当电力系统电压波动量较大时，不能满足要求。这种方法使用于高压侧系统电压虽然偏低（或偏高），但比较稳定的情况。表1-1 牵引变压器的变压比变压器分接开关位置变压比22.5%分接开关分接开关4.24.14.14.04.03.93.93.83.83.7另一种方法是采用带有载分接开关的牵引变压器。这种变压器可以在系统电压变化时带负载调节分接开关位置：系统电压降低时调至低位，升高时调至高位。这种方法适用于高压侧系统电压波动幅度较大、波动次数较频繁的情况。但在系统电压波动量不大，例如牵引变电所距发电厂不远的情况下，采用有载调压的变压器并没有独特的优点。二、采用串联电容补偿装置必要时在牵引变电所牵引馈线中串联电容器组进行补偿，是改善供电臂电压水平行之有效的方法。为便于分析，设牵引变电所装设单相结线牵引变压器，则牵引供电系统的等效电路如图1-3所示。其中为牵引网阻抗，为牵引变压器电抗，为串联补偿电容器组电抗，I为牵引负荷电流，功率因数为。补偿前，牵引供电系统的电压损失为 （V） (1-1)补偿后，牵引网供电系统的电压损失变为 （V） (1-2)由补偿后的电压损失减去补偿前的电压损失，可得牵引负荷电流通过串联电容器组时的电压损失为 （V） (1-3)串联电容器组的补偿作用如图1-4所示。 分析补偿后牵引网电压损失的公式可知，由于容抗的符号与感抗相反，能抵消感抗一部分，总的电抗值减小，由电抗造成的电压损失也减小，故牵引供电系统电压升高。由牵引负荷电流通过串联电容器组时的电压损失公式可知，牵引负荷电流流过电容器组时产生的电压损失为负值，也表明在牵引馈线中串联电容器组之后，供电臂电压得到补偿，并且与馈线电流成正比。馈线电流越大，补偿越多；馈线电流越小，补偿越小；馈线电流等于0，补偿为0（不补偿），实现无惯性补偿电压。这正是改善供电臂电压水平所需要的特性，亦即串联电容补偿的突出优点。串联电容补偿装置的容抗与牵引网的感抗串联，虽然能够使牵引网的电压得到补偿，但也使牵引网短路时回路总阻抗减小。因此，如果不对串联电容补偿装置采取必要的措施，那么牵引网短路电流稳态值可能很大。当该短路电流流经串联补偿电容器时，电容器上的电压可能升高到危及极板间绝缘的数值。所以，必须针对这种情况采用适当的保护措施，以便在串联补偿电容器上将要出现危险过电压时，能够瞬时地把串联补偿电容器组旁路，撤出短路电流回路。串联电容补偿装置的主接线方式，必须满足上述保护措施的要求；同时还必须满足便于电容器组的投入、撤除运行以及试验、维护的安全要求。在串联补偿电容器组投入运行的情况下，当牵引网或电力机车短路时，只要电容器组的电压升高到一定值，保护间隙就被击穿，给短路电流形成一个旁路回路。如果是电力机车内部短路，机车主断路器跳闸后，牵引变电所馈线断路器可能不跳闸，保护间隙的电弧将由其他电力机车的负荷电流维持，这将导致保护间隙故障。为避免这种情况，串联电容补偿装置要加装旁路断路器。只要保护间隙回路存在电流，该断路器就合闸。电容器上经常出现过电压会使其寿命缩短。因此，应适当降低保护间隙的整定值，使它不超过3倍电容器组额定电压。保护间隙的整定电压值也不能小于一定数值，以免击穿次数过多，引起电容器组频繁放电。一般取保护间隙的整定电压值也不能小于2.5倍电容器额定电压。这样整定后，保护间隙将在该供电臂发生短路的第一个四分之一周期内击穿。此时电容器组先是被击穿的保护间隙随后改由合闸的旁路断路器旁路，并被撤出短路回路。这整个过程与牵引网无串联电容补偿时发生短路情况几乎没什么区别，短路电流也受到了限制。