电气化铁路牵引供电系统的研究与分析

摘 要：电气化铁路具有运量大、速度快、运费低、能耗较低、受自然影响小等优势，是当前铁路发展的主要方向。与此同时，由于电气化铁路牵引的负荷非常大。因此在整个电网中，电气化铁路本身所具有的移动性和波动性便成为对电网接入点造成影响的主要原因。就电气化铁路负荷的特点，分析电气化铁路对整个电网所产生的影响，并总结现有应对措施提出了意见及建议。

关键词：牵引供电系统 电力机车 治理措施 优化设计

中图分类号：TM714 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）005-022-03

世界上第一条高速铁路于1964年第一次自1964年在日本新干线运营。自此以后，由于高速铁路自身所具有的优势（如较大的运输吞吐量、方便舒适的乘车环境以及综合能效高等），这一新兴的运输方式逐渐被越来越多的国家重视起来。就目前全球铁路运输的发展来看，电气化运输已经成为未来铁路运输发展的趋势之一。因而，电气化铁路发展的水平就成为本国运输技术水平的重要标志。其中，最具代表性的当属法国在1981年建成的TGV高速铁路及1991年实现全线通车的德国ICE高速铁路。至此以后，意大利以及亚洲的韩国的高速电气化铁路也相继建成并投入运营。

对于我国的铁路发展而言，本世纪的前20年不得不说是对我国高技术铁路发展最为重要的时期。也正是在这一时期，我国构思已久的高技术铁路网计划得以付诸实践。这一计划的主要目的是截至2020年，我国境内铁路运输总里程要达到10万公里。其中，主要的繁忙运输路线要实现客运和货运分线，且复线吕和电气化水平要超过总线路的一半以上。另外，为了满足我国经济发展和各方面的需求，上述涉及到的技术水平和各项指标均要求达到或接近国际同类型行业的先进水平。此外，在“四纵四横”规划体系中，要求省会和大中城市之间必须建立专属的告诉客运直通车。这就要求三个国际性城市的专属客运系统专线里程要超过1.2Km以上，铁路运输时速要达到或超越200Km/h。通过多年的调研以及相关技术攻关，终于在2008年8月1日，我国第一条高速现代化铁轨在京津段实现通车并投入使用。这一高铁的时速达到了惊人的350公里，毋庸置疑我国京津段高速铁路的建成通车使得我国跻身于高速铁路技术世界先进的行列。

纵观世界高速铁路电气化的进程，其动力车头无外乎分交-直型和交-直-交型。由于电气化机车的电能载荷较为特殊，电力机车对电网的影响以及其运行状态越来越受到铁道部门和电力部门的关注。在运行过程中由于电力机车是一种波动性很大的单相负荷。因此，在运行中产生的逆序和谐波便通过牵引变电站直接注入电网系统。然而，上述电气化机车所产生的负序和谐波会直接影响我国电力系统工作的稳定性。所以电力机车在工作中所产生的各种负荷及其产物受到了各国政府及相关机构的重视。

针对我国的电气化铁路进程而言，我国的高速铁路主要是以高速车头为主。但是由于经济发展对此类技术的要求越来越高，此时对铁路运输系统的速度以及载重也要求的越来越苛刻。鉴于交-直型高速动车组的优势而言，目前对这两种铁路机车负荷的研究工作也已日益增多。

因此，本文就电气化铁路负荷对电力系统的影响以及其自身的特点等多方面就电能质量的综合利用进行分析。

1 电气化铁路和供电方式

1.1 牵引系统的供电方式

对于各国所发展的高速铁路而言，高铁所涉及的供电牵引系统主要由变电站和接触网两大部分组成。二者协调运作最终保证了牵引供电系统的变电，配电以及送电工作。

作为系统中的核心组成部分，牵引变电所的职能是要将国家电网输入的三相高压电转换为能够和电力机车输入端相吻合的电能。在完成上述操作后，变电站还需要将经过转换的电能输入到接触网以便电力机车供电模块调用。在上述功能的实现中，变电站所涉及的电气部件可谓是“五花八门”，“种类繁多”，其中最常见的有变压器、继电器、电能传输母线等。

为了使得高压变电后的电能可以被电力机车供电模块所调用，接触网便成为了连接牵引变电机构和机车供电系统的桥梁。显而易见，接触网的电力负荷直接影响高速机车的运行速度及负荷能力，但对于输电系统来说线路负荷时静止的。在如此之多的因素共同作用下，铁路线路的可靠性便显得尤为重要。因此在设计接触网的时候，满足电力机车弓网耦合和减小运行中接触网与弓网的机械振动和冲击便成为了主要的设计指导思想。

