鐵道電氣化技術(shù)常見(jiàn)問(wèn)題及解決對(duì)策

中鐵十二局集團(tuán)電氣化工程有限公司 張 勇

1.什么是鐵道電氣化技術(shù)以及我國(guó)應(yīng)用電氣化鐵道的情況

鐵道電氣化技術(shù)主要是對(duì)鐵道電氣化設(shè)備進(jìn)行維護(hù)管理以及應(yīng)用開(kāi)發(fā)，以適應(yīng)電氣化鐵路供電系統(tǒng)及其裝置的設(shè)計(jì)、運(yùn)輸與施工技術(shù)管理。我國(guó)應(yīng)用鐵道電氣化技術(shù)至今已經(jīng)有四十年的歷史，我國(guó)電氣化鐵路目前采用的是工頻單相交流電力牽引制，將國(guó)家電力系統(tǒng)輸送的電能以電能牽引供電設(shè)備變換為適合電力機(jī)車(chē)使用的形式，所以電氣化鐵路的兩大主要裝備就是牽引供電設(shè)備和電力機(jī)車(chē)，鐵路上的基礎(chǔ)設(shè)施和其他裝備都是為了配合這兩種設(shè)備的使用。牽引供電系統(tǒng)就是把電力系統(tǒng)的電能傳送給電力機(jī)車(chē)的電力裝置，又名電氣化鐵路的供電系統(tǒng)，兩大組成部分是牽引變電所和接觸網(wǎng)。牽引變電所的任務(wù)是將電力系統(tǒng)三相電壓降低，將電力系統(tǒng)輸電線(xiàn)路電壓從110kV（或220kV）降到27.5kV，同時(shí)以單相方式饋出將電能送至接觸網(wǎng)，降低電壓是由牽引變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它是牽引變電所的“心臟”；接觸網(wǎng)是沿鐵路沿線(xiàn)架設(shè)的特殊電力線(xiàn)路，電力機(jī)車(chē)升弓后便可通過(guò)與之滑動(dòng)摩擦接觸而取得電能，用以牽引列車(chē)。

在供電方式上我國(guó)均采用單邊供電方式，主要包括直接供電方式簡(jiǎn)稱(chēng)TR供電方式，目前有BT、AT和DN供電方式；吸流變壓器（BT）供電方式；自耦變壓器（AT）供電方式；直供+回流（DN）供電方式。在復(fù)線(xiàn)區(qū)段還可以提高末端網(wǎng)壓，將上下行接觸網(wǎng)通過(guò)分區(qū)亭聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)“并聯(lián)供電”，如果牽引變電所發(fā)生故障，相鄰變電所還可進(jìn)行“越區(qū)供電”，我國(guó)的電氣化鐵路多數(shù)采用可控硅整流器電力機(jī)車(chē)，這種機(jī)車(chē)不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牽引性能好、運(yùn)行可靠、維修方便，而且各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)較高。目前，國(guó)產(chǎn)主型電力機(jī)車(chē)為SS（韶山）型，SS1、3、4、6、6B、7和7B型均為客貨兩用型，近年來(lái)隨著列車(chē)提速和高速鐵路的發(fā)展，研制開(kāi)發(fā)了SS7C、7D、7E、SS8和SS9型客運(yùn)電力機(jī)車(chē)，以及DJ型（交—直—交）客運(yùn)電力機(jī)車(chē)。此外，我國(guó)還先后引進(jìn)過(guò)法（6Y、6G、8K）、日（6K）、德（DJ1）和前蘇聯(lián)（8G）等國(guó)的電力機(jī)車(chē)。

2.鐵道電氣化技術(shù)常見(jiàn)的問(wèn)題

2.1 電分相方面

(1)由于我國(guó)列車(chē)速度大幅提高，因此在電氣化鐵路普遍采用的是錨段關(guān)節(jié)式電分相，而不是傳統(tǒng)的器件式電分相，關(guān)節(jié)式電分相的絕緣錨段分為三跨、四跨和五跨三種形式，由于每個(gè)關(guān)節(jié)跨距的長(zhǎng)短不一樣，因此用來(lái)銜接兩個(gè)關(guān)節(jié)的布置也不相同，關(guān)節(jié)式電分相也包括了五跨、七跨、八跨等等多種形式，關(guān)節(jié)式電分相的共同特點(diǎn)就是組成部分都是兩個(gè)絕緣錨段關(guān)節(jié)和一段接觸網(wǎng)中性區(qū)，電氣絕緣的實(shí)現(xiàn)條件是在空氣絕緣間隙實(shí)現(xiàn)的，因此列車(chē)在運(yùn)行到關(guān)節(jié)式電分相的時(shí)候，乘務(wù)員就必須要將機(jī)車(chē)主斷路器斷、合電操作以及將其他受電弓下降，在高速列車(chē)運(yùn)行中需反復(fù)操作，這樣會(huì)加強(qiáng)乘務(wù)員的勞動(dòng)強(qiáng)度，一旦遺忘或疏忽，就會(huì)造成接觸網(wǎng)相間短路，形成供電事故，運(yùn)輸中斷。

