高速铁路牵引供电系统运行方式研究

【摘 要】随着我国社会经济的快速发展，高速铁路工程也有了一定的发展空间，由于其工程的特殊性，要对高速铁路牵引供电系统的运行方式进行分析研究，从而能够确保整个铁路的安全运行以及企业的稳定发展，为提高我国的经济建设作出贡献。

【关键词】经济发展；高速铁路；供电系统

引言

高速铁路行车密度高，动车组功率大，与普通铁路相比，牵引供电系统的电能输送需求成倍地增长。牵引网正常情况下采用了全并联的供电方式，以提高接触网电压水平延长供电距离兼顾降低电能损耗。这种方式的缺点是系统结构复杂，故障发生的几率相对较高。而高速动车组均为全封闭车体，供电中断时间过长将对车内乘客的人身安全造成隐患，因此对于高速铁路牵引供电系统来讲，除了满足正常运行方式下供电的安全和可靠之外，必须兼顾灵活性要求，保证其在故障、应急等特殊工况下都能可靠供电。

1、高速铁路牵引供电特点

高速铁路牵引供电负荷容量大，具有冲击性、波动性、不平衡性、强非线性等显著特点，这使高速铁路牵引供电负荷与公用电网之间产生严重的相互影响，成为高速铁路安全可靠、高效优质运行需要解决的重要技术问题。高速铁路牵引负荷大、行车密度高，运行安全性和可靠性要求高，对公用电网的供电容量、供电品质、供电可靠性等方面的要求远高于普速电气化铁路。由于牵引变电所的负荷大，且1个区段内的多个牵引变电所一般属于同一区域性或地方公用电网，从而使高速铁路牵引供电负荷对公用电网、尤其是电力系统受端电网的冲击，远大于普速电气化铁路。

2、高速铁路牵引供电技术现状

2.1高铁牵引供电运行可靠性现状分析

随着高速铁路与人们的日常生活和我国的经济发展及社会的进步关系愈来愈密切，大家更加关注高速铁路是否能安全稳定可靠。在2004年，我国首先进行并且初步完成了大多运行高速铁路所使用的接触网的RAMS深入分析研究工作；而自2008年后，原铁道部更全面的开展了关于高速铁路接触网是否具有可靠性、牵引供电是否符合牵引供电安全的研究。深入研究接触网是否能可靠运行，这一系列关于高速铁路牵引供电安全技术的课题研究，首先在理论上及技术上给予了高速铁路牵引供电安全方面起到了很好的保障作用。并且将高速铁路上每百条公里范围内的可用性目标都纳入了高铁工程建设的承包合同条款，以此来在实践应用中深刻满足人们对接触网的可靠性是否达到标准。目前，我国的高铁接触网可靠性达到了99.95%。可用性目标达到了0.98的成绩。这种成绩在国际高铁领域可谓都是遥遥领先，极大的避免了高铁接触网的事故发生率。

2.2目前供电安全技术现状

原铁道部在开展高铁技术研究的同时，就同步开展牵引供电技术研究工作。牵引供电技术实验也有着焦点和难点，那就是最关乎速度的弓网动力学理论如何创新以及如何全面的实践。首先我国在京津城际的高铁牵引供电实施时，率先引进了国外的SicatH1.0接触网的技术。随后各大主要城市高铁实施中，以武广高速铁路为代表，参照最新国际技术标准，重点借鉴欧洲高速铁路接触网工程建设经验，采用高速接触网系统SiFCAT350方案。而随后的上海、杭州及北京的主线城市等高铁更是将弓网关系的试验速度延长到了每小时400km。而最初高铁运行的几个主线，如合肥至武汉，武汉至广州等经过三年多时间的安全运行向人们表明了每小时250km及每小时350km的标准速度，以我国的技术完全可以做到保证接触网和牵引供电方案技术的安全可靠性，达到了实现高速时持续稳定运行的目标。而此种变现也显示了中国装备的接触网安全保障系统，跟上并很好的完成了将国外先进技术国产化的目标。而在主要技术方面，也符合了国家为高铁运行安全所制定的众多暂行条例。电气化接触网工程系列，如工程设计标准图，各种施工验收规范等系统性文件逐步发布实施，展现了我国已初步完成了高铁牵引供电技术体系的总体建设目标和方向。

3、高速铁路牵引供电系统中的常见性问题

3.1负序电流

由于我国采用的单相供电方式，电力系统因为这种不对称的供电方式而产生负序电流。负序电流会对电力系统产生一系列危害。比如变压器的容量利用率下降并且产生不必要的损耗，造成变压器铁芯磁路出现附加发热的情况；影响以负序分量启动的继电保护装置的正常运行；降低异步电机的运行效率以及稳定性；使发电机转子温度不正常升高，导致机组振动。

