火车供电原理是什么？

2024-11-13 02:54:16

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电气化铁道供电原理
电气化铁道牵引供电装置，又称为牵引供电系统，其系统本身没有发电设备，而是从电力系统取得电能。目前我国一般由110kV以上的高压电力系统向牵引变电所供电。

目前牵引供电系统的供电方式有直接供电方式、BT供电方式、AT供电方式、同轴电缆和直供加回流线供电方式四种，京沪、沪杭、浙赣都是采用的直供加回流线方式。
一、直接供电方式
直接供电方式(T—R供电)是指牵引变电所通过接触网直接向电力机车供电，及回流经钢轨及大地直接返回牵引变电所的供电方式。
这种供电方式的电路构成及结构简单，设备少，施工及运营维修都较方便，因此造价也低。但由于接触网在空中产生的强大磁场得不到平衡，对邻近的广播、通信干扰较大，所以一般不采用。我国现在多采用加回流线的直接供电方式。
二、BT供电方式
所谓BT供电方式就是在牵引供电系统中加装吸流变压器(约3～4km安装一台)和回流线的供电方式。这种供电方式由于在接触网同高度的外侧增设了一条回流线，回流线上的电流与接触网上的电流方向相反，这样大大减轻了接触网对邻近通信线路的干扰。
BT供电的电路是由牵引变电所、接触悬挂、回流线、轨道以及吸上线等组成。由图可知，牵引变电所作为电源向接触网供电；电力机车(EL)运行于接触网与轨道之间；吸流变压器的原边串接在接触网中，副边串接在回流线中。吸流变压器是变比为1：1的特殊变压器。它使流过原、副边线圈的电流相等，即接触网上的电流和回流线上的电流相等。因此可以说是吸流变压器把经钢轨、大地回路返回变电所的电流吸引到回流线上，经回流线返回牵引变电所。这样，回流线上的电流与接触网上的电流大小基本相等，方向却相反，故能抵消接触网产生的电磁场，从而起到防干扰作用。
以上是从理论上分析的理想情况，但实际上由于吸流变压器线圈中总需要励磁电流，所以经回流线的电流总小于接触网上的电流，因此不能完全抵消接触网对通信线路的电磁感应影响。另外，当机车位于吸流变压器附近时回流还是从轨道中流过一段距离，至吸上线处才流向回流线，则该段回流线上的电流会小于接触网上的电流，这种情况称为“半段效应”。此外，吸流变压器的原边线圈串接在接触网中，所以在每个吸流变压器安装处接触网必须安装电分段，这样就增加了接触网的维修工作量和事故率。当高速大功率机车通过，该电分段时产生很大电弧，极易烧损机车受电弓和接触线。且BT供电方式的牵引网阻抗较大，造成较大的电压和电能损失，故已很小采用。
三、AT供电方式
随着铁路电气化技术的发展，高速、大功率电力机车的投入运行，吸—回装置供电方式已不能适应需要。各国开始采用AT供电方式。所谓AT供电方式就是在牵引供电系统中并联自耦变压器的供电方式。实践证明，这种供电方式是一种既能有效地减弱接触网对邻近通信线的感应影响，又能适应高速、大功率电力机车运行的一种比较先进的供电方式。
AT供电方式的电路包括牵引变电所S、接触悬挂T、轨道R、自耦变压器AT、正馈线AF、电力机车EL等。牵引变电所作为电源向牵引网输送的电压为25kV。而接触悬挂与轨道之间的电压仍为25kV，正馈线与轨道之间的电压也是25kV。自耦变压器是并联在接触悬挂和正馈线之间的，其中性点与钢轨(保护线)相连接。彼此相隔一定距离(一般间距为10～16km)的自耦变压器将整个供电区段分成若干个小的区段，叫做AT区段。从而形成了一个多网孔的复杂供电网络。接触悬挂是去路，正馈线是回路。接触悬挂上的电流与正馈线上的电流大小相等，方向相反，因此其电磁感应影响可互相抵消，故对邻近的通信线有很好的防护作用。
AT供电方式与BT供电方式相比具有以下优点：
1、AT供电方式供电电压高。AT供电方式无需提高牵引网的绝缘水平即可将牵引网的电压提高一倍。BT供电方式牵引变电所的输出电压为27.5kV，而AT供电方式牵引变电所的输出电压为55kV，线路电流为负载电流的一半，所以线路上的电压损失和电能损失大大减小。