旁路断路器是由接于保护间隙回路电流互感器二次侧的电流继电器常开接点闭合而合闸的。为了避免损坏保护间隙，无论其回路电流数值多大，旁路断路器都应合闸。电容器组的内部接线应满足某一台电容器被击穿时，由故障电容器内释放出来的能量不应大于8kW.s，以防电容器发生爆炸；当一台电容器被击穿时，不致使其他电容器承受危险的电压；当某一并联支路断线时，不致使其他电容器承受危险的过电流。三、 用单相自耦增压变压器自动调压装置原理如图1-5所示，1为牵引变压器牵引侧一相绕组，2、3分别为单相自耦增压变压器的公共绕组和串联绕组，4为有载调压开关（可采用机械式调压开关或晶闸管无触点调压开关）。串联绕组3有8个分接头；在额定条件下每档可升压1000V，8档可升压8000V；若在实际运行电压偏低条件下调压，8档能保证升压6000V以上。自动调压原理框图如图1-6所示，LH、YH分别为电流、电压互感器。自动控制系统根据电流I、电压U和时间t等因素确定的调压条件对有载调压开关的操作进行控制，使其按设计和运行的要求进行调压。单相自耦增压变压器在牵引变电所的安装接线有两种方式还：一种是安装在主变压器牵引侧出线端（与输入端a连接）至主变牵引侧断路器（与输入端A连接）之间（以下简称安装接线方式）；另一种是安装在牵引馈线处，输入端a接牵引馈线断路器，输入端A接牵引馈线（以下简称安装接线方式）。通过隔离开关（或负荷开关）的情况从略。安装接线方式适用于牵引变电所主变压器固定备用方式；尤其是在双线电气化区段和一相有多条牵引馈线的情况下优势明显。安装接线方式适用于牵引变电所主变压器移动设备方式。安装接线方式可提高自耦增压变压器装设相所有牵引馈线接触网电压；并使该相牵引侧母线电压稳定在一个较高的水平，从而改善自用电变压器和动力变压器电压；同时大大提高该相并联电容补偿装置的无功出力。安装接线方式则只能提高装设自耦变压器的牵引馈线接触网电压。与串联电容补偿相比，自耦增压变压器是一个电感元件，能限制高次谐波电流。本装置是我国研制成功的，已广泛应用于现场，效果良好。四、 采用交流电压自动补偿装置（ACVR）以日本改良后的用于AT供电方式的交流电压自动补偿装置为例，其主回路原理是真空断路器和晶闸管互相结合，构成不同的补偿电压等级，还起着桥路连通时的保护作用。根据真空断路器和晶闸管开关的不同组合，40kV系统可以得到三级不同的电压补偿。这种装置的电压分接抽头的切换命令，是根据两个回路发出的信号所决定的。交流电压自动补偿装置可设置在牵引变电所，也可设置在开闭所或供电臂中间的车站。交流电压自动补偿装置性能良好，调压范围大，适合电力牵引负荷特点，但造价很高。在需要补偿电压较多、其他电压补偿方式不能很好奏效的场合采用是适宜的。它在日本电气化铁路广泛应用。我国的电气化铁路科技工作者也已进行研究试验。五、采用合理的牵引网供电方式在单线区段，双边供电方式在负荷不是很均匀的情况下，比单边供电方式有较小的电压损失。因此，只要条件许可，应采用双边供电方式。双边供电时，要求牵引变电所的主变压器一次侧中性点接地（一次侧为YN结线变压器），并且继电保护要与电力系统协调配合。在双线区段，纽结双边供电比单边供电有较小的电压损失，也应在条件许可的情况下采用。目前双线区段常用的是单边并联供电，当上、下行行车量很不均匀或线路出现一面坡的情况下，采用这种方法，降低电压损失的效果很显著，并使上、下行接触网截面得到充分利用。六、降低牵引网阻抗1.采用载流承力索或加强导线采用载流承力索或加强导线由于降低了牵引网阻抗，因此当牵引负荷一定时，电压损失也就随之降低。