CN107962982A - 一种三相牵引供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种三相牵引供电系统，涉及城市轨道和干线铁路牵引供电领域。主变电所次边馈出三相电缆；三相电缆与三相牵引网平行；牵引变压器Ti为Y/d接线，原边连接三相电缆，次边连接三相牵引网；三相牵引网由彼此绝缘的第一供电轨、第二供电轨和钢轨构成；牵引变压器Ti为Y/d接线，其原边Y接线接入ABC相同相别，其次边d接线的三个端子分别连接第一供电轨、第二供电轨和钢轨；车载供电系统由车载电缆和三相交直交变流器组成的；车载电缆第一单芯电缆、第二单芯电缆和地线分别经电刷与第一供电轨、接触受电，第二单芯电缆经电刷与第二供电轨和接触受电，地线经电刷与钢轨接触受电，供给三相交直交变流器和三相电机。

Description

一种三相牵引供电系统
技术领域
本发明涉及城市轨道和干线铁路牵引供电领域。
背景技术
在供电容量(能力)相同情况下，三相发电机、电动机、变压器、输电线都较单相同类元件的制造和建造更节省材料，而且构造简单，性能优良，并且三相电功率的瞬时值保持恒定不变，因此三相交流电在工业上获得了广泛的应用。
可以理解，最早的理想的电车是尝试三相供电。早在18世纪后期，欧洲就出现了架设于电车上方三条架空线的电车线路，也尝试了架设于电车上方两条架空线供电的电车线路，例如1771年，西门子和哈尔斯克公司在柏林近郊的利希特菲尔德车站和军事学院之间修建了一条长2 134m的电车线路，同年又在法国巴黎国际电工展览会上展出了第一条长400m的由两条架空导线供电的电车线路。但是由于三条架空线需要三极受电弓、两条架空线需要两双极受电弓，这种架空线和受电弓的接触结构过于复杂，其可靠性也成为难以逾越的障碍，加之过道岔的技术难题，该方式用于干线铁路的实用性受到严重挑战，因此逐渐被低压直流和单相交流供电方式所取代。非常遗憾，三相交流电的优势不能在铁路牵引供电上得到应有的发挥。
低压直流和单相交流供电方式具有结构简单、建设成本低、运用和维护方便等优点，这就决定其发展优势和后来不可取代和不可逆转的地位。
由于行车密度大、站间距短、运量较小等特点，地铁、轻轨等城市轨道一直使用低压直流供电。而干线铁路站间距长、运量大，自从世界上出现第一条27.5kV工频单相交流电气化铁路之后，干线铁路就不再采用低压直流供电方式。
截止目前，地铁、轻轨等城市轨道仍然采用低压直流供电方式，虽然直流供电方式有着没有分相、供电不间断等突出优点，但它产生的杂散电流确实不容忽视的。杂散电流对道床钢筋结构、隧道内钢筋结构和沿线的金属管线等设施都将产生电化学腐蚀，从而影响这些构筑物和金属设施的安全和使用寿命。对此，采取了排流保护、走行轨降阻、杂散电流收集和管道外涂等杂散电流腐蚀防护措施，有较大的资金投入，但仍不能从根本上消除杂散电流及其长期腐蚀影响。
另外，干线铁路和地铁、轻轨等城市轨道采用架空接触网+走行轨(钢轨)形式牵引网都占有较大的空间，需要增大隧道断面，进而增加施工难度和成本。
申请人提出了“一种轨道交通供电构造(ZL 201510213833.5)”，目的就是提供一种敷设于两条钢轨中间的结构紧凑、运行方便的轨道交通供电构造，可以不断电过道岔，不额外占用空间，并从根本上消除杂散电流和跨步电压，保护人身和设备安全。此前，申请人还提出了“一种电气化铁路同轴电缆供电系统(ZL 201310261240.8)”，目的是提供一种电气化铁路同轴电缆供电系统，主要用于干线铁路运输和城市轨道交通的工频单相牵引供电领域，最大限度地延长供电臂长度，避免或减少分相，使交通运输更为顺畅。但显然，这都属于单相交流供电方式。单相电功率不像三相电功率那样瞬时值保持恒定不变，而是2倍工频波动的。
申请人还提出了“一种轨道交通三相交流供电构造(ZL 2105 2 0275380.0)”，这属于三相交流供电系统，虽然与“一种轨道交通供电构造(ZL201510213833.5)”相比能表现出三相交流供电的优势，但它需要添加第三条供电轨，使接触结构的复杂性增加，投资也会增加。
回顾一百多年的历史和三相电的优势，现在梦寐以求要解决的技术问题是：如何在不增加牵引供电接触结构复杂性的情况下实现三相交流牵引供电，使三相交流电的优势在干线铁路和城市轨道中发挥到最佳水平，在相同的材料情况下增加供电容量(能力)，在相同容量下节约材料，提高材料利用率；同时，接触结构不额外占用空间，可以不断电过道岔，很好地抑制杂散电流，降低跨步电压。
