電氣化鐵路牽引供電系統的研究與分析

摘要：由于電氣化鐵路不但運輸能力大、行駛速度快、工作條件好，而且運營成本低、能源消耗少、自然條件影響小，已經成為了我國鐵路運輸的主要發展方向。電力機車的大量使用給電力系統的供電負荷帶來很大的問題。由于電氣化鐵路本身具有移動性和波動性，因此對整個電網的接入點造成了一定的影響。文章首先分析了電氣化鐵路負荷的特點，然后對電氣化鐵路對電網產生的影響進行了剖析，并就此提出了幾點可行性的解決措施。

關鍵詞：電氣化鐵路；牽引；負荷；供電系統；接觸網；供電電壓

中圖分類號：TM714文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2014）21-0112-03

世界上第一條電氣化鐵路是由西門子和哈爾斯克公司于1879年在德國柏林世界貿易博覽會上展出的，雖然很小，但卻是電氣化鐵路的先驅。世界上第一條運行的高速鐵路于1964年誕生于日本。由于高速鐵路不僅綜合能效高，而且運輸量大、乘車環境舒適，因此受到全球很多國家的重視，高速鐵路已經成為了鐵路運輸的主要方向之一。繼日本之后，法國的TGV高速鐵路和德國的ICE高速鐵路業相繼建成并投入運營。隨著大量電氣化機車投入使用，其對電網穩定運行的影響逐漸受到鐵道部門和電力部門的關注。隨著人們生活質量的提高，人們對于供電的要求也相應提高。然而電力機車在運行中產生的諧波和負序對電力系統的穩定性產生了很大的影響。因此研究電氣化鐵路牽引負荷產生的諧波和負序對電力系統的影響，并提出相應的解決措施是一項十分有意義的工作。

1電氣化鐵路和供電方式

當前世界上的高速鐵路的供電牽引系統主要由兩個部分組成，即變電站和接觸網。變電站和接觸網需要協調運作才能確保電氣化鐵路牽引供電系統的變電、配電和送電的工作。變電站作為牽引供電系統的一個核心部分，主要的工作任務是將國家電網輸入的三相高壓轉化為與電力機車輸入端相相吻合的電能。除此之外，變電站還要將轉換之后的電能輸入到接觸網中，從而電力機車供電模塊就可以隨意調用。雖然變電站的職責簡單明了，但是其包含了多種電器元件，包括變壓器、接地開關、隔離開關、電壓互感器、斷路器、電流互感器等。

接觸網作為連接牽引變電機構和電力機車供電系統的樞紐，能夠使經變電站轉換之后的電能被電力機車供電模塊使用。因此高速鐵路的運行速度受接觸網的電力負荷的影響很大，對鐵路運行的穩定性有一定的威脅。為了提高接觸網的可靠性，在設計的時候要滿足電力機車弓網耦合條件，盡量減少運行中接觸網和弓網之間的機械振動和沖擊。

接觸網是連接變電站和電力機車的樞紐，主要有接觸懸掛部分、支持裝置部分、定位裝置部分以及支柱和基礎部分。其中接觸懸掛部分主要由接觸線、選調機構組成；支持裝置部分是一種連接裝置，支撐部分通常會被設計成接觸懸掛和支柱的形式，主要有橫跨類結構和腕臂支持兩類；定位裝置部分保證了接觸線的穩定和弓網良好的耦合，其一般情況下位于接觸線和滑板有效接觸的地方，定位的零部件有定位管、定位器、連接件等等；支柱和基礎部分主要起承受載荷的作用，載荷一般來自自然界的風、冰以及系統自身的接觸懸掛裝置、支持裝置以及附加導線等等，與此同時還可以對附加導線和接觸懸掛部分起到固定的作用。

2供電電壓

當前我國電氣化鐵路牽引系統采用的是單相50Hz交流制，為牽引變電站的供電電壓為110kV或220kV。電壓經過牽引變電站變壓器降壓之后的將輸入到鐵路上方的接觸網中，從而為電力機車提供能源。經變電系統之后，電力機車的母線額定電壓為25kV，因此與之相關的動力機車和基礎網的額定電壓也為25kV。我國外部電源使用最多的還是110kV，然而待哈爾濱到大連的高速鐵路建成之后，220kV外部供電電壓逐漸在我國出現。