作为变电站与电力机车直接联系的桥梁，接触网的机械组成部分主要包括：悬挂支撑模块接触网主要由接触悬挂、定位装置等。

1.2 供电电压

根据我国电网的设置，我国电气化铁路牵引采用单相50Hz交流制。通过电网输出的110kV或220kV的双电源或双回路为牵引变电站供电。此外，在牵引变电站通过变压器降压等程序分相介入铁路上方的接触网为电力机车提供能源。就一般而言，变电系统为机车母线提供的额定电压为25KV，不难看出，与之配合使用的基础网、动力机车等采用的额定电压也为25KV。然而在我国广泛使用的外部电源等级为110KV。直到哈尔滨至大连的高速铁路建成以后，我国220KV级的铁路线才陆续建成。值得一提的是，我国今年来所新修的线路大多是使用220kV外部供电这一模式来运行的。

1.3 接触网

所谓接触网是指为动力机车直接提供与之相配套电源等级的动力供电网络。想象的说就是动力机车族在通过受电弓接触电网后获得其运行所需的电能。接触网在电气化铁路中的应用形式有很多，比如直接供电方式、允许回流的直接供电模式等等。以往我国的电气化高速铁路主要是采用BT方式供电，然而随着普通铁路相继采用这一模式后，目前我国主要采用的供电方式转为供电臂较长的AT供电方式。

1.4 牵引变压器接线方式

在我国，主要采用V/V接线法YNd11接线法和SCOTT接线法这几类牵引变电器的接线方法。其中：SCOTT接线和阻抗匹配平衡接线属于平衡变接线。

单相变由于接线方法简单、高可靠性、利用率高等优势，往往配合AT供电方式的方案会作为铁道部门的首选。利用这一方式，可以大幅度的增加牵引供电半径且降低了大部分的运行成本与工程造价。然而，对于其他的供电方式来说，采用单相变的供电系统的负序电流概率最大。当两供电臂的电力负荷相等时其不对乘系数为1。因此这一类供电方式给电力系统带来的负面影响也最为明显。

V/V接线（V形接线）。此法通常采用2组单相变压器组成一个开口的三角形。再起高电压一侧，采用三相高压输入。此类接线是指采用2台单相变压器连结成开口三角形。在其高压侧，则采用 3相供电。采用这一方式的供电系统在容量利用方面可以达到惊人的100%。此外在工作过程中V型接线还可以使得负序容量降低至正序的一半左右。显而易见，相比较于单相接线法而言，这一接线方式可以在很大程度上减轻动力机车对电网的不利影响。此外由于其对容量的充分利用，还从根本上避免了设计上带来的容量冗余等问题。

YNdl1接线方式属于标准的连接方式。在这一连接方式下，变电器实质上起着两个单相负荷的作用。器二次侧相当于两个单相负荷，由于在运行过程中两个负荷相对独立，从而造成了电流在传输过程中的不对称。因此这种接线方式的应用在一定程度上也收到了限制。

2 电气化铁路对电网的影响

采用单相供电和整流的电气化系统在使用时往往会对电网造成一定负面的影响。如单相供电往往使得三相负载严重失衡，常常由此产生的负序电流进入供电网络后会使得牵引模块负荷的频繁变化产生电流冲击。长此以往，系统的供电质量会严重下降。在上述作用的影响下，电机和变压器内部产生的附加损耗会导致整体发热量变大。在浪费资源的同时也严重的影响了系统工作的稳定性和可靠性。另外，这一结果还会导致通信设备的工作受到严重干扰，导致相关设备的保护机制频繁启动或失效。

3 应对措施

通过国外同行在这一领域的应对措施及相关经验，为了避免上述谐波和负序电流造成的危害，在设计施工时的主要应对方案应该从供电方式的优化与功率补偿两个方向入手。

3.1 优化牵引供电方式

就一般而言，我国铁路供电系统在接入时除了采用换相接入模式外，常常还采用接入高能的外部电源。为对于牵引变压器的选择，应当在配合整个电力系统负荷的前提下减少客户端对其造成的影响，从而实现资源的优化配置。如上所述，在半年氩气的选用方面，需要优先考虑可以减小三相失衡的稳压变压器。

3.2 无功补偿装置

对于无功需求较大的牵引站而言，常常需要在电网返送无功时对其进行动态补偿。这部分的硬件补偿装置主要是由单相固定（自动跟踪）和三相动态无功补偿兼滤波装置等硬件模块组成。

4 结束语

作为高耗能行业，毋庸置疑，铁路电网的电力需求增长点对于地方经济都是至关重要的。因此不难看出，强大的电力系统为电气化铁路的安全运行提供了强有力地保障。为此，对于负序电流的治理还需要加大投资力度。

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