一般可降低25%以上。载流承力索可采用硬铜绞线或钢芯铝绞线，硬铜绞线技术比较成熟，在材料供应不困难的情况下，因此在靠近牵引变电所的区段加设加强导线效果最好。2.加强捷接线在一些特殊的情况下，例如山区电气化铁路有较大的迂回区段时，可加设捷接线，如图1-7所示。其中实现代表铁路线路，虚线表示拟加设的捷接线。加设这种捷接线实际上就是在原接触网abc区段上并联导线ac。此并联导线应与接触网“等长”，而其自阻抗却仅为原接触网自阻抗的。这里代表原接触网的实际长度，代表捷接线长度，而。所以加设捷接线大大降低了牵引网阻抗。计算加设捷接线后的阻抗值时，其捷接线与接触网间的平行距离，可近似取为图1-7中虚线形成的闭环所包含的面积与虚线长度之商的一半。加设捷接线后，接触网等于增加了一个与它并联的捷接线地回路，这样就可以很容易地计算出这段牵引网新的阻抗值。第二章 牵引变电所中的电压损失2.1牵引变电所的概况2.1.1牵引变电所的构成牵引变电所的功能是将三相的110KV(或220KV)高压交流电变换为两个单相的27.5KV的交流电，然后向铁路上、下行两个方向的接触网(额定电压为25KV)供电，牵引变电所每一侧的接触网都被称做供电臂。该两臂的接触网电压相位是不同的，一般是用分相绝缘器隔离开来。相邻变电所间的接触网电压一般是同相的BFQ，期间除也用分相绝缘器隔离外，还设置了分区亭，通过分区亭断路器或隔离开关的操作，实行双边(或单边)供电。1、牵引变电所外部电源牵引供电系统一般又由铁路以外的容量较大的电力系统供电。电力系统有许多种电等级网络和设备，其中110KV及以上电压等级的输电线路，用区域变电所中的变压器联系起来，主要用于输送强大电力，利用它们向电气化铁路的牵引变电所输送电力，供电牵引用力。为了保证供电的可靠性，由电力系统送到牵引变电所高压输电线路无一例外地为双回线。两条双回线互为备用，平时均处于带电状态，一旦一条回路发生供电故障，另一条回自动投入，从而保证不间断供电。2、 引变电所主接线牵引变电所(包括分区亭、开闭所，AT所等)，为了完成接受电能，高压和分配电能的工作，其电气接线可分为两大部分：一次接线(主接线)和二次接线。主接线是指牵引变电所内一次主设备(即高压、强电流设备)的联接方式，也是变电所接受电能、变压和分配电能的通路。它反映了牵引变电所的基本结构和功能。二次接线是指牵引变电所内二次设备(即低电压、弱电流的设备)的联接方式。其作用是对主接线中的设备工作状态进行控制，监察、测量以及实现继电保护与运动化等。二次接线对一次主设备的安全可靠运行起着重要作用。主接线是根据变电所的容量规模、性能要求、电源条件及配电出线的要求确定的，其基本主接线型式有：单母线分段接线、劳旁路母线的单母线分段接线、双母线接线、桥式接线、双T式(即分支式)接线等。3、开闭所所谓开闭所，是指不进行电压变换而用开关设备实现电路开闭的配电所，一般有两条进线，然后多路馈出向枢纽站场接触网各分段供电。 进线和出线均经过断路器，以实现接触网各分段停、供电灵活运行的目的。又由于断路器对接触网短路故障进行保护，从而可以缩小事故停电范围。4、分区亭分区亭设于两个牵引变电所的中间，可使相邻的接触网供电区段(同一供电臂的上、下行或两相邻变电所的两供电臂)实现并联或单独工作。如果分区厅两侧的某一区段接触网发生短路故障，可由供电的牵引变电所馈电线断路器及分区亭断路器，在继电保护的作用下自动跳闸，将故障段接触网切除，而非故障段的接触网仍照常工作，从而使事故范围缩小一半。