外部电源对电气化铁路电能质量的影响.ppt
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1、电气化铁路电能质量与综电气化铁路电能质量与综合控制技术合控制技术西南交通大学电气工程学院西南交通大学电气工程学院第六章第六章 外部电源对电气化铁路电能质量的影响外部电源对电气化铁路电能质量的影响 6.1 概述概述v电气化铁路进线一般选择电气化铁路进线一般选择110kV或或220kVv情况变化情况变化 电网建设和改造:主网由电网建设和改造:主网由220kV向向500kV发展发展重视电能质量:尤其针对电气化铁路重视电能质量:尤其针对电气化铁路v因此推荐电气化铁路进线采用因此推荐电气化铁路进线采用220kV电压等级电压等级v依据依据220kV的供电可靠性高于的供电可靠性高于110kV电压等级,与电压
2、等级,与客运专线和高速铁路的高可靠性相匹配;客运专线和高速铁路的高可靠性相匹配;220kV的供电电压水平要求更高;的供电电压水平要求更高;大量新建的客运专线和高速铁路全部采用最先大量新建的客运专线和高速铁路全部采用最先进的交进的交-直直-交牵引方式,功率因数极高,谐波交牵引方式,功率因数极高,谐波含量极低,不再对电网构成威胁。含量极低,不再对电网构成威胁。v牵引变电所采用牵引变电所采用220kV进线会使变电所的造价有进线会使变电所的造价有所增加。所增加。6.2 牵引供电系统常用供电方式牵引供电系统常用供电方式6.2.1 牵引供电系统的电流制牵引供电系统的电流制v直流制:直流制:优势优势采用串励
3、直流电机,采用串励直流电机,不足不足电压低电压低v单相低频交流制:单相低频交流制:16.67Hz,德国、奥地利等西欧,德国、奥地利等西欧国家采用国家采用三种方式:三种方式:完全独立完全独立的电力牵引专用的低频供的电力牵引专用的低频供电系统;在电系统;在专设的变频变电所专设的变频变电所内将三相工频交内将三相工频交流电变为单相电;流电变为单相电;在牵引变电所在牵引变电所进行降压、变进行降压、变频变相。频变相。v工频单相交流制:工频单相交流制:50Hz,法国、日本、前苏联、,法国、日本、前苏联、中国等,中国等,40%工频单相交流制特点工频单相交流制特点v主要优点主要优点 牵引供电系统结构简单。牵引供
4、电系统结构简单。牵引供电电压增高。牵引供电电压增高。交流电力机车的粘着性能和牵引性能良好。交流电力机车的粘着性能和牵引性能良好。和直流制比较,交流制的地中电流对地下金属的腐蚀和直流制比较,交流制的地中电流对地下金属的腐蚀作用小,作用小,般可不设专门防护装置。般可不设专门防护装置。v主要问题主要问题负序电流负序电流功率因数低功率因数低交直机车谐波电流严重交直机车谐波电流严重对沿线通讯线路造成电磁干扰对沿线通讯线路造成电磁干扰 环形供电环形供电牵引变电所在高压侧与一次系统联成环形网。牵引变电所在高压侧与一次系统联成环形网。优点:优点:供电可靠性好,能适应负荷的剧烈变化供电可靠性好,能适应负荷的剧烈
5、变化要求:要求:铁路附近有两个以上发电厂或地区变电所铁路附近有两个以上发电厂或地区变电所且其间有电力网互联。(受系统结构限制)且其间有电力网互联。(受系统结构限制)地地区区变变电电所所或发电厂或发电厂地地区区变变电电所所或发电厂或发电厂牵引变电所牵引变电所牵引变电所牵引变电所6.2.2 电力系统供电方式电力系统供电方式 双侧供电(两边供电)双侧供电(两边供电)电源来自电力系统的两个地区变电所,给铁路供电源来自电力系统的两个地区变电所,给铁路供电的输电线是联络这两个地区变电所的通路。电的输电线是联络这两个地区变电所的通路。优点:优点:同环形供电同环形供电要求:要求:牵引变电所两侧都有电源牵引变电
6、所两侧都有电源 应用广泛应用广泛 双路输电线双路输电线牵引变电所牵引变电所牵引变电所牵引变电所 单侧供电(一边供电)单侧供电(一边供电)单侧供电是由一个地区变电所给数个牵引变电所单侧供电是由一个地区变电所给数个牵引变电所供电,为保证供电可靠性,应采用供电,为保证供电可靠性,应采用双路(或双回)双路(或双回)输电线输电线。单侧供电方式的可靠性一般比双侧供电方式和环单侧供电方式的可靠性一般比双侧供电方式和环形供电方式要差,而投资不会比环形供电方式和形供电方式要差,而投资不会比环形供电方式和双侧供电方式少。双侧供电方式少。要求:要求:必须有两回路输电线供电,且有各自的杆必须有两回路输电线供电,且有各
