供電與電力牽引

本書主要介紹供電與電力牽引兩個(gè)方面的內(nèi)容，具體包括：高效電能傳輸線路、高效節(jié)能用電、軌道交通供電系統(tǒng)、電力牽引與電氣計(jì)算、電力監(jiān)控系統(tǒng)等。

第1章 供電與電力負(fù)荷計(jì)算 1

1.1 電力系統(tǒng) 2

1.2 工業(yè)企業(yè)供電系統(tǒng) 5

1.3 電力系統(tǒng)的額定電壓 7

1.4 供電質(zhì)量的主要指標(biāo) 9

1.5 負(fù)荷曲線與負(fù)荷計(jì)算 11

1.6 用電設(shè)備的負(fù)荷計(jì)算公式 13

1.7 功率損耗和電能損耗 20

1.8 工業(yè)企業(yè)負(fù)荷計(jì)算公式 22

1.9 特高壓輸電 24

第2章 功率因數(shù)補(bǔ)償技術(shù) 26

2.1 功率因數(shù) 27

2.2 提高功率因數(shù)的方法 29

2.3 并聯(lián)電力電容器組提高功率因數(shù) 30

2.4 高壓集中補(bǔ)償提高功率因數(shù)的計(jì)算 33

2.5 簡單線性電器的功率因數(shù)提高方法 35

第3章 三相短路電流及其計(jì)算 40

3.1 短路的原因、形式和危害 41

3.2 供電系統(tǒng)的短路過程分析 43

3.3 短路電流的計(jì)算 46

3.4 短路電流的效應(yīng) 55

第4章 高壓電器設(shè)備的選擇 60

4.1 電器設(shè)備選擇的原則 60

4.2 開關(guān)電弧 62

4.3 高壓開關(guān)設(shè)備的選擇 66

4.4 母線及絕緣子的選擇 78

4.5 限流電抗器及選擇 83

4.6 儀用互感器 85

第5章 電力線路 94

5.1 電力線路概述 94

5.2 架空線路導(dǎo)線的截面選擇方法 99

5.3 電力電纜芯線截面選擇與計(jì)算 109

5.4 電力電纜安裝運(yùn)行與維護(hù) 113

5.5 家用裝飾電纜布局與導(dǎo)線選擇 114

第6章 供電系統(tǒng)的保護(hù) 117

6.1 繼電保護(hù)裝置 117

6.2 繼電保護(hù)裝置的電源 119

6.3 電流互感器的誤差曲線及連接方式 123

6.4 供電系統(tǒng)單端供電網(wǎng)絡(luò)的保護(hù) 125

6.5 變壓器的保護(hù) 132

6.6 高壓電動機(jī)的過電流保護(hù) 134

6.7 低壓配電系統(tǒng)的保護(hù) 137

6.8 供電系統(tǒng)備用電源自動投入與自動重合閘裝置 140

6.9 供電系統(tǒng)的防雷與接地 144

6.10 我國電力系統(tǒng)保護(hù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 153

第7章 供電系統(tǒng)的信息化 157

7.1 供電系統(tǒng)信息化的基本功能 157

7.2 變電所信息化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和硬件配置 160

7.3 供電系統(tǒng)的微機(jī)保護(hù) 166

7.4 變電站信息化系統(tǒng)的應(yīng)用 169

7.5 智能電能表 171

7.6 在電力行業(yè)中實(shí)現(xiàn)全過程控制與管理 173

第8章 電力系統(tǒng)CAD軟件開發(fā)應(yīng)用 175

8.1 電力系統(tǒng)CAD軟件 175

8.2 CAD應(yīng)用軟件的開發(fā)方法 178

8.3 CAD軟件的文檔組織 183

8.4 電力系統(tǒng)CAD軟件開發(fā)步驟 186

第9章 軌道交通供電系統(tǒng) 189

9.1 軌道交通 189

9.2 軌道交通供電系統(tǒng)簡介 192

9.3 軌道交通供電系統(tǒng)的組成 198

9.4 軌道交通供電系統(tǒng)的特點(diǎn) 205

9.5 有軌電車 216

第10章 接觸網(wǎng) 219

10.1 接觸網(wǎng)的組成 219

10.2 柔性接觸網(wǎng) 222

10.3 剛性接觸網(wǎng) 232

10.4 接觸軌 237

10.5 接觸軌故障分析 248

第11章 電力牽引與電氣計(jì)算 249

11.1 電力機(jī)車牽引特性 250

11.2 牽引計(jì)算 254

11.3 饋線電流 256

11.4 牽引網(wǎng)電壓 264

11.5 CRH系列動車組簡介 266