5、AT所牵引网采用AT供电方式时，在铁路沿线每隔10km左右设置一台自耦变压器AT，该设置处所称做AT所。6、牵引变电所变压器牵引变电所内的变压器，根据用途不同，分为主变压器(牵引变压器)、动力变压器、自耦变压器(AT)、所用变压器几种；根据接线方式不同，又有单相变压器、三相变压器、三相-二相变压器等。尽管变压器的类型、容量、电压等级千差万别，但其基本原理都是一样的，其作用都是变换电压，传输电能，以供给不同的电负荷。主变压器是牵引变电所内的核心设备，担负着将电力系统供给的110KV或220KV的三相电源变换成适合电力机车使用的27.5KV的单相电。由于牵引负荷具有极度不稳定、短路故障多、谐波含量大等特点，运行环境比一般电力负荷恶劣的多， 因此要求牵引变压器过负荷和抗短路冲击的能力要强，这也是牵引变压器区别于一般电力变压器的特点。动力变压器一般是给本所以外的非牵引负荷供电，电压等级一般为27.5/10KV，容量从几百至几千KVA不等。自耦变压器(AT)是AT供电的专用变压器，自身阻抗很小，一般沿牵引网每1020km设一台，用以降低线路阻抗，提高网压水平及减少通信干扰。所用变压器(又称自用电变压器)是给本所的二次设备、检修设备以及日常生活、照明负荷供电的设备，电压一般为27.5/0.4KV或27.5/0.23KV，容量从几十至几百KVA不等。7、牵引变电所断路器断路器是牵引变电所内最为重要的电气设备之一，其工作最为繁重，地位最为关键(结构最为复杂，它依靠本身所具有的强大的灭弧能力，不但可以带负荷切断各种电气设备和牵引网线路，更可与保护装置配合，快速、可带地切断各种短路故障。牵引变电所目前应用最多的有少油断路器，六氟化硫断路器和真空断路器等几种，各种断路器的区别主要在于所用的灭弧介质不同，如少油断路器采用变压器油做为溶温和灭弧介质、六氟化硫断路器使用六氟化硫气体(SF6)作为溶温和灭弧介质，真空断路器则使用真空作为绝缘和灭弧介质等，由于灭弧介质不同，断路器的结构自然有所差别。8、隔离开关隔离开关，顾名思义就是一种在需要时将电气设备、线路与电源隔离开来的开关设备，具有明显可见的、距离足够的断口，它不带灭弧装置，不能开、合负荷电流和短路电流，具体作用为：将需要停电的设备、线路与电源可靠隔离，以保证检修工作的安全。改变供电方式，如110KV进线互投、牵引侧高压母线的分段运行或并联运行等。小电流电路如风压互感器、避雷器及小容量的空载变压器等。隔离开关按使用地点不同，有户内式和户外式两种，其区别在于户外式隔离开关可适应各种恶劣的气候条件；按工作相数不同，有三极联动，三极连动和单极三种；按操作方式不同，有电动和手动两种，尽管隔离开关的类别多种多样，但其基本组成和结构都是一样的，都由主刀闸、支持瓷瓶、底座、连杆和操作机构几部分组成。9、牵引变电所互感器牵引变电所内仅有变压器、开关等变、配电设备是远远不能满足安全、可靠、高效供电等要求的，还需要用二次设备将其有效的监控、保护起来，因此，就需要一种变换装置将主设备中的电气参数传递给二次设备，如仪表、继电器等，这种将高电压、大电流变换成低电压、小电流的设备就是互感器，变换电压的设备叫电压每感器，变换电流的设备叫电流互感器。 互感器作用如下：高电压、大电流变换成低电压、小电流，以供仪表、继电器等二次设备使用。将高电压与低电压可靠地隔离开来，以保障二次设备及人身的安全。将电压互感器二次输电压统一规定为100V，电流互感器二次输出电流统一规定为5A，便于设备设计和制造的标准化，并降低生产成本，牵引变电所等级一般为1.5级。