电力牵引供变电技术课程设计.docx

电力牵引供变电技术课程设计

一 课程设计题目
电力牵引供变电技术课程设计
二 设计目的

1）在学习完“电力牵引供变电技术”和相关课程的基础上进一步加深和巩固所学的知识。
2）掌握电力牵引供变电系统各各部分的工作原理和功能。
3）对电力牵引供变电系统有跟深一步的认识。

三 设计内容

1）电气化铁道牵引供电系统组成简述：
牵引变电所和供电臂：牵引变电所的功能是将三相的110KV高压交流电变换为两个单相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称做供电臂。该两臂的接触网电压相位是不同相的，一般是用耐磨的分相绝缘器。相邻牵引变电所间的接触网电压一般为同相的，其间除用分相绝缘器隔离外，还设置了分区亭，通过分区亭断路器（或负荷开关）的操作，实行双边（或单边）供电。
牵引网：牵引供电回路的构成是：牵引变电所、馈电线、接触网、电力机车、钢轨与大地、回流线。在这个闭合回路中，通常将馈电线、接触网、钢轨与大地、回流线统称为牵引网。
牵引供电方式分类：由于工频单相交流25KV的牵引网是一种不对称供电回路，势必在其周围空间产生电磁场，从而对邻近的通信和广播设备产生杂音干扰，解决这一问题的途径有两个：一是在通信方面采取加强屏蔽的措施，或将受影响的通信设备迁离影响范围；二是在供电方面采取抑制干扰的措施，随着牵引网所采取的抑制干扰措施的不同，出现了不同的牵引供电方式。 
a、BT（吸流变压器）方式:吸流变压器是一种变化为1：1的变压器，其原边串接在接触网Tx内，副边串接在特设的回流线（N）内，每两台BT中间安设一根将回流线与钢轨外接的吸上线。
b、AT（自藕变压器）方式:自藕变压器跨接于接触网（T）和正馈导线（F）之间，其中点与钢轨及治接触网线路同杆架设的保护线（PW）相连形式的AT供电方式。
c、同轴电力电缆方式:这是一种新型的防干扰供电方式，适用于电气化铁路穿越大城市或对净空要求较高的桥梁、隧道等特殊地段。同轴电力电缆沿着铁路埋设，电缆的内导体作为馈电线与接触网并联；电缆的外导体作为回流线与钢轨相联，每隔一定的距离（约5～10Km）分成一个电缆供电分段。
2）单相接线的牵引变电所的原理图（图1）和AT主接线图（图2），以及单相接线的牵引变压器的工作特点和绕组连接图（图3）：
原理电路如图1所示。牵引变压器的原边跨接于三相电力系统中的两相（使用线电压）；副边一端与牵引侧母线连接，另一端与轨道及接地网连接。牵引变电所两供电臂由同一相（图中为AC）供电。牵引负载对电力系统而言属于接于线电压的纯单相负载。单相接线的牵引变压器的工作特点：牵引变压器的容量利用率（额定输出容量与额定容量之比值）可达100%；主接线简单，设备少，占地面积小，投资省等。其缺点是：不能供应地区和牵引变电所三相负荷用电；在电力系统中，单相牵引负荷产生的负序电流较大；对接触网的供电不能实现双边供电。所以，这种接线只使用于电力系统容量较大，电力网比较发达，三相负荷用电能够可靠地由地方电网得到供应的场合。另外，单相牵引变压器要按全绝缘设计制造。

1-高压输电线 2－单相变压器 3－馈电线 4－接触网 5－受电弓
6－牵引变压器 7－整流器 8－牵引电动机 9－电力机车 10－钢轨 11－回流线
图1 单相接线牵引变电所