(2)在機(jī)車(chē)高速運(yùn)行的過(guò)程中，升降受電弓會(huì)對(duì)接觸網(wǎng)的安全運(yùn)行造成威脅，發(fā)達(dá)國(guó)家以增加高速機(jī)車(chē)的中性區(qū)長(zhǎng)度來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，整列電動(dòng)車(chē)組兩手電弓的距離小于允許多弓運(yùn)行的最小距離。但我國(guó)由于路網(wǎng)不發(fā)達(dá)，客貨混運(yùn)、高低速列車(chē)混跑的情況并不少見(jiàn)，如果采用較長(zhǎng)的電分相中性區(qū)，會(huì)同時(shí)影響高低速列車(chē)的運(yùn)行速度，而且，即使采用較長(zhǎng)的電分相中性區(qū)，有時(shí)也會(huì)發(fā)生電力機(jī)車(chē)停在分相無(wú)電區(qū)的情況。

2.2 供電方式方面

(1)我國(guó)應(yīng)用最廣泛的供電模式是自耦變壓器(AT)供電模式，受列車(chē)運(yùn)行位置影響，為了降低絕緣標(biāo)準(zhǔn)，從55kV降低到27.5kV，這種供電模式雖然省卻了一套設(shè)備容量，卻失去了牽引網(wǎng)的供電能力和防護(hù)干擾能力。AT模式的導(dǎo)線(xiàn)截面相同而且邊界為最大載流，假設(shè)日本模式供電能力為1，直供方式為0.5，而AT模式則介于二者之間，一個(gè)供電臂中的AT段越少，供電能力損失越顯著。

(2)當(dāng)發(fā)生接觸網(wǎng)T與負(fù)饋線(xiàn)F短路，如果牽引變電所出口的接觸網(wǎng)斷路器與負(fù)饋線(xiàn)斷路器也是聯(lián)動(dòng)的而不是同時(shí)跳開(kāi)，在短時(shí)間內(nèi)，先跳開(kāi)的斷路器就會(huì)承受55kV電壓。如果另一個(gè)出口斷路器拒動(dòng)，那么，另一個(gè)斷路器就會(huì)長(zhǎng)時(shí)間的承受55kV電壓。而且為了適應(yīng)AT模式的軌一地接線(xiàn)要求，牽引變壓器次邊不但需要引出中間抽頭，而且兩組繞組還需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)和容量?jī)?yōu)化，設(shè)計(jì)制造難度和造價(jià)都增加了。

2.3 牽引供電系統(tǒng)方面

(1)由于變壓器、牽引電機(jī)以及電力電子器件的非線(xiàn)性和非線(xiàn)性調(diào)節(jié)，同時(shí)電力機(jī)車(chē)的基波電流滯留后電壓一定的角度，因此機(jī)車(chē)的電流中有大量的諧波成分，這些諧波在三相供電系統(tǒng)中不對(duì)稱(chēng)分布，時(shí)間性和隨機(jī)性很強(qiáng)，導(dǎo)致了無(wú)功功率和諧波電流的存在，使得變壓器、電力線(xiàn)路以及旋轉(zhuǎn)電機(jī)的附加損耗加大，引起局部過(guò)熱，金屬疲勞和機(jī)械損壞，縮短設(shè)備的使用壽命，在串聯(lián)和并聯(lián)諧波比例比較高的牽引變電站附近發(fā)生電網(wǎng)和電容器組的并聯(lián)諧振，造成電容器組的損壞，使得繼電器出現(xiàn)頻繁發(fā)動(dòng)，誤動(dòng)、拒動(dòng)等現(xiàn)象，為了彌補(bǔ)無(wú)功功率對(duì)電力系統(tǒng)的損失，鐵道部門(mén)每年都要支付大量的額外費(fèi)用給電力部門(mén)。

(2)牽引變電所采用單向聯(lián)接、單相V形聯(lián)接和Y，d-11這三種基本接線(xiàn)方式時(shí)，會(huì)在三相電力系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)序電流，除了會(huì)產(chǎn)生無(wú)功功率，還會(huì)降低變壓器的額定輸出功率，運(yùn)行效率低，引起旋轉(zhuǎn)電機(jī)的附加發(fā)熱和振動(dòng)，對(duì)安全運(yùn)行造成危害，而且負(fù)序電流流過(guò)電力系統(tǒng)時(shí)，不僅占用輸電系統(tǒng)的容量，還會(huì)造成電能損失，電氣化鐵道產(chǎn)生的大量負(fù)序侵入時(shí)會(huì)導(dǎo)致以負(fù)序電流或負(fù)序電壓為動(dòng)作條件的繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，引起供電中斷。