10、并联电容补偿装置有两种形式的电力负荷棗有功负荷和无功负荷，前者做功后者不做功。对电力系统来说，其供电能力即容量是一定的，为有功功率和无功功率之和，无功份量所占比重大了，势必造成有功输出减少、降低电力系统的容量和利用率，对经济运行极为不利。因此总希望无功份量越小越好，并引入一个衡量指标，即有功负荷所占总负荷的比值。牵引用电为感性负荷，利用感性负载和容性负载相位相反，互相抵消的原理，牵引变电所采用了并联电容补偿装置，以弥补牵引负荷带来的无功损失。该套装置并接在牵引侧高压母线上，由数个电容器串、并连接成组，再与电抗器串联而成。由于电容器具有过电压、电流能力较差，断电后有残压，合闸送电会产生过电压和涌流等特性，装设有避雷器、熔断器、放电线圈和电抗器等加以保护。放电线圈用以释放电容器储存的电荷、降低残压，防止再次送电时产生的合闸涌流和过电压；串联电抗器用于抑制装置投入时的合闸涌流，吸收牵引负荷产生的高次谐波并防止电容器组与系统产生高次谐波并联谐振。电容器与电抗器是并联补偿装置的主要设备。因电力机车整流产生的主要为三次和五次谐波，为起到良好的滤波效果，一般将电抗器与电容器的电抗比设计为=0.12或0.13。并联电容补偿装置能否安全运行主要取决于其关键设备，国标规定电容器允许在其1.1倍额定电压下长期运行，高于此值一般应退出运行。对于其过电流能力，规定为额定电流的1.3倍，其中10%为工频过电压引起的过电流，20%为高次谐波电压引起的过电流。2.1.2交流电力牵引和牵引变电所电力牵引按其牵引网供电电流的种类而分为工频单相交流制、低频单相交流制和直流制。我国铁路采用工频单相交流制，直流制仅用于矿山电力牵引，城市电车和地下铁道。工频标准频率的工频单相交流制的推广，是在五十年代中期法国铁路应用整流式交流电力机车获得成功之后。这种电流制在机车上降压后应用整流器整流来供给直流牵引电动机。由于频率提高，牵引网阻抗加大，牵引网电压也相应地提高。目前牵引网较普遍应用的是25kV。采用工频制消除了低频制的两个主要缺点：与电力工业并行的非标准频率，和构造复杂的交流整流子式牵引电动机。这就使供电系统的结构和设备大为简化。交流制牵引变电所的主要功能是降压，主要设备是变压器。由于铁路电力牵引属于一级负载，所以除牵引变电所须由两路输电线路供电外，并且在牵引变电所中设置两台变压器。高压输电线常用的引入方式有“T”接线和“桥”接线两种。牵引变电所采用三相变压器时称为三相牵引变电所，采用单相变压器时称为单相牵引变电所。单相牵引变电所两台单相变压器可作简单单相联接，并列运行。也可以作“V”形联接，称为V接线牵引变电所。这时V接于两相的单相变压器分别供应牵引变电所左右两边的接触网分区。国外，主要在日本，牵引变电所也有的采用斯科特（Scott）变压器。2.2单相牵引变电所单相牵引变电所采用特别设计的110kV全绝缘单相变压器，副边额定电压也是27.5kV。同三相牵引变电所比较，它的突出优点是变压器的容量利用率可达到100%。本文主要研究单相接线情况。单相接线又称简单单相接线，两台变压器并列，变压器高压端只接入三相电力系统中的两相。变压器副边一端接轨道地回路，另一端接入接触网。牵引变电所两边供电分区都由同一相供电。牵引负载对电力系统而言属于纯单相负载。单相接线变压器容量利用率也可达到100。且由于两台变压器并列，供电可靠性比V接线牵引变电所提高。单相接线的一个弱点是不能供应地区三相电力负载和变电所自用三相电力。