总的看，现行干线铁路和地铁、轻轨等城市轨道采用的架空接触网+走行轨(钢轨)形式牵引网属于单相“一线一地”方式，“一种电气化铁路同轴电缆供电系统(ZL201310261240.8)”的接触结构也属于单相“一线一地”方式，“一种轨道交通供电构造(ZL201510213833.5)”属于单相“两线”方式，“一种轨道交通三相交流供电构造(ZL 2105 20275380.0)”属于三相“三线”方式，本申请将提出一种接触结构属于三相“两线”方式的两级(中压到低压)牵引供电方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种三相牵引供电系统，它能有效地解决牵引供电系统的结构性技术问题，可以提高供电容量或者节约供电材料，使三相交流电的优势在牵引供电中发挥到最佳水平，并很好地抑制杂散电流，降低跨步电压。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种三相牵引供电系统，包括主变电所、牵引变压器、三相牵引网和车载供电系统，主变电所次边三相母线馈出三相电缆；三相电缆与三相牵引网平行设置；牵引变压器Ti原边连接三相电缆，次边连接三相牵引网，即牵引变压器Ti并联于三相电缆与三相牵引网之间，i＝1,2,...N，N为牵引变压器的数目；三相牵引网通过接触方式给列车的车载供电系统供电；
所述三相牵引网由第一供电轨、第二供电轨和钢轨构成，第一供电轨、第二供电轨布置在钢轨中间，处于列车下方；
所述牵引变压器Ti为Y/d接线，其原边Y接线的三个端子分别接入同相别的三相电缆，其次边d接线的三个端子分别连接第一供电轨、第二供电轨和钢轨。
所述车载供电系统由车载电缆和三相交直交变流器组成；车载电缆由第一单芯电缆和第二单芯电缆及地线组成；第一单芯电缆经电刷与第一供电轨接触受电，第二单芯电缆经电刷与第二供电轨接触受电，地线经电刷与钢轨接触受电；三相交直交变流器原边三个端子分别连接车载电缆的第一单芯电缆、第二单芯电缆和地线；三相交直交变流器次边三个端子分别连接三相电机的三个端子。
所述三相交直交变流器原边有一相故障时仍可运行。
所述三相电缆的额定电压高于三相牵引网的额定电压；三相电缆的电压等级为中压等级，三相牵引网的电压等级为低压等级；所述中压等级优先选用27.5k或35kV或55kV，低压等级优先选用3.5kV或5.5kV或11kV。
本发明的工作原理是：在牵引变压器Ti原边，单相供电(两根电缆，对应“一种电气化铁路同轴电缆供电系统，ZL 201310261240.8”中的内导体和外导体)和三相供电(三根电缆，对应本申请的三相电缆)相比：设线电压U相同，单相供电每根电缆的电流为I1，三相供电每根电缆的电流为I2，若供电容量(能力)相同，即 则三相和单相供电电缆需用的材料之比为即是说，在供电容量(能力)相同情况下，三相供电电缆只需单相供电电缆86.6％的材料。在牵引变压器Ti次边，本申请三相牵引网由第一供电轨、第二供电轨、钢轨构成，而“一种轨道交通供电构造(ZL201510213833.5)”单相牵引网由供电轨和回流轨构成，相比而言，本申请利用了钢轨的导电能力，若每根导体所用材料(截面)相同，即电流同为I，亦设线电压U相同，那么， 而，单相牵引网的供电容量＝UI，即，三相牵引网的供电容量比单相大73.2％。
供电回路的波阻抗随着分布电容增大而减小，随着分布电抗增大而增大。由于电缆绝缘材料的相对介电常数高，可达4～5，电缆回路布置紧密，分布电容大大增加，而电缆回路布置紧密还使其互感增加，甚至趋近自感，又由于回路的电流大小相等、方向相反，等效分布感抗大大降低，因此电缆的波阻抗远小于架空线，一般约为架空线的六分之一，而供电回路的自然功率与其波阻抗成反比，因此电缆的输电能力约相当于相同电压等级架空线或接触网的六倍。
定义列车所在最近的两个牵引变压器及其之间的三相牵引网为短回路，该短回路到主变电所的三相电缆及其三相牵引网的并联体为长回路。设牵引变压器变比(三相电缆与三相牵引网的电压比)为k，三相牵引网归算到三相电缆侧的阻抗为其有名值的k2倍，可见，除了短回路承担该列车负荷外，长回路的三相电缆将担负主要供电任务，而长回路的三相牵引网只担负很少的供电任务。例如，三相电缆额定电压选为35kV，三相牵引网额定电压选为3.5kV，则k＝10，k2＝100，则长回路的电缆担负的供电任务约为99％，长回路的三相牵引网担的供电任务约为1％，同时，虽然三相牵引网有一相(钢轨)是接地的，除了短回路列车电流会产生一定的地中分量(杂散电流)外，长回路的地中分量极少，小于1％，因此可以很好地抑制杂散电流和跨步电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、在牵引变压器Ti原边，在供电容量(能力)相同情况下，三相供电电缆只需单相供电电缆86.6％的材料，在牵引变压器Ti次边，若每根导体所用材料(截面)相同，三相牵引网的供电容量比单相大73.2％；