3.2无功功率失衡

无功功率是相对有功功率而言的。在电力系统中，用于做功而被消耗掉的能量成为有功功率，而另一部分对外部电路没有做功的能量就成为无功功率。虽然无功功率对维持电力系统的正常运行是必不可少的，但是无功功率失衡仍然会引起一系列问题。无功功率是建立磁场的必要条件，无功功率缺乏会影响电动机、变压器等设备的正常运转，严重时无功甚至会导致电压崩溃事故的发生，引起电网大面积停电。但是无功功率过多也会造成很多不必要的损害，比如增加各类用电设备的发热程度；降低变送电设备有功输出的容量；电流增大导致发电机、变压器以及其他电气设备和导线的容量增加。

3.3谐波电流

谐波产生的主要原因是电流波形的畸变。对于电力系统而言，谐波会破坏供电系统的稳定运行。高次谐波的影响会增加供电系统中继电器和微机保护的误动作几率；谐波的注入会使电容异常发热或者加快电容器绝缘介质的老化，缩短电容的使用寿命。谐波的存在还会对其他设备造成不利影响，比如增大异步电机电动的噪声，干扰电力电子计量设备的准确性，扰乱低压开关设备的正常运转。

3.4接触网电分相

在两相供电的情况下，为了维持电力系统的平衡，牵引变电所会采取三相进线换相连接措施，这会在27.5kV侧接触网出现电分相环节。电分相环节会影响高速铁路受流情况不稳定。

4、AT供电方式在高速电气化铁路中的应用

4.1变压器的接线方式

变压器是利用电磁感应原理来改变交流电压的装置，其主要功能有电压变换、电流转换等。在高速电气化铁路供电系统中，为了保障供电安全，首先确定的就是变压器的接线方式。高速电气化铁路牵引变电所要求在采用供电方式满足列车供电的稳定性、可靠性、安全性的同时，要尽量采用简单的接线方式，为以后的检修工作提供便利。在AT供电方式中，常用的接线方式有单相V/V接线、三相V/V接线两种。单相V/V接线方式是将两个电压互感器高压侧首尾相连，相连处接B相，A端接A相，X端接C相，二次侧相对应的引出二次电压，并在B相接地，用于测量三相相电压。三相V/V接线变压器是由两台单相变压器装在一个箱体内组成的V/V接线变压器。三相V/V接线第一个单相电压互感器的高压引出端A接电源A相，第一个单相电压互感器的高压引出端X与第二个单相电压互感器的高压引出端A按在一起，接到电源B相，第二个单相电压互感器的高压引出端X接到电源C相。单相V/V接线牵引变压器结构简单，电能损耗较细小，运营费用低，维护工作也简便，但是同样也存在一定的缺点，就是安装量过大，变电设计难度较大。三相V/V前因变压器可以按相进行调节，调压幅度大，有着较大的灵活性，在电气化铁路中可以节省成本的投入。

4.2牵引网结构

在我国当前高速电气化铁路供电系统中所引用的AT牵引网结构大多为全并联的牵引网，列车运行的安全性是高速电气化铁路牵引供电系统的首要任务，AT供电方式，是在牵引供电系统中加装吸流变压器和回流线，减轻了接触网对邻近通信线路的干扰。有效地保障了列车运行的安全性，为列车运行提供了电能保障。AT供电方式的牵引网阻抗较小，当列车高速运行时，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。线路电流为负载电流的一半，所以AT供电牵引网能够减少高速电气化铁路牵引供电系统中电流以及电压的损失。同时AT供电方式中带回流线的直接供电方式，是在接触网同高度的外侧增设了一条回流线，减轻了接触网对邻近通信线路的干扰。

4.3牵引供电系统的保护

在高速电气化铁路供电系统中，牵引供电系统的稳定性、安全性对于高铁列车的运行来说有着重大影响。目前我国高速电气化铁路供电所采用的为AT供电方式，在牵引供电系统保护中，AT供电方式的运用主要体现在以下几点。

（1）故障检测

牵引供电系统的复杂性使得其出现故障后的检修工作较为困难。AT供电方式采用全并联牵引网结构，在变压器中采用三相V/V接线，当故障发生时，变电所中的电闸能够自动断开电路，AT自耦变压器上所通过的电流值就会被引向统一电臂上的牵引所，并与其牵引变电所的馈线对通过的电流值进行计算，得出故障接触网故障点的距离，从而供电系统再将信息反馈到值班台，为维修人员提供便利，为供电系统的安全运行提供保障。

（2）变电所的保护

变压器保护主要用于牵引变压器内部、外部故障及超出允许范围内的过负荷保护。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，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。AT供电方式的供电电压高、线路电流小、阻抗小、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。在AT供电系统中，变压器利用微机保护，供电出现故障时，系统就会发出警报，并自动断开电路闸关。自耦变压器的本体保护，设有重瓦斯保护，差动保护和过电流保护等；保护动作将使断路器跳闸并作用于事故信号；设有轻瓦斯保护、压力保护和过热保护等，保护动作将作用于预告信号。

结束语

高速铁路供变电系统中的设备一旦投运，就处于服役状态，牵引供电系统中的服役设备不可避免地会发生各种各样的故障，未来随着行业内对牵引供电系统设备服役性能及检测技术的研究，不断地完善及深化研究，必将起到为我国腾飞的高铁事业保驾护航地作用。

参考文献：

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