鐵道電氣化技術常見問題及解決對策

中鐵十二局集團電氣化工程有限公司 張 勇

1.什么是鐵道電氣化技術以及我國應用電氣化鐵道的情況

鐵道電氣化技術主要是對鐵道電氣化設備進行維護管理以及應用開發，以適應電氣化鐵路供電系統及其裝置的設計、運輸與施工技術管理。我國應用鐵道電氣化技術至今已經有四十年的歷史，我國電氣化鐵路目前采用的是工頻單相交流電力牽引制，將國家電力系統輸送的電能以電能牽引供電設備變換為適合電力機車使用的形式，所以電氣化鐵路的兩大主要裝備就是牽引供電設備和電力機車，鐵路上的基礎設施和其他裝備都是為了配合這兩種設備的使用。牽引供電系統就是把電力系統的電能傳送給電力機車的電力裝置，又名電氣化鐵路的供電系統，兩大組成部分是牽引變電所和接觸網。牽引變電所的任務是將電力系統三相電壓降低，將電力系統輸電線路電壓從110kV（或220kV）降到27.5kV，同時以單相方式饋出將電能送至接觸網，降低電壓是由牽引變壓器來實現的，它是牽引變電所的“心臟”；接觸網是沿鐵路沿線架設的特殊電力線路，電力機車升弓后便可通過與之滑動摩擦接觸而取得電能，用以牽引列車。

在供電方式上我國均采用單邊供電方式，主要包括直接供電方式簡稱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。在復線區段還可以提高末端網壓，將上下行接觸網通過分區亭聯接，實現“并聯供電”，如果牽引變電所發生故障，相鄰變電所還可進行“越區供電”，我國的電氣化鐵路多數采用可控硅整流器電力機車，這種機車不但結構簡單、牽引性能好、運行可靠、維修方便，而且各項經濟技術指標較高。目前，國產主型電力機車為SS（韶山）型，SS1、3、4、6、6B、7和7B型均為客貨兩用型，近年來隨著列車提速和高速鐵路的發展，研制開發了SS7C、7D、7E、SS8和SS9型客運電力機車，以及DJ型（交—直—交）客運電力機車。此外，我國還先后引進過法（6Y、6G、8K）、日（6K）、德（DJ1）和前蘇聯（8G）等國的電力機車。

2.鐵道電氣化技術常見的問題

2.1 電分相方面

(1)由于我國列車速度大幅提高，因此在電氣化鐵路普遍采用的是錨段關節式電分相，而不是傳統的器件式電分相，關節式電分相的絕緣錨段分為三跨、四跨和五跨三種形式，由于每個關節跨距的長短不一樣，因此用來銜接兩個關節的布置也不相同，關節式電分相也包括了五跨、七跨、八跨等等多種形式，關節式電分相的共同特點就是組成部分都是兩個絕緣錨段關節和一段接觸網中性區，電氣絕緣的實現條件是在空氣絕緣間隙實現的，因此列車在運行到關節式電分相的時候，乘務員就必須要將機車主斷路器斷、合電操作以及將其他受電弓下降，在高速列車運行中需反復操作，這樣會加強乘務員的勞動強度，一旦遺忘或疏忽，就會造成接觸網相間短路，形成供電事故，運輸中斷。

(2)在機車高速運行的過程中，升降受電弓會對接觸網的安全運行造成威脅，發達國家以增加高速機車的中性區長度來解決這個問題，整列電動車組兩手電弓的距離小于允許多弓運行的最小距離。但我國由于路網不發達，客貨混運、高低速列車混跑的情況并不少見，如果采用較長的電分相中性區，會同時影響高低速列車的運行速度，而且，即使采用較長的電分相中性區，有時也會發生電力機車停在分相無電區的情況。

2.2 供電方式方面

(1)我國應用最廣泛的供電模式是自耦變壓器(AT)供電模式，受列車運行位置影響，為了降低絕緣標準，從55kV降低到27.5kV，這種供電模式雖然省卻了一套設備容量，卻失去了牽引網的供電能力和防護干擾能力。AT模式的導線截面相同而且邊界為最大載流，假設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，一個供電臂中的AT段越少，供電能力損失越顯著。

(2)當發生接觸網T與負饋線F短路，如果牽引變電所出口的接觸網斷路器與負饋線斷路器也是聯動的而不是同時跳開，在短時間內，先跳開的斷路器就會承受55kV電壓。如果另一個出口斷路器拒動，那么，另一個斷路器就會長時間的承受55kV電壓。而且為了適應AT模式的軌一地接線要求，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行特殊設計和容量優化，設計制造難度和造價都增加了。