3接觸網

接觸網實際上就是一個供電網絡，服務對象是動力機車。動力機車通過介質受電弓能夠與電網接觸，從而獲得所需要的能源。在電氣化鐵路牽引供電系統中，接觸網的應用形式多變，一般有直接供電方式以及允許回流的直接供電模式等等。以前我國的電氣化鐵路牽引系統主要使用的是溪流變壓器供電方式，然而隨著應用實踐的增加，發現其達能的損耗非常大，因而當前的主要供電方式已經轉化為了自耦變壓器供電方式。

4牽引變壓器接線方式

牽引變壓器的連接方式主要有單相接線、阻抗匹配平衡接線、SCOTT接線法、YN/D11接線法和單相V/V接線法幾種類型，而SCOTT接線法和阻抗匹配平衡接線都是平衡變接線。由于單相變壓器接線方法具有可靠性高、利用率高以及簡單明了等特點，再配合上自耦變壓器的供電方式，在我國電氣化鐵路系統中廣受歡迎。這種搭配方式可以在一定程度上增加電氣化鐵路牽引供電的半徑，從而降低了鐵路的運行成本。其他的供電方式的單相變供電系統出現負序電力的概率很大，給電力系統帶來的負面影響非常大。

單相V/V接線方式是由兩組單相變壓器組成的一個開口三角形，其接線原理如圖1所示。這種接線方式的優點有：一是容量利用率達到了100%；二是變電所所需設備數量比較少，因而成本較低；三是可以實現牽引網的雙邊供電；四是可以實現供變電所內自用電和三相負荷。缺點有：電力系統的三相負荷不對稱，不對稱系數是0.5，對系統能夠產生一定的負序影響。

圖1單相V/V接線原理圖

三相YN/N11接線牽引變壓器的接線原理圖如圖2所示。這種接線方式的優點有：一是供電安全、可靠性高，三相變壓器技術運用成熟；二是采用的中性點接地方式能夠很好地滿足電力系統的需求；三是方便供應變電所內和地區的三相用電；三是能夠實行雙邊供電。缺點有：一是電力系統的三相負荷不對稱，不對稱系數為0.5，；二是接線很復雜，所涉及的設備很多，占地面積大，工程造價高；三是系統的維護和檢修工作復雜，費用高；四是變壓器的容量利用率很低。

SCOTT接線變壓器的接線原理如圖3。這種接線方式是由兩臺單相變壓器組成，一臺單相變壓器的繞組兩端引出的線接到電力系統的兩相，另一條變壓器的原邊繞組一端引出線接到電力系統的另一相。這種接線方式的優點有：一是只要兩臂負荷大小和功率因數相等，電力系統的三相負荷是對稱的；二是方便供應變電所內和地區的三相用電；三是變壓器容量的利用率高；四是能夠實行雙邊供電。缺點有：一是接線很復雜，所涉及的設備很多，占地面積大，工程造價高；二是系統的維護和檢修工作復雜，費用高；三是對牽引變電所絕緣器的絕緣性要求很高；四是可能會引起電力系統的零序電流保護誤動作。

圖2三相YN/D11接線原理圖 圖3SCOTT接線原理圖

阻抗匹配平衡接線的原理如圖4所示。通過改變阻抗的匹配方式，在三相YN/D11接線變壓器的基礎上實現三相到兩相的變換。這種接線方式的優點有：一是只要兩臂負荷大小和功率因數相等，電力系統的三相負荷是對稱的；二是變壓器容量利用率高；三是可以獲得對稱的三相電壓，滿足牽引變電所自用電和地區三相用電；四是牽引網可以實行雙邊供電。缺點有：一是工程造價高，變壓器的結構復雜；二是對牽引變電所出口相絕緣器的絕緣性要求高。

圖4阻抗匹配平衡接線原理圖

5電氣化鐵路對電網的影響

5.1諧波的危害和影響

理想的電網提供的電壓幅值和頻率應該是固定的，因此諧波電流和諧波電壓的出現對于電網是有一定影響的，容易給用電設備帶來損害，同時給通信系統也帶來了很大的危害。諧波對電網的影響主要表現在以下幾個方面：