11.6 中國高速鐵路網(wǎng)規(guī)劃 270

11.7 中國時(shí)速為605千米/小時(shí)列車試驗(yàn) 273

第12章 電力監(jiān)控系統(tǒng) 277

12.1 電力監(jiān)控系統(tǒng)的基本組成功能 277

12.2 電力監(jiān)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 279

12.3 電力監(jiān)控系統(tǒng)的軟件構(gòu)成 281

12.4 電力監(jiān)控系統(tǒng)在電力行業(yè)中的應(yīng)用 283

參考文獻(xiàn) 286 2100433B

• 主 編：錢愛玲 錢顯毅

• 副主編：黃紅云 鄒一琴

• 書代號：417800

• I S B N：978-7-5606-3886-7

• 出版日期：2016-06

• 印刷日期：2016-06

電力牽引供電計(jì)算(electric calculations for electric traction)是指為確定電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)一系列重要技術(shù)參數(shù)而進(jìn)行的一整套計(jì)算工作，包括牽引供電設(shè)備需要容量計(jì)算、牽引供電網(wǎng)絡(luò)阻抗計(jì)算、電壓損失計(jì)算以及無功和諧波含量計(jì)算等 。

電力牽引供電系統(tǒng)是指從電力系統(tǒng)或一次供電系統(tǒng)接受電能，通過變壓、變相或換流（將工頻交流變換為低頻交流或直流電壓）后，向電力機(jī)車負(fù)載提供所需電流制式的電能，并完成牽引電能傳輸、配電等全部功能的完整系統(tǒng)。牽引供電系統(tǒng)的性能直接影響列車牽引功率的發(fā)揮和牽引傳動控制系統(tǒng)的性能。

工頻交流單相電力牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所、牽引網(wǎng)、分區(qū)所、開閉所等部分組成。

電力牽引供電系統(tǒng)牽引變電所

直流制牽引變電所用主變壓器降壓并把三相交流電變換為6相或12相,然后用整流器整流。工頻單相交流制在牽引變電所只進(jìn)行降壓，主要設(shè)備是降壓變壓器，稱為主變壓器。牽引變電所按主變壓器繞組接線方式，分為三相、單相和三相-二相牽引變電所。

三相牽引變電所

它的主變壓器結(jié)構(gòu)與一般三相電力變壓器相同,只是次邊額定電壓為27500伏。繞組通常采用 Y/△接線。用兩臺主變壓器并聯(lián)運(yùn)行。原邊Y形繞組接連電力系統(tǒng)的高壓母線,次邊△線繞組一端接地,另兩端分別向兩邊的接觸網(wǎng)供電(圖1)。三相牽引變電所的優(yōu)點(diǎn)是主變壓器價(jià)格低廉，配電設(shè)備簡單,可在27500伏側(cè)用電力變壓器降壓至 10000伏向鄰近地區(qū)和鐵路的三相負(fù)荷供電。缺點(diǎn)是主變壓器容量利用率較低，三相繞組中有一相達(dá)不到額定負(fù)荷。另外，牽引變電所對電力系統(tǒng)形成不對稱負(fù)荷，通常須將各個(gè)牽引變電所的兩個(gè)重負(fù)電荷相輪換接入電力系統(tǒng)中的三相。中國和蘇聯(lián)的工頻單相交流制電氣化鐵路大都采用三相牽引變電所。

單相牽引變電所

采用單相雙繞組主變壓器。有兩種接線方式:簡單單相接線（圖2）和V/V接線（圖3）。V/V接線是將兩臺主變壓器的原邊接在高壓母線不同的兩相間，次邊分別以不同的相電壓向兩邊接觸網(wǎng)供電。簡單單相接線設(shè)備簡單、經(jīng)濟(jì)，主變壓器容量利用率高。但是由于牽引變電所對電力系統(tǒng)構(gòu)成單相負(fù)荷，即使將各個(gè)牽引變電所輪換接入電力系統(tǒng)中的三相，在局部系統(tǒng)中仍將產(chǎn)生大量負(fù)序電流，所以只適宜于在電力系統(tǒng)容量較大的地區(qū)采用。單相V/V接線在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的負(fù)序電流和三相牽引變電所產(chǎn)生的相同，比簡單單相接線產(chǎn)生的要小。這種接線也可在 27500伏側(cè)應(yīng)用降壓變壓器供應(yīng)地區(qū)三相負(fù)荷。但是兩臺主變壓器不是并聯(lián)，操作手續(xù)和設(shè)備比較復(fù)雜。法國、英國、印度的工頻單相交流制電氣化鐵路普遍采用單相牽引變電所，而且多采用簡單單相接線。中國只在個(gè)別線路上采用單相V/V接線。