另外，单相接线负序电流也较大。所以这种接线只适用于电力网比较发达，三相电力可以可靠地由地方电网得到供应的场合。2.3单相牵引变电所中的电压损失牵引变电所中的电压损失，即牵引变电所主变压器线圈中的电压损失。对于单相变压器，变压器线圈电流即馈线电流，所以，电压损失即馈线电流与变压器线圈等效阻抗的乘积。单相变压器的阻抗：单相变压器短路电压的百分值和铜耗按定义分别为(2-1) (2-2)因此，单相变压器线圈的电阻和电抗可按下式计算。式中，,，分别代表变压器的额定电流、额定电压和额定容量。由于大容量变压器有，所以取。 (2-3)(2-4) 单相接线的单相变压器的电压损失首先计算两台变压器并联的等效阻抗。然后与平均电流相乘等到电压损失。第三章 牵引网电压损失的改善方法3.1电压损失计算和牵引网的等效阻抗牵引网的电压损失，等于牵引变电所牵引侧母线电压与电力机车受电弓上电压的算术差。它不同于牵引网的电压降。因为牵引网的电压降等于牵引网电流与牵引网阻抗的乘积，也就是变电所牵引侧母线与电压电力机车受电弓上的电压的相量差。例如，若牵引变电所牵引侧母线电压为24.5kV，而电力机车受电弓上电压为21.6kV。则从牵引变电所到电力机车该区段牵引网的电压损失为：24.5-21.6=2.9(kV)。而这段牵引网的电压降一般要大于此值。电压损失通常采用近似计算，应用适用于工程计算的简单算式。设牵引变电所牵引侧母线电压为，电力机车受电弓上电压为，牵引网电流为，牵引网阻抗为，如图3-1所示。其相量关系如图3-2所示。则牵引网的电压损失为。图3-1 牵引网示意图从向量图3-2可知，因与之间的夹角一般不大，可近似认为cos，即在数值上等于相量在相量轴线上的投影。于是，电压损失为:cos，其数值等于线段ac。由图1-2可知： (3-1) (3-2) (3-3) 这就是简化后的电压损失的计算公式。它同样也适用于牵引变电所和其他情况下电压损失的计算。它的主要优点在于避免了复杂的复数运算。图3-2 牵引网电压关系向量图牵引电流有一个特点，即其功率因数总接近等于0.8，且一般波动范围不大。因此，我们可把式（3-3）括号中的值看成一个参数，称为牵引网当量阻抗，用表示。它只同牵引网长度有关，而同牵引网电流无关。写成单位值（每公里值）为称为牵引网当量单位阻抗。它不再是复数。牵引网的电压损失便等于牵引电流的绝对值与牵引网当量阻抗的乘积。这就大大简化了牵引网电压损失的计算。牵引电流的功率因数=0.8时，牵引网的等效单位阻抗可示于表3-1表3-1 牵引网等效阻抗单线或复线等效阻抗（/km）单线0.488复线自阻抗，0.459互阻抗0.1023.2牵引网中的电压损失计算单线牵引网的电压损失计算中双边供电条件下，作为供电臂最大电压损失的计算，应考虑分区所解列时的情况，因此与单边供电情况相同。双线牵引网的电流分配有一定规律：沿上、下行线路到同一机车的电压损失应为相等，并且沿线路1供给列车的电流与沿线路2供给电车的电流和等于列车电流。设牵引网末端压损为，则有(用于估算，不考虑向量叠加，下同): (3-4)其中系统缺陷造成的低压侧压损； 牵引网电压损失； 牵引变压器运行时产生的压损； 其他因素造成的电压损失。设牵引网末端残压为，牵引变电所母线空载电压，则有: (3-5)在现行电气化设计中，一般只须检查最严重的运行条件下的电压损失。为此，首先必须确定计算条件，然后再分析计算方法。牵引网中的电压损失的计算条件，一般应和牵引变电所容量计算条件对应，也区别主要干线和非主要干线两种不通的情形。