7、自的杆塔和走线塔和走线双路输电线双路输电线牵引变电所牵引变电所牵引变电所牵引变电所散射供电(辐射线供电)散射供电(辐射线供电)当各牵引变电所离开电源差不多等距并且比单边当各牵引变电所离开电源差不多等距并且比单边供电更经济时,可采用散射供电方式。供电更经济时,可采用散射供电方式。缺点:缺点:可靠性差可靠性差要求:要求:相邻几个牵引变电所布置成弧形,且地区相邻几个牵引变电所布置成弧形,且地区变电所或发电厂的距离较近时,必须两回路输电。变电所或发电厂的距离较近时,必须两回路输电。地地区区变变电电所所或发电厂或发电厂牵引变电所牵引变电所 6.2.3 内部供电方式(按牵引网设备类型的分类)内部供电方式(
8、按牵引网设备类型的分类)(1)直接供电方式直接供电方式 牵引网结构最简,投资最小,但钢轨电位较高,牵引网结构最简,投资最小,但钢轨电位较高,对通信线的干扰感应最大,主要适用于通信线路对通信线的干扰感应最大,主要适用于通信线路(主要是明线)较少或很易将受扰通信线迁改径路(主要是明线)较少或很易将受扰通信线迁改径路的场合。的场合。基本型直接供电方式基本型直接供电方式在法国、英国、原苏在法国、英国、原苏联都广泛应用。联都广泛应用。CT基本型直接基本型直接供电方式供电方式带回流线的直接供电方式:带回流线的直接供电方式:在钢轨上并联架空回流在钢轨上并联架空回流线(又称负馈线)。钢轨电位大为降低,对通信线
9、线(又称负馈线)。钢轨电位大为降低,对通信线的干扰得到较好抑制。还能降低牵引网阻抗,使供的干扰得到较好抑制。还能降低牵引网阻抗,使供电臂延长电臂延长30%及以上。及以上。带负馈线的带负馈线的直接供电方式直接供电方式NCT(2)BT供电方式供电方式 BT/回流线方式:回流线方式:BT串入接触网,间隔约串入接触网,间隔约1.5km-4km,用以吸回地中电流,减少通讯干扰。,用以吸回地中电流,减少通讯干扰。BT/回流线方式牵引网结构复杂,造价较高,牵回流线方式牵引网结构复杂,造价较高,牵引网阻抗变大,供电臂长度将减小;因存在引网阻抗变大,供电臂长度将减小;因存在BT分段分段(火花间隙),不利于高速、
10、重载等大电流运行;(火花间隙),不利于高速、重载等大电流运行;但但BT方式的钢轨电位低,抑制通信干扰的效果很好。方式的钢轨电位低,抑制通信干扰的效果很好。BT/BT/回流线方式回流线方式BTBTNCT BT-回流线方式比回流线方式比BT-钢轨方式抑制通信干钢轨方式抑制通信干扰的效果好。扰的效果好。我国采用的我国采用的BT方式均为方式均为BT-回流线方式,而回流线方式,而英国、法国、瑞典两种方式都有应用,挪威只用英国、法国、瑞典两种方式都有应用,挪威只用BT-钢轨方式。钢轨方式。BT/BT/钢轨方式钢轨方式BTBTCT(3)AT供电方式供电方式 AT并联于牵引网中,克服了并联于牵引网中,克服了B
11、T串入网中串入网中BT分段分段的缺陷,使供电电压成倍提高,牵引网阻抗小,供电的缺陷,使供电电压成倍提高,牵引网阻抗小,供电距离长(约为直接供电方式的距离长(约为直接供电方式的170%-200%),网上),网上压损和能损都小,是一种适于高速、重载等大电流牵压损和能损都小,是一种适于高速、重载等大电流牵引方式。引方式。一般一般AT间隔约间隔约10km左右,左右,AT供电方式的钢轨供电方式的钢轨电位较低,抑制道路干扰的效率与电位较低,抑制道路干扰的效率与BT-回流线方式相回流线方式相近,投资要高一些。近,投资要高一些。AT供电方式在日本山阳新干线供电方式在日本山阳新干线上应用,后来法国、美国、前苏联