图2 AT供电方式下单相变压器主接线图
图3 AT供电方式下单相变压器绕组的结线方式
3）此供电系统的适用对象，运行方式：
AT供电方式牵引变电所间距大，在时速300km/h时，可达60~70km/h（由单列车取流数值，列车追踪间隔，变压器容量，接触往最低往压等决定）；时速为350km/h时也可达50~60km/h，这样可减少分相数目，并且牵引往抗小，长回路阻抗可降低到0.12欧/km以下能显著减小牵引往压损，改善供电质量，保证列车高速运行。另外，AT供电方式由于变电所间距大，对供电电源的选择跟为灵活，减少电力工程，减低造价。在穿越大城市和通信网集中的地区有较好的防干扰效果。单相接线的牵引变压器在采用自耦变压器（AT）供电方式时，变压器低压侧两端均设置断路器和隔离开关，接至T和F母线上（T母线与接触网导线T相连接；F母线和牵引网中正馈线F相连接），变压器中点（此单相变压器副边绕组带中点抽头）直接接至中性线N母线（N与钢轨R相连接）。使用单相牵引主变的AT供电方式，变电所处不需要再设自耦变压器。其主接线网如图2所示。
4）牵引网采用的供电方式简述：
上，下行接触网公用AT供电方式：（图4）
这种方式可以大量减少自藕变呀器和正馈线的数量，在上，下行牵引网负荷相差悬殊的条件下，自藕变呀器和正馈线可以得到交好的利用，造价便宜。
图4 上，接触网公用AT供电方式
上，下行接触网互为正馈线的供电方式：如图（5）
这种方式的优点是牵引网内导线数量少，除了接触线和钢轨外，不需附加其他导线，造价相当便宜。特别在多隧道地区，由于无须另设正馈线，隧道净空交易满足要求。
图5上，下行接触网互为正馈线的供电方式
5）牵引供电系统的分区所：
复线电气化铁路，AT供电方式分区所主接线如图6-4-6所示。自耦变压器供电方式分区所的作用与直接供电方式分区所相同，因此其主接线基本也相同，应为自耦变压器供电方式馈电线有接触网（T）和正馈线（F）。因此，断路器与隔离开关均为双极，自耦变压器装设在断路器外线路上，每回馈电线设一台AT。(如图7所示)：
6）牵引供电系统采用的非扭结型开闭所：
非扭结型开闭所是上，下行进出线各设一台断路器作为分段用，还设一台短路器作为备用。自耦变压器接在断路器外，牵引变电所侧。其主接线如图6-4-2所示。图中设有三组真空断路器和多组隔离开关，正常工作时1QF、2QF合闸，其两侧的1QS-4QS均闭合，断路器3QF及其两侧用做电路转换的6QS、7QS均合闸，而5QS、8QS断开。另外，位于供电分区末端的分区所的断路器正常工作时亦处于闭合状态，以实现上、下行牵引网的并联运行。任仪线路故障，列如当牵引变电所直开闭所间的上行接触网罗发生故障是，开闭所断路器3QF，1QF在继电报护下自动调闸，开闭所至分区所的区段的上行接触网则由分区所反向供电至分区所末端没有自耦变压器，如图6-4-3（a）所示。经过切换操作，有3备用断路器3QF恢复供电6-4-3（b）所示.. 正常工作时，3QF合闸时也可通过由5QS、8QS合闸，6QS、7QS断开，转换为另一种跨接方式。图中电压互感器供继电保护和测量仪表用，中性线N通过接地保护放电装置接地。（如图6所示）：
图6 非纽结开闭所主接线

图6 AT分区所主接线
7）功率因数的补偿原理及所采取的措施：
无功功率补偿的基本原理：是把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量，能量在两种负荷之间互相交换。这样，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，这就是无功功率补偿的基本原理。
为了提高牵引负荷功率因数采取的措施：提高用电自然功率因数。例如，提高电力机车的因数；改善牵引网的阻抗特性，包括减少牵引网单位阻抗值和阻抗角，限制供电臂的长度等；合理选择牵引变压器容量，提高变压器的负荷率等。在牵引变电所牵引侧装设并联电容补偿装置。这是行之有效的补偿措施，目前已得到普遍采用。
8）电气化铁道的新近发展：
在电气化铁道中由于牵引供电系统结构和负荷的特殊性，造成了电力系统三相严重不平衡，需采用平衡变压器和换相连接。尽管这样能够改善三相不平衡状况，但由于牵引负荷在空间和时间分布上的随机性，使得由此对三相不平衡改善程度受到了限制。此外换相连接后各供电区段需要用分相绝缘器分隔，而分相绝缘器的存在使电力机车安全平稳性存在较大隐患，制约了高速、重载铁路的发展。采用有源滤波器的同相供电技术，可以从根本上解决上述问题。文献提出的基于有源滤波器的同相供电系统方案，不仅能实现三相平衡同相供电，而且能动态补偿谐波和无功，是较理想的新型牵引供电系统方案。但这些供电系统方案仅局限于BT 供电方式和简单直供方式，不能直接也不宜应用于A T 供电方式。与BT 和简单直供方式相比，AT 供电方式具有很多优势：通信防护效果好；牵引网阻抗小，供电距离长，变电所数量少；无需在A T 处实行电分段，适合高速、重载列车运行。当前有不少电气化铁道采用了斯科特变压器和A T 供电方式，如我国北京—秦皇岛、大同—秦皇岛、郑州—武昌等电气化铁路。我国新建客运专线，也计划采用A T 供电方式。其次，由于A T 供电方式的特殊性，变电所接线方式、牵引网的结构等都与B T和简单直供方式不同，其同相供电系统的平衡变换原理、补偿电流检测算法等也与BT 和简单直供方式大不相同。所以研究基于AT 供电方式和斯科特变压器的新型同相牵引供电系统，不仅必要而且很有价值。
四 收获体会
回顾起此次高速电气化铁路接触网课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。

五 参考书目
《电气化铁道供电系统与设计》 李彦哲
《电气工程及其自动化生产实习指导书》
六 设计时间 2007-3-6~~~~2007-3-15