三相－二相牽引變電所

主變壓器一般采用斯科特接線。 其原邊有兩個(gè)繞組，匝數(shù)比為1:3,短繞組（稱為高繞組）接于長繞組（稱為底繞組）的中點(diǎn)，三個(gè)出線端接高壓母線的三相，形成“T”形接線(圖4)。次邊兩個(gè)繞組輸出對稱二相電壓，分別向兩邊接觸網(wǎng)供電。斯科特接線的優(yōu)點(diǎn)是,當(dāng)兩邊接觸網(wǎng)負(fù)荷相等時(shí),主變壓器從電力系統(tǒng)取用對稱三相電流。缺點(diǎn)是要求特制的主變壓器。另外，和簡單單相接線一樣,在27500伏側(cè)不能供應(yīng)地區(qū)三相負(fù)荷。三相-二相牽引變電所在日本應(yīng)用最為廣泛。

電力牽引供電系統(tǒng)分區(qū)所

交流電氣化鐵路上為了增加供電的靈活性，提高運(yùn)行的可靠性，在兩個(gè)牽引變電所的供電區(qū)中間常加設(shè)分區(qū)所，分區(qū)所的作用可簡述如下。

（1）可以使兩相鄰的供電區(qū)段實(shí)現(xiàn)并聯(lián)工作或單獨(dú)工作。當(dāng)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)工作時(shí)，分區(qū)所的斷路器閉合，否則打開。

（2）當(dāng)相鄰牽引變電所發(fā)生故障而不能繼續(xù)供電時(shí)，可以閉合分區(qū)所的斷路器，由非故障牽引變電所實(shí)行越區(qū)供電。

（3）雙邊供電的供電區(qū)內(nèi)發(fā)生牽引網(wǎng)短路事故時(shí)，可由分區(qū)所的斷路器切除事故點(diǎn)所在處的一半供電區(qū)，非事故段仍可照常工作。

電力牽引供電系統(tǒng)開閉所

交流電力牽引系統(tǒng)開閉所，實(shí)際上是起配電作用的開關(guān)站，一般在下面兩種情況或系統(tǒng)中設(shè)置。

一種情況是在離牽引變電所較遠(yuǎn)的鐵路樞紐地區(qū)，由于站線多，接觸網(wǎng)相應(yīng)復(fù)雜，客貨運(yùn)交會、編組和機(jī)車整備作業(yè)繁忙，致使該地區(qū)故障幾率增多，為保證樞紐地區(qū)供電的可靠性，縮小事故范圍，一般將接觸網(wǎng)橫向分組及分區(qū)供電，由開閉所的多路饋線向接觸網(wǎng)各分組和分區(qū)供電。

另一種情況是在AT供電方式的復(fù)線牽引網(wǎng)供電臂中間設(shè)置開閉所，由于AT供電方式供電電壓增高（2×25kV），供電臂距離增長，可達(dá)40～50km，為提高供電靈活性（如接觸網(wǎng)停電檢修等），縮小事故停電范圍，故需在牽引變電所與分區(qū)所之間設(shè)置開閉所。

電力牽引供電系統(tǒng)自耦變壓器站

工頻單相交流電氣化鐵路如采用自耦變壓器（AT）供電方式時(shí)，在沿線需每隔10～15km設(shè)置一臺自耦變壓器。應(yīng)盡量把自耦變壓器設(shè)于沿鐵路的各站場上，大致和鐵路區(qū)間的距離一樣。同時(shí)，應(yīng)與分區(qū)所、開閉所合并，以便于運(yùn)行管理。

電力牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)

接觸網(wǎng)是 沿電氣化鐵路架空敷設(shè)的輸電網(wǎng)，它和電力機(jī)車受電弓的滑動接觸將牽引變電所送來的電流送給電力機(jī)車。

接觸網(wǎng)主要由接觸懸掛及其支柱組成。常用的有簡單彈性懸掛和單鏈形懸掛。

簡單彈性懸掛只有一根接觸導(dǎo)線，用彈性吊弦掛在支柱上（圖5 ）。彈性吊弦可以緩和受電弓對懸掛點(diǎn)的沖擊。這種懸掛可適應(yīng)70～90公里/小時(shí)運(yùn)行速度。接觸導(dǎo)線彈性較好的，可適應(yīng)100公里/小時(shí)以上的速度。接觸導(dǎo)線材料具有耐磨、耐腐蝕、抗拉強(qiáng)度高和導(dǎo)電性能好等特點(diǎn)。多數(shù)國家主要采用銅導(dǎo)線和鎘銅導(dǎo)線。中國廣泛應(yīng)用鋼鋁雙金屬導(dǎo)線。為了使接觸導(dǎo)線有必要的張力，接觸網(wǎng)每隔一定長度設(shè)置一個(gè)錨段，將接觸導(dǎo)線一端下錨，另端吊掛一個(gè)載重體，稱為補(bǔ)償器。補(bǔ)償器在季節(jié)變化引起接觸導(dǎo)線冷縮熱脹時(shí)自動上下移動，使接觸導(dǎo)線張力保持不變。