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5.1.1諧波會造成電網中各電氣設備的異常運行。諧波不僅會使電氣設備產生噪音、機械振動以及過電壓，還會增加元件的附加電能損耗。通常會使電容器和電纜等設備產生過熱、絕緣老化的現象，從而大大降低了使用壽命，損壞設備。

5.1.2諧波會使線路發生過熱的現象，嚴重時可能發生火災。諧波的存在增加了電網中各元件的諧波損耗，從而降低了發電、輸電和用電設備的效率。當中線中流過大量的三次諧波時可能會引發線路的火災事故。

5.1.3諧波會造成電網中局部的并聯諧振和串聯諧振，諧波也會因此被放大，從而使得諧波的危害

更大。

5.1.4諧波會對繼電保護和自動控制系統造成一定的影響，致使它們發生錯誤的動作。除此之外，還大大影響了電氣測量儀器的準確性。

5.1.5諧波會對電網周圍的通信系統造成一定的影響，一般都會降低通信質量。嚴重的時候會使通信系統崩潰，使其無法工作。

5.2負序的危害和影響

5.2.1對發電機的影響。當負序電流通過發電機定子繞組時，將會感應出很大的附加電流，從而導致轉子表面的溫度升高。與此同時，還會增加轉子的脈動轉矩，產生發電機的附加振動，這對發電機的正常運行十分不利。另外，由于發電機是向不對稱的負荷供電，因此當其中最大的一相電流達到額定值時，其他兩相還未達到額定值，也會在一定程度上降低發電機出力。

5.2.2對感應電動機的影響。負序電壓在一定程度上減小了正序電壓，從而降低了電動機的出力。另外負序分量的存在會產生負序旋轉磁場，直接限制了電動機的出力，大大地降低了電動機的運行效率。

5.2.3對電力變壓器的影響。為了保證電力變壓器的安全運行，每相中的電流都不能超過額定電流或者允許的過載值。負序的存在使得三相電流不再對稱，因此當最大相的電流達到額定電流或者允許的過載值時，其他兩相還未達到額定電流或者允許的過載值，因而大大降低了變壓器容量的利用率。

5.2.4對輸電線路的影響。由于負序電流的存在造成了附加的能量損失，因此大大影響了輸電線路的正常輸電。

5.3諧波和負序的改善措施

5.3.1諧波的改善措施。減小諧波的影響有兩個基本思路：一是通過裝設諧波補償裝置來補償諧波；二是通過改造電力電子裝置，使其不產生諧波。具體的做法有以下四種：一是在電力機車上安裝并聯的補償濾波裝置；二是可以在牽引變電站安裝物攻補償濾波裝置，從而抑制諧波的產生；三是調整電力系統的運行方式以及增大其容量，從而加強系統抗諧波干擾的能力；四是改進電力機車，降低諧波的含量，筆者認為可以采用功率較大的交流傳動電力機車。

5.3.2負序的改善措施。對于電力系統來說，首先可以在發電廠或者變電所安裝特殊的同步調相機。同步調相機不僅可以吸收高次的諧波電流，還可以承受較大的負序電流，且負序阻抗很小，吸收電流的時候不會有相位選擇的問題。雖然使用同步調相機的效果很明顯，但是這種措施的投資很大，且占地面積也很大。其次，如果系統中的負序電流是臨時性的，可以停止變壓器、電抗器或者某些線路的運行，從而可以改變負序的電流的分配情況，達到減小負序對承受能力較弱設備影響的目的。最后，在局部地區可以采用限制供電臂機車負荷的方式來減小負序電流的影響。電力系統中每個點對負序電流影響的承受能力是有限的，因此需要合理計算出各個點所能承受的最大負序百分數，在電力機車運行的過程中，只要將負序控制在這個值之下，就不會對電力系統造成明顯的影響。對于牽引供電系統來說，筆者認為要選擇合適的牽引變壓器，最重要的是產生負序的分量要小，比如Scott牽引變壓器、阻抗匹配平衡變壓器。除此之外，牽引供電系統要采用換相的連接方式，從而可以使三相牽引負荷盡量達到平衡，減小負序的影響。換相連接是指將電氣化鐵路沿線各個牽引變電所的牽引變壓器輪換使用，分別接到電力系統的不同

相上。

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作者簡介：馬向平（1975-），男，陜西神木人，中國神華神朔鐵路分公司河西運輸段供電綜合檢修隊隊長，研究方向：交通運輸。

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