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          高鐵是如何供電的,各供電系統之間是如何轉換的

          時間:2019-10-06 11:20 來源:電工之家

          1、先講一個電氣回路常識。
          一個完整的電氣回路,由送電端(電網、發電廠)、輸電線路、受電端(用戶、負載)及回路要件組成。這是一個閉合的環路。(見圖示一。)
          高鐵是如何供電的,各供電系統之間是如何轉換的
          圖示一。
          電從電網送出,通過變電站的變壓器降壓后,再通過輸電線路輸給用戶。圖中的燈泡代表用電設備也就是負載。
          變電站的變壓器的線圈中有一個稱為中性點的三相公共端結點,這個結點叫做中性點,由這個結點引出一根線去接地,這根線叫中性線。這種接地方式稱為中性點直接接地方式。
          我國110千伏及以上系統包括380/220伏低壓配電網系統都采用中性點直接接地方式。
          理論上大地電位為零。所以,中性線接入大地,對地電壓也為零(不討論偏移問題)。同理,電流也為零。
          燈泡的另一根出線就是我們常說的零線,不論通過何種方式,這零線最終會與變壓器的中性線相通。從變壓器→輸電線路/火線→用電設備→零線/回路→變壓器中性點是一個完整的電氣回路。這個回路任意一點斷開,用電設備都不可能運轉。
          若某個區域的中性點(地電位)檢測到有電流出現,說明該區域中有電流在大地流動,也就意味著在這個區域的電網中帶電設備有漏點(電氣接地短路)。人們利用這個電氣特點,根據各種電氣故障及其短路電流電壓的分量特點,對付性研制出各種類型的電氣保護裝置,在電氣故障時及時動作電路開關切斷故障源,保護人身安全及設備安全。我們比較熟悉的家用的漏電開關就是這樣一種較為簡單的安全保護裝置:一旦出現漏電狀況,漏電開關馬上跳閘斷開電源回路以保障人身設備安全。
          2、我國電網的基本結構。
          從電壓等級來分,我國電網普遍由500千伏(特高壓以上的電壓等級不算在普遍之列)、220千伏、110千伏、35千伏、10千伏、6千伏等等網絡還有我們家用的380/220伏低壓配電網系統組成。
          這些不同電壓等級的網絡連接,靠的是各種類型各種電壓等級的變壓器中介。500千伏電壓等級的輸電線路要轉變為220千伏的輸電線路運行,就通過一個高壓側為500千伏,低壓側為220千伏的變壓器,把送入的500千伏的電壓降壓為220千伏送出。如此類推:220千伏轉變為110千伏送出、110千伏轉變為35千伏送出……直到把電壓降到最終的380伏。
          3、高鐵的供電方式
          從本質上來說,高鐵的供電方式與上述的家用電器的供電回路大致是相同的。高鐵牽引站送出的饋線(配電線路)的電壓等級為27.5千伏,不在我國傳統采用的電壓等級之列,但高鐵牽引站供電系統采用的也是中性點直接接地方式。
          高鐵的供電方式為:從電網(以220千伏變電站為例)→220千伏輸電線路→高鐵牽引站,變壓為27.5千伏輸出→27.5千伏饋線→27.5千伏接觸網→動車(動車自身還要將27.5千伏的電通過交流轉直流再轉交流、變頻變壓之后再使用)→鐵軌→回流線/大地→高鐵牽引站變壓器中性線,形成一個完整的電氣回路。見圖示二。
          高鐵是如何供電的,各供電系統之間是如何轉換的
          圖示二。
          4、動車受電
          因為關乎電能質量,所以高鐵沿途相隔約50千米便建有一個牽引站(牽引站是鐵路系統對變電站的另一種叫法)。牽引站一般配備有兩臺容量不大的專用變壓器,兩臺變壓器低壓側沒有電氣聯結。每一個牽引站負責對某一段接觸線(供電線路,即列車頭頂上的那條線)進行供電,這段接觸線稱為“供電臂”。一個牽引站里一臺變壓器的電源送給上行供電臂,一臺變壓器的電源送給下行供電臂。
          由電網送入高鐵牽引站變壓器的高壓側為220千伏的三相線,經過降壓為27.5千伏的低壓側輸出時只有兩相饋線:A、B、C三相中的任意兩相。這兩根饋線始終只有一條送電到接觸網上,另一條線作為備用。這兩條饋線的狀態是會經常轉換的。
          這樣的供電方式產生了必須要解決的兩個問題:
          A:電分相問題。
          看圖示二。丙牽引站有一個單相電源接到接觸網上,是為丙供電臂;相鄰的丁牽引站也有一個單相電源接到接觸網上,是為丁供電臂。如果丙站送的是A相電源,丁站送的是B相電源,兩個電源通過接觸網發生電氣聯系的話,后果就是嚴重的電氣相間短路故障。當然,如果大家都送的是同相電源,是不會存在問題的。但從供電的技術角度去看,上千千米的接觸線、幾十個牽引站是不能用同一相線路去供用電負荷的,反而是交換相位供電更能達到電網的運行平衡。既要換相運行,又要杜絕不同相間出現接觸的可能,所以,每個牽引站供電的供電臂都會與相鄰牽引站供電的供電臂用絕緣設備分隔開來以確保不會出現安全問題。這段沒電的線路區間叫“分相區”。
          B:雙弓問題。
          仍看圖示二。動車的車頂上與接觸網接觸取電的設備叫受電弓。動車的受電弓的受電原理與我們常見的無軌電車的兩條辮子的受電原理很相似:動車是單根線受電,回路由回流線/大地構成;無軌電車頭上有兩根線,一根受電,另一根則做回流線用。
          動車頂上有前后兩支受電弓(圖中只畫了一支),在一般情況下,動車用一支弓受電即可滿足用電要求。但在某些情況下,也會同時用上兩支弓。在“電分相問題”中說過,為了杜絕不同相的電源接觸而產生電氣相間短路問題,牽引站與牽引站的供電臂間都設置了分相區用以隔絕電氣連接的可能。分相區長度有100多米,而動車的兩支弓的距離可達200米。換句話說,就算有分相區的隔離,但當動車同時升起雙弓時,仍會出現前弓搭在丙供電臂上,后弓搭在丁供電臂上從而引致電氣相間短路的問題。所以,當動車即將通過分相區時,路旁會設有“禁止雙弓”的提示牌子提請動車司機注意按過分相區的規定進行操作。當然,動車上會有自動裝置保障列車安全通過。
          高鐵是如何供電的,各供電系統之間是如何轉換的
          動車從分相區通過時,雖然受電弓不用下降脫離接觸網,但這時的接觸網是無電可取的。動車會提前關閉車內的照明、空調電機等用電負荷,動車重要的系統則由保安電源供電,列車以慣性滑行通過分相區之后再行受電。
          完成這整個過程不超過5秒鐘,不留意就過去了。

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