3.鐵道電氣化技術(shù)常見(jiàn)問(wèn)題解決方案

3.1 電分相問(wèn)題的解決方案

通過(guò)研究法國(guó)、日本德國(guó)的電氣化鐵路運(yùn)行，我們可以知道四跨、五跨絕緣錨段關(guān)節(jié)都可以滿(mǎn)足列車(chē)的高速運(yùn)行，因此要在200m的范圍內(nèi)布置三個(gè)絕緣錨段關(guān)節(jié)，跨距長(zhǎng)度為31m，采用四跨絕緣關(guān)節(jié)，4#，6#支柱采用兩根支柱，錨段關(guān)節(jié)隔斷絕緣子采用直徑小的有機(jī)絕緣子，移至跨中距定位點(diǎn)10m處，將5#支柱處的錨段設(shè)計(jì)成小錨段，做成硬錨，在電分相區(qū)域以外的錨段另一端安裝補(bǔ)償裝置，采用三跨絕緣錨段關(guān)節(jié)方式布置，轉(zhuǎn)化跨長(zhǎng)度大于45m以保證受電弓高速取流的穩(wěn)定，控制轉(zhuǎn)化跨距內(nèi)接觸線(xiàn)的坡度。

3.2 供電方式問(wèn)題的解決方案

對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)置加強(qiáng)導(dǎo)線(xiàn)提高供電能力。當(dāng)一個(gè)供電臂中的AT段較少時(shí)，為了避免AT供電方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜的固有缺點(diǎn)，可以適當(dāng)考慮采取直供+加強(qiáng)線(xiàn)或直供+加強(qiáng)線(xiàn)+回流線(xiàn)方式，也可以利用新提出的AT供電模式，牽引變電所內(nèi)不設(shè)AT，把AT布置在線(xiàn)路上，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)，節(jié)約投資，牽引變壓器也不需中間抽頭，可很大程度簡(jiǎn)化牽引變壓器的制造難度，同時(shí)，省去了牽引變電所的軌一地回流線(xiàn)布置，增加供電能力，延長(zhǎng)供電臂，減少電分相數(shù)目。出于安全考慮，出口斷路器絕緣仍應(yīng)采用55kV的電壓絕緣等級(jí)設(shè)計(jì)。斷路器斷口電壓?jiǎn)栴}也可以得到很好地避免。開(kāi)關(guān)的絕緣等級(jí)更高，但工作電流比AT模式小，在相同的供電能力下，新模式要求牽引變電所的母線(xiàn)、饋線(xiàn)的導(dǎo)線(xiàn)截面更小，有助于省掉設(shè)置于大運(yùn)量線(xiàn)路首個(gè)AT段的加強(qiáng)線(xiàn)，更有利于接觸網(wǎng)懸掛的輕型化。

3.3 牽引供電系統(tǒng)問(wèn)題解決方案

(1)改善機(jī)車(chē)的性能，盡量減少諧波，配備用來(lái)校正功率因數(shù)的裝置，在“交-直-交”和“交-直”機(jī)車(chē)上是機(jī)車(chē)的輸入電流的基波與電壓同相位，在牽引變電所采用同相供電系統(tǒng)與對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償技術(shù)或同相貫通供電技術(shù)對(duì)機(jī)車(chē)產(chǎn)生的諧波電流和無(wú)功功率就近補(bǔ)償，也可以采用SVC和APF補(bǔ)償。SVC是解決電鐵負(fù)序補(bǔ)償.并兼顧濾除高次諧波的理想方式。不僅可以改善電氣化鐵道對(duì)電網(wǎng)綜合電能質(zhì)量的影響。提高電氣化鐵道本身的供電質(zhì)量，還能獲得經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)為了整體減輕進(jìn)入電力系統(tǒng)的負(fù)序分量，各種接線(xiàn)的牽引變電所應(yīng)輪換接入電力系統(tǒng)的不同相。還可在電力系統(tǒng)變電站安裝承受負(fù)序電流的能力大、負(fù)序阻抗較低且防震性能良好的特殊的同期調(diào)相機(jī)。

(2)牽引變電所采用220kV高電壓大容量的電源對(duì)機(jī)車(chē)供電，提高電網(wǎng)的供電能力，緩解三相電壓不平衡即負(fù)序電流問(wèn)題。采用阻抗匹配平衡變壓器、斯科特變壓器等三相-兩相平衡牽引變壓器，國(guó)內(nèi)比較常用的是Scott接線(xiàn)、三相V/V接線(xiàn)牽引變壓器(AT供電方式)。也可以采用相序輪換技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)公共接入點(diǎn)的三相平衡，雖然可以降低整個(gè)系統(tǒng)的不對(duì)稱(chēng)系數(shù)，但這種技術(shù)會(huì)增加機(jī)車(chē)操作的復(fù)雜性，增加了安全隱患，給列車(chē)運(yùn)行帶來(lái)負(fù)面影響。

(3)科學(xué)鋪畫(huà)列車(chē)運(yùn)行圖，合理安排列車(chē)運(yùn)行方式，采用綜合天窗，使日單相負(fù)載均衡分配在電氣化鐵道沿線(xiàn)。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)結(jié)合個(gè)人在工作中的實(shí)際，針對(duì)鐵道電氣化技術(shù)中電分相、供電方式以及牽引供電系統(tǒng)中存在的問(wèn)題加以分析和研究，從而得出解決對(duì)策，為實(shí)際工作中這些問(wèn)題的解決提出解決途徑，促進(jìn)我國(guó)鐵道電氣化技術(shù)的發(fā)展。

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