专利名称：一种低频牵引供电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及交通运输领域，特别涉及一种低频牵引供电技术。
背景技术：
利用单相牵引供电系统所具有的结构简单、建设成本低廉、运用和维护方便等优点，干线电气化铁路普遍采用较高电压(27.5kV)的单相工频交流电制式，而城市地铁、轻轨和有轨、无轨电车等公共交通普遍采用较低电压的直流电制式。采用单相工频交流电制式的电气化铁路直接取电于公用电网，只使用造价低廉、运行可靠地变压器，不使用造价较高的变流装置，且有牵引功率大、运量大的显著特点，但又要产生以负序为主的对公用电网有不良影响的电能质量问题和自身的电分相(供电断点)问题等，治理难度大、成本高，同时，工频(我国为50Hz)供电中，由电抗引起的供电系统电压损失远大于由电阻引起的电压损失，显然，总的电压损失远大于直流电制式。
城市地铁、轻轨等轨道交通普遍采用较低电压(750V和1500V)的直流牵引供电，有轨和无轨电车的电压更低，它有供电电压损失小，变电所之间的牵引网可以贯通以避免供电断点等优点，但是存在杂散电流(大地迷流)，故障时直流电弧不易切断等固有问题。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金属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，治理和维护难度大、成本高，并且不能从根本上消除杂散电流及其长期腐蚀影响；直流断路器要切断直流电弧，技术难度大，机构复杂，使用寿命短，造价高，并且我国至今一直依赖进口。未来城市公共交通拥挤与污染状况将越来越严峻，增大运力、提高效率、减少污染才是解决问题的根本方法。为避免传统城市公共交通一次性能源消耗大、对城市污染严重的弊端，采用电力牵引是最现实的选择。因此，提出一种介于单相工频交流电制式和直流电制式之间的、能扬长避短的并根据自身需求可选择供电频率的低频供电制式是十分必要的，也是十分重要的。低频牵引供电系统广泛适用于城市地铁、轻轨和有轨、无轨等城市公共交通的供电。同时，由于变压器体积反比于频率，低频供电会使变压器体积增大，变得极不经济，因此，应力求避免在低频牵引供电系统中使用变压器，换言之，在公共交通车辆广泛使用以变流器为主电路的交流传动技术的今天，直接给车辆供电的低频牵引供电系统的电压因考虑变流器(变频器)的耐压水平和经济性能等因素而不会太高，一般达几千伏，但随着交通运力需求的增长和变流技术及制造技术的发展，今后可能使用更高电压以进一步增加供电能力。
发明内容
本发明的目的就是提供一种低频牵引供电系统，即一种介于单相工频交流电制式和直流电制式之间的，能对单相工频交流电制式和直流电制式扬长避短的，并根据自身需求可选择供电频率的低频供电制式；不再使用直流断路器；变频器可当作交流开关配合牵引变电所检修和牵引侧故障切除；不像直流电那样产生杂散电流和电化学腐蚀，也不像单相工频交流电那样在公用电网产生以负序为主的电能质量问题和自身存在电分相(供电断点)问题；可以把各个牵引变电所的牵引网联通实施贯通供电，并大大降低牵引网的电压损失。本发明解决其技术问题，所采用的技术方案为:一种低频牵引供电系统，由牵引变电所SS和牵引网OCS组成；牵引变电所包括牵引变压器TT和变频器UF ;牵引变压器原边三相连接公用电网PS，次边三相连接变频器UF ;变频器UF输出的牵引侧为低频单相并通过单相牵引母线BB给牵引网OCS和车辆L供电；牵引网供电频率f在5Hz和16Hz之间的某一固定频率上；各个牵引变电所的牵引网可以联通，实施贯通供电。所述单相牵引母线BB分左右二个馈线，并设馈线断路器KL和KR，实现牵引网OCS分段和列车不断电通过，牵引变电所停电检修或牵引侧故障时，关断其变频器。考虑到成本、可靠性、成熟度等方面的因素，基于1700V或3300V的IGBT电路的三电平变频器可以大规模应用，其牵引网交流电压选择在1200V-2000V左右为宜。今后，五电平的同类变频器输出的牵引网交流电压可提高到4000V。