2.3 牽引供電系統方面

(1)由于變壓器、牽引電機以及電力電子器件的非線性和非線性調節，同時電力機車的基波電流滯留后電壓一定的角度，因此機車的電流中有大量的諧波成分，這些諧波在三相供電系統中不對稱分布，時間性和隨機性很強，導致了無功功率和諧波電流的存在，使得變壓器、電力線路以及旋轉電機的附加損耗加大，引起局部過熱，金屬疲勞和機械損壞，縮短設備的使用壽命，在串聯和并聯諧波比例比較高的牽引變電站附近發生電網和電容器組的并聯諧振，造成電容器組的損壞，使得繼電器出現頻繁發動，誤動、拒動等現象，為了彌補無功功率對電力系統的損失，鐵道部門每年都要支付大量的額外費用給電力部門。

(2)牽引變電所采用單向聯接、單相V形聯接和Y，d-11這三種基本接線方式時，會在三相電力系統產生負序電流，除了會產生無功功率，還會降低變壓器的額定輸出功率，運行效率低，引起旋轉電機的附加發熱和振動，對安全運行造成危害，而且負序電流流過電力系統時，不僅占用輸電系統的容量，還會造成電能損失，電氣化鐵道產生的大量負序侵入時會導致以負序電流或負序電壓為動作條件的繼電保護裝置的誤動作，引起供電中斷。

3.鐵道電氣化技術常見問題解決方案

3.1 電分相問題的解決方案

通過研究法國、日本德國的電氣化鐵路運行，我們可以知道四跨、五跨絕緣錨段關節都可以滿足列車的高速運行，因此要在200m的范圍內布置三個絕緣錨段關節，跨距長度為31m，采用四跨絕緣關節，4#，6#支柱采用兩根支柱，錨段關節隔斷絕緣子采用直徑小的有機絕緣子，移至跨中距定位點10m處，將5#支柱處的錨段設計成小錨段，做成硬錨，在電分相區域以外的錨段另一端安裝補償裝置，采用三跨絕緣錨段關節方式布置，轉化跨長度大于45m以保證受電弓高速取流的穩定，控制轉化跨距內接觸線的坡度。

3.2 供電方式問題的解決方案

對接觸網設置加強導線提高供電能力。當一個供電臂中的AT段較少時，為了避免AT供電方式結構復雜的固有缺點，可以適當考慮采取直供+加強線或直供+加強線+回流線方式，也可以利用新提出的AT供電模式，牽引變電所內不設AT，把AT布置在線路上，從而簡化系統，節約投資，牽引變壓器也不需中間抽頭，可很大程度簡化牽引變壓器的制造難度，同時，省去了牽引變電所的軌一地回流線布置，增加供電能力，延長供電臂，減少電分相數目。出于安全考慮，出口斷路器絕緣仍應采用55kV的電壓絕緣等級設計。斷路器斷口電壓問題也可以得到很好地避免。開關的絕緣等級更高，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、饋線的導線截面更小，有助于省掉設置于大運量線路首個AT段的加強線，更有利于接觸網懸掛的輕型化。

3.3 牽引供電系統問題解決方案

(1)改善機車的性能，盡量減少諧波，配備用來校正功率因數的裝置，在“交-直-交”和“交-直”機車上是機車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與對稱補償技術或同相貫通供電技術對機車產生的諧波電流和無功功率就近補償，也可以采用SVC和APF補償。SVC是解決電鐵負序補償.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電網綜合電能質量的影響。提高電氣化鐵道本身的供電質量，還能獲得經濟效益。同時為了整體減輕進入電力系統的負序分量，各種接線的牽引變電所應輪換接入電力系統的不同相。還可在電力系統變電站安裝承受負序電流的能力大、負序阻抗較低且防震性能良好的特殊的同期調相機。

(2)牽引變電所采用220kV高電壓大容量的電源對機車供電，提高電網的供電能力，緩解三相電壓不平衡即負序電流問題。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，國內比較常用的是Scott接線、三相V/V接線牽引變壓器(AT供電方式)。也可以采用相序輪換技術來實現牽引供電系統公共接入點的三相平衡，雖然可以降低整個系統的不對稱系數，但這種技術會增加機車操作的復雜性，增加了安全隱患，給列車運行帶來負面影響。

(3)科學鋪畫列車運行圖，合理安排列車運行方式，采用綜合天窗，使日單相負載均衡分配在電氣化鐵道沿線。

4.結束語

本文通過結合個人在工作中的實際，針對鐵道電氣化技術中電分相、供電方式以及牽引供電系統中存在的問題加以分析和研究，從而得出解決對策，為實際工作中這些問題的解決提出解決途徑，促進我國鐵道電氣化技術的發展。

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