二、长回路的三相电缆担负主要供电任务，长回路的三相牵引网只担负很少的供电任务，同时可以很好地抑制杂散电流和跨步电压。
三、主变电所不在电网产生负序电流；
四、可靠性高，一相故障仍可运行；
五、技术先进、可靠，运行方便。
附图说明
图1是本发明实施例的三相牵引供电系统结构示意图。
图2是本发明实施例的车载供电系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
图1示出，本发明的一种具体实施方式为：一种三相牵引供电系统，包括主变电所、三相电缆、牵引变压器、三相牵引网、车载供电系统等；主变电所次边三相母线1馈出三相电缆2；三相电缆2与三相牵引网3平行；牵引变压器Ti原边连接三相电缆2，次边连接三相牵引网3，即牵引变压器Ti并联于三相电缆2与三相牵引网3之间，i＝1,2,...N，N为牵引变压器的数目；三相牵引网3通过接触方式给列车的车载供电系统4供电。
所述三相牵引网3由第一供电轨3a、第二供电轨3b和钢轨3c构成；所述第一供电轨3a、第二供电轨3b安装在两个钢轨之间，处于列车下方，第一供电轨3a、第二供电轨3b及钢轨3c彼此绝缘，第一供电轨3a、第二供电轨3b用绝缘材料支撑。
所述牵引变压器Ti为Y/d接线，其原边Y接线的三个端子分别接入同相别的三相电缆，其次边d接线的三个端子分别连接第一供电轨3a、第二供电轨3b和钢轨3c。
所述三相电缆2的额定电压高于三相牵引网3的额定电压；三相电缆2的电压等级为中压等级，三相牵引网(3)的电压等级为低压等级；所述中压等级优先选用27.5k或35kV或55kV，低压等级优先选用的3.5kV或5.5kV或11kV。
所述车载供电系统4包括车载电缆5和三相交直交变流器6。
图2是实施例的车载供电系统结构示意图，所述车载供电系统4由车载电缆5和三相交直交变流器6组成；车载电缆5由第一单芯电缆5a和第二单芯电缆5b及地线5c组成；第一单芯电缆5a经电刷7与第一供电轨3a接触受电，第二单芯电缆5b经电刷7与第二供电轨3b接触受电，地线5c经电刷7与钢轨3c接触受电；三相交直交变流器6原边三个端子分别连接车载电缆5的第一单芯电缆5a、第二单芯电缆5b和地线5c；三相交直交变流器6次边三个端子分别连接三相电机8的三个端子。
所述三相交直交变流器6原边有一相故障时仍可运行。

Claims (4)

1.一种三相牵引供电系统，包括主变电所、牵引变压器、三相牵引网和车载供电系统，其特征在于：主变电所次边三相母线(1)馈出三相电缆(2)；三相电缆(2)与三相牵引网(3)平行设置；牵引变压器Ti原边连接三相电缆(2)，次边连接三相牵引网(3)，即牵引变压器Ti并联于三相电缆(2)与三相牵引网(3)之间，i＝1,2,...N，N为牵引变压器的数目；三相牵引网(3)通过接触方式给车载供电系统(4)供电；
所述三相牵引网(3)由第一供电轨(3a)、第二供电轨(3b)和钢轨(3c)构成，第一供电轨(3a)、第二供电轨(3b)布置于钢轨(3c)中间；
所述牵引变压器Ti为Y/d接线，其原边Y接线的三个端子分别接入同相别的三相电缆，其次边d接线的三个端子分别连接第一供电轨(3a)、第二供电轨(3b)和钢轨(3c)。
2.根据权利要求1所述的一种三相牵引供电系统，其特征在于：所述车载供电系统(4)由车载电缆(5)和三相交直交变流器(6)组成；车载电缆(5)由第一单芯电缆(5a)和第二单芯电缆(5b)及地线(5c)组成；第一单芯电缆(5a)经电刷(7)与第一供电轨(3a)接触受电，第二单芯电缆(5b)经电刷(7)与第二供电轨(3b)接触受电，地线(5c)经电刷(7)与钢轨(3c)接触受电；三相交直交变流器(6)原边三个端子分别连接车载电缆(5)的第一单芯电缆(5a)、第二单芯电缆(5b)和地线(5c)；三相交直交变流器(6)次边三个端子分别连接三相电机(8)的三个端子。
3.根据权利要求1所述的一种三相牵引供电系统，其特征在于：所述三相交直交变流器(6)原边有一相故障时仍可运行。
4.根据权利要求1所述的一种三相牵引供电系统，其特征在于：所述三相电缆(2)的电压等级为中压等级，三相牵引网(3)的电压等级为低压等级；所述中压等级优先选用27.5k或35kV或55kV，低压等级优先选用3.5kV或5.5kV或11kV。
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