本发明的工作原理是:一种低频牵引供电系统，在牵引变电所经牵引变压器和变频器将公用电网的三相工频交流电变换为牵引侧的单相低频交流电给牵引网供电；各个牵引变电所的牵引网可以联通，实施贯通供电；牵引网供电频率f在5HZ和16Hz之间的某一固定频率上；牵引网供电频率f满足下式:牵引网故障切除时限TS(ms)=继电保护动作时间TR(ms)+半个周波λ (ms·)，即f = 500/ (TS-TR), TS>TR ;牵引变电所停电检修或牵引侧故障时，关断其变频器。例如，要求牵引网故障切除时限TS=60ms，继电保护动作时间TR=20ms，则半个周波=40ms，即选择牵引网供电频率f = 500/40=12.5Hz ;若要求牵引网故障切除时限TS=60ms,继电保护动作时间TR=IOms,则半个周波=50ms,即选择牵引网供电频率f =500/50=10Hz。换言之，半个周波是牵引网故障切除的最低时限。与现有技术相比，本发明的有益效果是:一、本发明可以克服直流电制式存在杂散电流(大地迷流)及其对沿线的金属设施产生电化学腐蚀、故障时直流电弧不易切断等固有技术问题，避免杂散电流治理费用和直流断路器的高额投入。二、本发明利用变频器的原边三相变流技术，不在公用电网产生负序和超过国标要求的谐波与无功电流；利用变频器对公用电网和牵引侧的隔离作用可以把各个牵引变电所的牵引网联通，实施贯通供电，消除工频交流电气化铁路存在的电分相及其供电断点；正常时，低频供电可大大降低牵引网的电压损失，故障时，牵引网的电抗可减小短路电流及其对供电设备的冲击。三、本发明的变频器可以与牵引侧的断路器配合使用，用于牵引变电所检修和牵引侧故障切除；变频器的寿命与其开关(导通与关断)次数无关，动作速度快，寿命长，维护成本低。四、本发明的牵引网实施贯通供电，车辆制动时的再生能量可以被牵引车辆利用或就近返回公用电网，节能效果好，绿色环保。五、本发明可广泛用于城市地铁、轻轨和有轨、无轨等城市公共交通，适应性好。
六、该系统技术先进、可靠，操作方便，运行费用低，便于实施。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是本发明实施例的低频牵引供电系统结构示意图。图2是本发明实施例的三电平变频器结构示意图。图3是本发明实施例的单相一线一地式牵引供电系统结构示意图。图4是本发明实施例的单相双线式牵引供电系统结构示意图。
具体实施例方式实施例图1是本发明实施例的低频牵引供电系统结构示意图。所采用的技术方案包括牵引变电所SS和牵引网0CS;牵引变电所SS从公用电网PS取得电源，经三相交流开关MK连接到牵引变压器TT原边，再经牵引变压器TT次边的低压三相交流开关LK连接到变频器UF,变频器UF输出的牵引侧为低频单相并通过单相牵引母线BB给牵引网OCS和车辆L供电，单相牵引母线BB分左右2个馈线，并设馈线断路器KL和KR，实现牵引网OCS分段，以便检修和隔离故障。本发明的工作原理是:在牵引变电所经牵引变压器和变频器将公用电网的三相工频交流电变换为牵引侧的单相低频交流电给牵引网供电；牵引网供电频率f在5Hz和16Hz之间的某一固定频率上，且满足下式:牵引网故障切除时限TS(ms)=继电保护动作时间TR(ms)+半个周波( ms), BP f = 500/ (TS-TR)，TS>TR ;例如，要求牵引网故障切除时限TS=60ms,继电保护动作时间TR=20ms,则半个周波=40ms,即选择牵引网供电频率f =500/40=12.5Hz ;若要求牵引网故障切除时限TS=60ms，继电保护动作时间TR=IOms,则半个周波=50ms,即选择牵引网供电频率f = 500/50=10Hzo换言之，半个周波是牵引网故障切除的最低时限。各个牵引变电所的牵引网可以联通，实施贯通供电，见图3、图4。牵引变电所SS停电检修或牵引网故障时，关断其变频器UF，再令相关馈线断路器KL或KR分闸。图2是本发明实施例的牵引变电所的三电平变频器结构示意图。在牵引变电所内，牵引变压器TT次边经三相串联电抗器(可与牵引变压器的漏抗合并)与变频器UF连接，变频器UF通过三相全桥整流得到直流电流，再通过逆变得到5到16Hz的低频单相交流电输出到牵引网；变频器UF的牵引侧连接有单相串联电抗器。