12、、我国等相继采上应用,后来法国、美国、前苏联、我国等相继采用。用。nnATATPFCTAT接触网接触网钢轨钢轨正馈线正馈线6.3 电源供电能力与电气化铁路运行可靠性电源供电能力与电气化铁路运行可靠性 v电源供电能力电源供电能力 一般用一般用短路容量短路容量来衡量。来衡量。短路容量是指三相短路时系统短路容量是指三相短路时系统等效电源等效电源供给短供给短路点处的容量。路点处的容量。v电力系统的短路容量,是选择牵引变电所电力系统的短路容量,是选择牵引变电所牵引变牵引变压器压器与与开关开关等电力设备所必需的重要参数,同时等电力设备所必需的重要参数,同时也是估计电力系统供电能力的重要依据。也是估计电力系
13、统供电能力的重要依据。6.3 电源供电能力与电气化铁路运行可靠性电源供电能力与电气化铁路运行可靠性v日本、法国、英国、美国平均每户每年停电时间日本、法国、英国、美国平均每户每年停电时间分别为分别为 9、94、77、58 min,即供电可靠率分,即供电可靠率分别为别为 99.998、99.982、99.98、99.989%。v我国的供电可靠性较低,我国的供电可靠性较低,1995 年供电可靠率只年供电可靠率只有有99.075%。6.4 电能质量与外部电源电压等级选择电能质量与外部电源电压等级选择 v影响因素影响因素供电的可靠性供电的可靠性电源电压等级越高,其供电可靠性也越高,客运专电源电压等级越高
14、,其供电可靠性也越高,客运专线、高速铁路及重载铁路都提出了更高的可靠性要线、高速铁路及重载铁路都提出了更高的可靠性要求求 电能质量电能质量 电气化铁路主要涉及电气化铁路主要涉及电压偏差电压偏差、三相电压不平衡三相电压不平衡、电压波动、电压波动、电网谐波电网谐波、无功补偿与功率因数等电能、无功补偿与功率因数等电能质量指标,它们在国标中主要反映用户干扰量与系质量指标,它们在国标中主要反映用户干扰量与系统短路容量的关系。统短路容量的关系。v增大系统供电容量,可以达到增强系统的承受能增大系统供电容量,可以达到增强系统的承受能力的目的。力的目的。6.4.1电力系统的供电能力电力系统的供电能力 v限制电力
15、网送电能力的因素限制电力网送电能力的因素 导线发热导线发热电压损失电压损失功率和能量损耗功率和能量损耗v起因:电流起因:电流v解决方法:提高供电电压,减小电流解决方法:提高供电电压,减小电流表表6-1 电力网电压与输送功率、距离的关系电力网电压与输送功率、距离的关系 额定电压(kV)输送功率(MVA)输送距离(km)11010505015022010015010030050010001500150850v我国我国普速电气化铁路普速电气化铁路一般采用一般采用110 kV电压等级。电压等级。v对于对于高速电气化铁路高速电气化铁路推荐采用推荐采用220kV电压等级。电压等级。v既有京沪线既有京沪线电
16、气化工程部分即采用了电气化工程部分即采用了220 kV的的电压等级。电压等级。v新建客运专线新建客运专线则全部采用则全部采用220 kV电源。电源。外部供电电源容量与可靠性外部供电电源容量与可靠性(1 1)短路容量)短路容量 外部供电电源容量外部供电电源容量一般用短路容量来衡量一般用短路容量来衡量 电力系统的发电容量电力系统的发电容量越大,短路容量越大;负载点越大,短路容量越大;负载点距离电力系统电源越近,短路容量也越大距离电力系统电源越近,短路容量也越大 提高输电线的电压等级,可提高电力系统的短路容提高输电线的电压等级,可提高电力系统的短路容量量Sd分布范围分布范围(MVA)110kV电网电
17、网4403500220kV电网电网370014000电网短路容量分布范围6.4.2 牵引供电系统牵引供电系统电压损失电压损失对短路容量的需求对短路容量的需求 v分析的负荷和系统条件分析的负荷和系统条件普速普速110kV系统系统PCC短路容量取短路容量取5002000MVA,供电设,供电设备容量取备容量取180350MVA。牵引变压器容量取较为常。牵引变压器容量取较为常见的见的20MVA、25MVA、31.5MVA、50MVA;牵引;牵引变压器的接线方式;采用复线带回流线直接供电方变压器的接线方式;采用复线带回流线直接供电方式或式或AT方式;供电臂长度方式;供电臂长度2025 km且每供电臂最且
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