單鏈形懸掛加用一根承力索，將接觸導(dǎo)線用吊弦均勻地吊掛在承力索上（圖6 ）。對承力索采取補(bǔ)償措施的稱為全補(bǔ)償單鏈形懸掛。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是接觸導(dǎo)線平直，接觸懸掛彈性均勻，因此受電弓和導(dǎo)線有較好的接觸，受流較好，適用于運(yùn)行頻繁、運(yùn)行速度較高的線路。直流制電氣化鐵路接觸網(wǎng)普遍采用兩根接觸導(dǎo)線和單鏈形懸掛。交流制接觸網(wǎng)采用一根接觸導(dǎo)線和單鏈形懸掛或簡單彈性懸掛。中國主要采用單鏈形懸掛，但也開始采用簡單彈性懸掛。還有一種復(fù)鏈形(雙鏈形、三鏈形)懸掛(圖7)，是在單鏈形懸掛的承力索和接觸導(dǎo)線之間加設(shè)一條輔助承力索,用吊弦掛在承力索上,再把接觸導(dǎo)線掛在輔助承力索上。這種結(jié)構(gòu)使接觸懸掛彈性更加均勻，適應(yīng)更高的運(yùn)行速度。日本東海道新干線采用彈性雙鏈形懸掛。

早期的接觸網(wǎng)大都使用金屬支柱，后來改用鋼筋混凝土支柱。這種支柱省鋼材，耐腐蝕，造價(jià)較低。接觸懸掛掛在支柱的金屬腕臂上，用定位器來固定接觸導(dǎo)線的水平位置，使接觸導(dǎo)線沿線路成“之”字形走向，以免運(yùn)行中的電力機(jī)車受電弓集中在一點(diǎn)被接觸導(dǎo)線擦傷。

供電方式

直流制電氣化鐵路接觸網(wǎng)普遍采用兩邊供電方式，在相鄰的兩個(gè)牽引變電所供電的接觸網(wǎng)中間設(shè)置分區(qū)亭，將接觸網(wǎng)連通。運(yùn)行中的電力機(jī)車由兩邊的牽引變電所同時(shí)供電。這種供電方式可降低接觸網(wǎng)中的電能損失，減小接觸網(wǎng)的電壓降，一個(gè)牽引變電所停電時(shí)，電力機(jī)車運(yùn)行不致中斷。交流制電氣化鐵路則常采用一邊供電方式，接觸網(wǎng)在分區(qū)亭處斷開，分區(qū)亭只在一邊牽引變電所停電時(shí)接通，由另一邊牽引變電所越區(qū)供電，同時(shí)分 區(qū)亭還有上下行末端并聯(lián)的功能。

防干擾設(shè)施

為了減少接觸網(wǎng)電流的電磁感應(yīng)對沿線通信電路的干擾，在交流制電氣化鐵路鄰近城鎮(zhèn)的區(qū)段將接觸網(wǎng)每2～4公里劃成一個(gè)吸流分段，設(shè)置回流線和吸流變壓器。這時(shí)，電力機(jī)車的電流沿回流線流回牽引變電所，從而沿軌道和大地流回的電流很少。回流線和接觸網(wǎng)的電流近似相等，方向相反，這就大大減輕了電氣化鐵路對沿線通信電路的干擾。這種方式的缺點(diǎn)是吸流變壓器串接在電路中，加大了接觸網(wǎng)阻抗。日本新建設(shè)的工頻單相交流制電氣化鐵路采用了自耦變壓器方式，沿鐵路每10公里左右設(shè)置一臺自耦變壓器。自耦變壓器中性點(diǎn)接地，一端接接觸網(wǎng)，另一端接回流線，稱為正饋（電）線。正饋線和接觸網(wǎng)電流大小相等，方向相反，同樣起著減小對通信電路干擾的作用。另一方面，由于接觸網(wǎng)和正饋線之間電壓為二倍接觸網(wǎng)電壓，沿接觸網(wǎng)電壓降便大大減小。

電力牽引CC供電方式(coaxial cable supply system of electric traction)是指電力牽引的一種供電方式，又稱同軸電纜供電方式 。