電氣化鐵路牽引供電系統技術研究

楊桂林

[摘 ? ?要]主要就電氣化鐵路牽引供電系統展開研究。牽引供電系統目前在設計過程中依然存在較多問題，這些問題若不能有效解決，不僅將會導致供電系統出現運行問題，同時也會干擾其供電效率，威脅電氣化鐵路運行的可靠性及安全性。通過全新的解決策略，可以更好地對供電系統中存在的諧波、無功等問題提出解決措施，以便能夠實現全面調整。解決供電技術問題，并提出合理的改進措施，對鐵路牽引供電系統進行深刻分析，以促進我國鐵路電氣化發展。

[關鍵詞]電氣化;牽引供電;諧波

[中圖分類號]TM64;U226.5 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）01–0–03

[Abstract]This article focuses on the research of electrified railway traction power supply system. There are still many problems in the design process of traction power supply systems. If these problems are not effectively resolved， they will not only cause operational problems in the power supply system， but also interfere with its power supply efficiency and threaten the reliability and safety of the operation of electrified railways. Through a brand-new solution strategy， it is possible to better propose solutions to problems such as harmonics and reactive power in the power supply system， so as to be able to achieve comprehensive adjustments. Solving power supply technical problems， proposing reasonable improvement measures， and conducting a deep analysis of the railway traction power supply system will provide effective assistance to the development of railway electrification in my country.

[Keywords]electrification; traction power supply; harmonics

電氣化鐵路牽引供電系統對于鐵路的穩定運行具有非常重要的實際作用，通過供電系統的安全運行，不僅能夠為電氣化系統的運作提供保障，同時還可以解決以往在運行過程中出現的各種問題。在鐵路牽引供電系統研究中，牽引供電方式以及電力機車性能不斷改善，但仍有一部分問題需要解決。通過現有問題的挖掘以及分析，找出解決方案，保障整個行車的安全性、有效性。

1 電氣化鐵路牽引供電系統主要運行方式

牽引供電系統是將交流中壓電壓經降壓整流變成27.5 kV交流的電壓，為電力機車提供牽引供電。牽引變電所可以分成牽引變電所、分區所、AT所。牽引變電所進線側配電裝置大多數采用室外中型布置，也有少量的采用GIS或PASS（半GIS）設備室內布置，作為試點京雄牽引所采用了GIS布置。

1.1 供電電壓

就電氣化鐵路供電牽引系統進行分析，在供電電壓中，需要按照我國電網的基本設定，確保整個電壓能夠使用50 Hz交流制。一般而言，電網輸出110 kV、220 kV、330 kV電壓實現變電站供電的目的。此外，在牽引變電站中，還可以利用變壓器降壓的方式進入鐵路系統的接觸網，從而為實現電氣化鐵路提供全新的能源以及基礎。供電系統為電氣化鐵路提供的標準電壓為25 kV。顯而易見，該電壓具備穩定性的優勢。在該系統中，使用配套的基礎網、電氣化鐵路等設備標準電壓同樣設定為25 kV。在以往我國使用的外部電壓上限為110 kV，直至哈爾濱至大連鐵路修建結束后，我國開始修建220 kV鐵路線。因此，我國修建的鐵路后續以220 kV外部供電為主。

1.2 接觸網

接觸網主要為電氣化鐵路提供相應的電壓以及電流，完成交流供電。因此，電氣化鐵路通過接觸網，能夠獲得其運行的必要能源，接觸網供電方式多種多樣，包含了直接供電、直供回流以及BT供電等。我國電氣化鐵路一般采用BT供電，隨著越來越多的鐵路使用BT供電系統后，我國電氣化鐵路改為AT供電模式。與BT供電模式相比，AT供電模式更快捷，且供電速度、效率能夠符合鐵路化電氣化發展。

1.3 牽引供電系統模式

在牽引供電系統模式中，我國大部分高速鐵路使用的牽引系統一般包含了變電站以及接觸網兩大部分。二者通過全新的配合進行運作，保障整個供電系統平穩運行。此外，變電站為供電系統提供全新的運行保障，其主要職能將電網中的高壓電轉化為能與電氣化鐵路相適應的電壓。經過以上操作后，變電站還應將轉換過的能源輸入接觸網，為電氣化鐵路的運行提供全新動力。對變電站的設備種類進行分析，變電站設備種類極為豐富，例如變壓器、繼電器等。而牽引系統的供電模式對于電氣化鐵路的運行速度以及承載能力具有直接聯系，可以確保牽引系統穩定供電，保障鐵路線路能夠精準運行。