2、AT供电方式防护效果好。AT供电方式，接触悬挂上的电流与正馈线上的电流大小相等，方向相反，其电磁感应相互抵消，所以防护效果好。并且，由于AT供电的自耦变压器是并联在接触悬挂和正馈线间的，不象BT供电的吸流变压器，串联在接触悬挂和回流线之间，因此没有因励磁电流的存在而使原副边绕组电流不等，以及在短路时吸流变压器铁芯饱和导致防护效果很差等问题。另外也不存在“半段效应”问题。
3、AT供电方式能适应高速大功率电力机车运行。因AT供电方式的供电电压高、线路电流小、阻抗小(仅为BT供电方式的1/4左右)、输出功率大，使接触网有较好的电压水平，能适应高速大功率电力机车运行的要求。另外，AT供电也不象BT供电那样，在吸流变压器处对接触网进行电分段，当高速大功率电力机车通过时产生电弧，烧坏机车受电弓滑板和接触线，对机车的高速运行和接触网和接触网的运营维修极为不利。
4、AT供电牵引变电所间距大、数量少。由于AT供电方式的输送电压高、线路电流小、电压损失和电能损失都小，输送功率大，所以牵引变电所的距离加大为80～120km，而BT供电方式牵引变电所的间距为30～60km，因此牵引变电所的距离大大减少，同时运营管理人员也相应减少，那么，建设投资和运营管理费用都会减少。
四、同轴电缆供电方式
同轴电力电缆供电方式(简称CC供电方式)，是一种新型的供电方式，它的同轴电力电缆沿铁路线路埋设，内部芯线作为供电线与接触网连接，外部导体作为回流线与钢轨连接。每隔5～10km作一个分段。
由于供电线与回流线在同一电缆中，间隔很小，而且同轴布置，使互感系数增大。由于同轴电力电缆的阻抗比接触网和钢轨的阻抗小得多，因此牵引电流和回流几乎全部经由同轴电力电缆中流过。同时由于电缆芯线与外层导体电流大小相等，方向相反，二者形成的磁场相互抵消，对邻近的通信线路几乎无干扰。由于电路阻抗小，因而供电距离长。但由于同轴电力电缆造价高、投资大，很少采用。
五、直供加回流线供电方式
直供加回流线供电方式结构比较简单。这种供电方式由于在接触网同高度的外侧增设了一条回流线，回流线上的电流与接触网上的电流方向相反，这样大大减轻了接触网对邻近通信线路的干扰。与直供方式比较，能对沿线通信防干扰；比BT供电减少了BT装置，既减少了建设投资，又便于维修。与AT供电方式比较，减少了AT所和沿线架设的正馈线，不仅减少了投资，还便于接触网维修。所以自大秦线以后的电气化铁道，基本都采用这种方式。我段所管辖的京沪、沪昆都采用这种供电方式。直供加回流线供电方式的原理如下图所示。
六、牵引变电所向接触网供电有单边供电和双边供电两种方式。接触网在牵引变电所处及相邻的两个变电所中央是断开的，将两个牵引变电所之间的接触网分成两独立的供电分区，又叫供电臂。每个供电臂只从一端的牵引变电所获得电能的供电方式称为单边供电。每个供电臂同时从两侧变电所获得电能的供电方式称为双边供电。
双边供电可提高供电质量，减少线路损耗，但继电保护等技术存在问题。所以我国及多数国家均采用单边供电。但在事故情况下，位于两变电所之间的分区亭可将两个供电臂连接进来，实行越区供电，越区供电是在非常状态下采用的，因供电距离过长，难以保证末端的电压质量，所以只是一种临时应急措施，并且在实行越区供电时，应校核供电末端的电压水平是否符合要求。
在复线区段同一供电臂上、下行接触网接的是同相电，但在牵引变电所及分区亭内设有开关装置，可将上、下行接触网连通，实行并联供电，以减小线路阻抗，降低电压损失和电能损失，提高接触网的电压水平。在事故情况下，又可将上、下行接触网分开，互不影响，使供电更加灵活可靠。
牵引变电所馈电线馈出的两供电臂上的电压是不同相位的。为了减少对电力系统的不平衡影响，各牵引变电所要采用换连接，不同相位的接触网间要设置电分相装置。为了灵活供电和缩小事故范围，便于检修，接触网还设置了许多电分段装置。

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