运行情形，和对应的容量计算过程相同。只是为了电压计算，对于主要干线，假定供电分区中每个区间的列车都在区间远端运行，最远区间的列车在区间远端起动。运行列车取列车平均电流，起动列车取最大电流。对于非主要干线，计算条件应根据情况另定。这时牵引负载应不低于按牵引变电所容量计算条件所确定的负载。对牵引网电压损失计算规定较严峻的计算条件，有利于保证设计在一般运行情况下有足够的裕量。牵引网中电压损失的计算方法如下：设单线牵引变电所供电分区共有四个区间，按主要干线条件计算，其假定负载情况示于3-3。图中，四个区间的远端分别距离变电所,km。,代表列车在给电运行时的平均电流。代表供电分区最远区间远端列车的起动电流，由图可知，牵引网中的最低电压出现在供电分区远端的列车受电弓上。因此，我们只需计算供电分区远端的列车受电弓上的电压损失，表示为。图3-3单线牵引变电所负载情况从图3-3，我们可有 (3-6)并项后得 （3-7）式中代表牵引网等效单位阻抗，项表示式中所示类似项之和。列车电流与列车至变电所距离的乘积、等，可称为“电流矩”，与力学中的力矩相似。因此，按式（3-7），单线牵引网中的最大电压损失，等于总电流矩与牵引网等效单位阻抗的乘积。3.2.2复线牵引网中的电压损失和牵引变电所容量计算时一样，对于主要干线，电压损失的计算按上、下行连发车最严重的情况进行。处于供电分区远端的列车取起动时的最大电流，其余列车取给电车运行时的平均电流。上、下行接触网在供电分区末端并联。计算牵引网中的最大电压损失。复线牵引网在供电分区末端并联。因此，一列列车的电流由上、下行牵引网同时供给电力机车。所以，我们须先求算列车运行时上、下行线路的电流分配。设供电臂长度为l,列车电流为,与变电所距离为,如图3-4所示。则沿线路至列车的电压损失将为 (3-8)沿线路至列车的电压损失将为 (3-9)两电压损失相等，且，所以我们得到 (3-10)所以电流在上、下行牵引网中的分配犹如没有互阻抗时一样，即，两支路的电流同支路的长度成反比。有了各支路电流的值，我们就可以计算牵引网中的电压损失。求牵引网中的最大电压损失：设某供电分区全长17.0km，上行（线路）为下坡，列车走行时分20.8分钟，只在远端气动给电运行2.3分钟。下行线路为上坡，列车走行时分19.8分钟，到达末端2分钟绝电运行。因此，按计算条件，上行车1列，在供电分区远端起动。下行车3列，每列间隔8分钟，相当于间隔下行最远列车（记为列车3）距离牵引变电所17.0-1.73-6.86-6.86=1.55km于是列车计算位置可示于图3-4。图3-4列车计算位置与电流值上行牵引网电流由上、下行共4列列车电流合成。各列车从上行牵引网中取用的电流按（3-10）式分别为上行列车：下行列车1：列车2： 列车3：四个电流之和为254A。因此可得牵引网电流分布如上图所示，上行起动列车处为电流分界点。牵引网中的最大电压损失出现在电流分界点。上行起动列车受电弓上，用表示。参照图3-4按上行线路计算，我们有由于上行线路自阻抗而产生的电压损失为1981V，由于下行线路互阻抗而产生的电压损失为440V。按下行线路计算，有和上式相同。这时，由于下行线路自阻抗而产生的电压损失为1981V，由于上行线路互阻抗而产生的电压损失为440V。3.3采用串联电容补偿牵引网中的电压损失我国运行经验表明，必要时在牵引网中采用串联电容补偿是改善牵引网电压状态行之有效的方法。电容器串联在变电所27.5kV馈线上，牵引网电压损失可按式（3-1）写成