2 電氣化鐵路牽引供電系統的特征

2.1 系統特殊性

在系統特殊性中，包含了系統自身特殊性以及系統安全管理。

例如，在系統特殊性中，電氣化鐵路牽引系統可以將三相電力設備輸入電能耗，利用變壓換流等方法，為電氣化鐵路提供穩定的電能，確保電氣化鐵路設備能夠發揮自身的基本作用。在單向交流模式中，我國電氣化鐵路牽引系統使用較為廣泛，從系統的特殊性分析，可以包含以下內容。

（1）電氣化鐵路牽引系統原為單相，但公路電力為三相。因此，這就要求變電站具備非對稱的特性。

（2）牽引供電系統的方式與機械設備的類型較多，在該條件下，等效的供電模型則較不適用。

（3）牽引系統中鋼軌不僅能夠為電氣化列車提供全新能源，還能夠有回流線并聯，實現導電的目的。在供電系統中，由于其運行處于多樣化的環境，因此這就要求通用的求解模式能夠適應于多樣化的環境。但一般的求解模式無法套用，這就導致供電系統存在一定的特殊性。

（4）而在系統安全管理中，在一般情況下電氣化牽引供電系統在運行過程中若產生問題，將會對列車日常運行以及乘客的安全造成嚴重影響。為了避免問題發生，導致鐵路出現運行風險，就需要對系統進行安全管理。

例如，列車運行速度通常為200 km/h，這就很容易導致電氣系統故障出現。因此，為了避免出現不可挽回的后果，我國電氣化鐵路使用無人值班的方式，結合智能性以及自動性。但無人值班若出現牽引供電系統故障，或在特殊情況下，有可能對故障無法進行及時修復調整。因此，通過數據分析可以發現系統中的部分故障，不僅由于設備自身不足，還有可能由設備過度使用所造成。因此，完善電氣化鐵路管理體系，對相關人員進行集中培訓，采用人工+智能的方式，可以避免系統出現故障，保障乘客生命安全。因此，加固系統的安全管理具有非常重要的實際作用。

2.2 高次諧波對于供電系統的影響

（1）對于設備部件會造成一定程度的損耗，影響電網正常運行。在部分情況下，甚至會對設備造成嚴重的負面影響。

（2）高次諧波還會對設備的自動性以及繼電保護產生一定的干擾。例如，會導致繼電保護造成誤動，影響電網的安全性與穩定性。

（3）高次諧波會對電氣測量儀表的精準度造成干擾，影響設備自身的容量、能量。此外，對于變壓器的運行還會導致電網的波動，鐵路部門相關技術人員必須降低高次諧波對于供電系統功能的影響。

3 電氣化鐵路牽引供電系統常見問題分析

3.1 無功功率

無功功率是牽引供電系統的常見問題，由于電力機車屬于一個隨機變化特性的感性負載。因此，它的基波電流會滯后，使電壓存在一定的滯后性。無法及時、精準地進行反饋，由于變電器牽引電機設備、非線性電子電力器件非線性調節作用，會導致機車電流中包含大量的不對稱分布，這些不對稱分布為諧波成分。牽引負載功率較大、時間以及空間分布性較強、三相不對稱等特點，均有可能導致牽引供電系統成為電力系統中的無功源。且供電系統中的無功功率對供電線路、變電設備以及其他設備而言，會導致發熱程度增加。而對于無功功率，會使電流增大的問題，也會導致發電機變壓器等其他設備出現一系列的運作問題，導致送電設備出現一系列的問題。

3.2 負序電流

在負序電流中，我國電氣化鐵路通過三相電力系統，經牽引將變壓器設定為110 kV，電壓降低至27.5 kV，在牽引網以及電力機車中進行單向供電。因牽引電變壓器不對稱的固定方式，會對整個電壓系統造成負序電流沖擊，從而使整個供電設備產生一系列的危害。例如，會導致發電機轉子升溫，引起一系列的問題，如振動變壓器能耗損失增多等，對于鐵心磁路會產生附加發熱、輸電線路能量損失增多等問題。降低線路的輸送能力，繼電器保護與自動裝置負序參量啟動元件物動作增多等。