论证表明，考虑到成本、可靠性、成熟度等方面的因素，基于1700V或3300V的IGBT电路的三电平变频器可以大规模应用，其牵引侧的牵引网交流电压选择在1200V-2000V左右为宜。今后，五电平的同类变频器输出的牵引网交流电压可提高到4000V。图3是本发明实施例的单相一线一地式牵引供电系统结构示意图，此处以3个牵引变电所为例示出。相邻的牵引变电所之间设置分区所SP，K12、K23分别为分区所SPl和SP2内断路器，断路器Κ12、Κ23平时处于闭合状态，以将各个牵引变电所的牵引网联通，实施贯通供电。当牵引变电所SSl与分区所SPl之间的牵引网发生接地故障时，先关断牵引变电所SSl的变频器UF1，再令牵引变电所SSl的馈线断路器KRl与分区所SPl的断路器Κ12分闸，切除故障，然后开通变频器UF1，恢复无故障区间的正常供电。
单相一线一地式供电方式广泛应用于地铁、轻轨和有轨电车的供电，即由接触网与回流轨(地)组成牵引网。优点是牵引网结构简单、节约投资、便于维修，缺点是一旦人体接触将与接触网和回流轨(地)构成回路，安全隐患大，因此，常用封闭线路，无关人员不得入内。图4示出，本发明实施例的单相双线式牵引供电系统结构示意图，仍以3个牵引变电所为例不出。相邻的牵引变电所SS之间设置分区所SP, Kll与K12为分区所SPl内的断路器，K22与K23分区所SP2内的断路器，Kll与K12、K22与K23平时处于闭合状态，以将各个牵引变电所的牵引网联通，实施贯通供电。当牵引变电所SSl与分区所SPl之间的上行(或下行)牵引网发生接地故障时，先关断牵引变电所SSl的变频器UF1，再令牵引变电所SSl的上行(或下行)馈线断路器KRll (或KR12)与分区所SPl的上行断路器KL21 (或KL22)分闸，切除上行(或下行)故障，然后开通变频器UF1，恢复无故障区间的正常供电。单相双线式牵引供电方式广泛用于无轨和有轨电车的供电，即由双电车线(接触网)组成牵引网。优点是双电车线之间及双电车线与地之间都相互绝缘，一旦人体触及，尚不会使人体在电车线与地之间形成回路，安全性能好；缺点是牵引网结构复杂，维护麻烦。适用于人员容易接触的城市公共交通 。
权利要求
1.一种低频牵引供电系统，其特征在于:低频牵引供电系统由牵引变电所SS和牵引网OCS组成；牵引变电所包括牵引变压器TT和变频器UF，牵引变压器原边三相连接公用电网PS,次边三相连接变频器UF ;变频器UF输出的牵引侧为低频单相并通过单相牵引母线BB给牵引网OCS和车辆L供电；各个牵引变电所的牵引网可以联通，实施贯通供电；牵引网供电频率f在5Hz和16Hz之间的某一固定频率上。
2.根据权利要求1所述的一种低频牵引供电系统，其特征在于:牵引网供电频率f由下式得到:牵引网故障切除时限TS(ms) =继电保护动作时间TR(ms) +半个周波(ms)，即f =500/ (TS-TR)，TS>TR。
3.根据权利要求1所述的一种低频牵引供电系统，其特征在于:所述单相牵引母线BB分左右二个馈线，并设馈线断路器KL和KR，实现牵弓丨网OCS分段和列车不断电通过，牵引变电所停电检修或 牵引侧故障时，关断其变频器。
全文摘要
本发明公开了一种低频牵引供电系统，由牵引变电所、牵引网组成；牵引变电所包括牵引变压器和变频器；牵引变压器原边三相连接公用电网，次边三相连接变频器；变频器输出的牵引侧为单相并通过单相牵引母线给牵引网供电;牵引网供电频率ｆ满足下式牵引网故障切除时限TS(ms)=继电保护动作时间TR(ms)+半个周波λ(ms)，即f＝500/(TS-TR),TS>TR，且在5Hz和16Hz之间；各个牵引变电所的牵引网可以联通，实施贯通供电；牵引变电所停电检修或牵引侧故障时，关断其变频器，再动作相关断路器。低频牵引供电系统广泛适用于一线一地的地铁、轻轨和有轨电车供电和双电车线的无轨电车供电，便于实施。
文档编号B60M3/00GK103241138SQ201310143530
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月24日 优先权日2013年4月24日
发明者李群湛, 舒泽亮, 刘炜, 于松伟, 李子晗, 张丽艳, 李亚楠, 周阳, 郭蕾 申请人:西南交通大学