3.3 諧波電流

在諧波電流中，諧波電流對于整個電力系統所產生的問題已然引起我國鐵路重視。例如，其主要出現在以下方面。

（1）諧波會導致公共網絡中的元件損耗加劇，降低用電、輸電、發電設備的效率。此外，斜波還會導致線路過熱，引發火災。

（2）諧波會導致各種電氣設備無法正常運作，對電機造成影響。此外，除增加損耗外，還會引起機械振動、噪聲以及電壓，使變壓器電纜等電力設備產生過熱、絕緣、老化等影響。

（3）諧波會使整個公共電網中產生的局部諧振與串聯諧振結合，從而使諧波放大，危害更加突出。

4 電氣化鐵路牽引供電系統問題對策

4.1 無功功率解決方案

（1）提高機車的功率因數。在機車上，配備正確的功率運輸裝置并進行校準。

（2）在交、直、交機車上，整個環節流程采用四象限整流器PWM，可以使機車輸入電流機波以及電壓相同，消除整個功率因素問題。

（3）對于機車產生的無功功率，可以采用就近補償的方法，通過牽引變電將有源、無源二者結合，通過混合補償的方式完成調整。

4.2 負序電流解決方案

（1）通過全新的補償方法，如通過STATCOM補償方式，對負序電流系統進行調整。與常規的補償方式相比，STATCOM補償方式速度極快，且工作效率較高，諧波輸出含量較小。在應用過程中，可以有效適應負荷率要求，具備極佳的應用效果。在兩相結構的STATCOM中，可以實現有功功率、無功功率四象限控制，對變電的兩供電臂進行無功動態補償，調節兩供電臂的有功潮流，使負荷能夠實現動態平衡。

（2）針對于牽引變電所的電源，對其電源等級進行統一設定。例如，對整個電源等級統一采用220 V，且220 V由于電網供電能力較高，負序電流的問題可以得到有效緩解。

（3）對牽引變電所進行換向連接，減輕進入電力系統的負序分量，不同階段的牽引變電所可以實現換向連接。

（4）對變電站安裝同期調相機，整個調相機可以承受較大的負蓄電流，使復續抗阻較低，具備良好的防震性。

4.3 諧波電流解決方案

（1）避免電容器放大諧波。可以有效改變電容器中的串聯電抗器，將電容器組的支路改為濾波器，可以對電容器的投入量進行有效限定，防止電容器在運行過程中對諧波進行放大，保證電容器組的有效運行。

（2）對于諧波源的配置以及工作方法。若裝置對于諧波具備互補性，可以對諧波進行集中，否則應將其分散或交替使用。對于產生大量諧波的工作方式，應適當限制。

（3）運用多種化技術，完成交流器的聯合使用，使用多個方波進行疊加，以消除低頻率諧波。

（4）諧波疊加注入，可以利用三次倍數的諧波與外部具備三次倍數的諧波源，將整個諧波疊加至矩形諧波上，可有效降低出現的諧波，解決諧波出現的危害，使鐵路運行系統能夠更加高效。

4.4 三相平衡解決方案

根據三相平解決方案進行分析，很多問題由牽引供電系統三相不平衡導致。要想緩解這些關鍵問題，可以采用相序輪換三相輪換技術，確保牽引供電系統公共接入點能夠完成三相平衡。在此方案的基本解決思路中，可以沿鐵道線路，將接觸網分為若干供電區域，并通過各自組成部分以及電力系統三相供電體系，實現負載平等。且由于功率因數相等，電力系統的三相電流便可以達到平衡狀態。因此，通過對電力鐵路供電系統相關問題進行分析，并提出解決方案，可以解決目前鐵路牽引供電問題并實現合理的改進。通過多樣性的解決措施，解決目前出現的不足，完成更新探索。在我國鐵路未來發展中，通過人員技術強化、新設備、新技術的引進，鐵路電氣化會積累更多的經驗，找出發展途徑。

5 結束語

電氣化牽引供電系統是鐵路電氣化運行的動力，因此其運行情況在一定程度上不僅決定著鐵路電氣化的走向，同時還對于電車的運行穩定性以及安全性有直觀作用。在研究中，技術人員應增強鐵路電氣化牽引供電系統的分析研究，并通過必要措施，對牽引供電系統進行管理，提升工作人員的專業水準。使用新型技術與理論，使整個供電系統達到安全性、穩定性，進一步促進電氣鐵路化系統的高效發展以及進步。

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