電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)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(jīng)成為了我國鐵路運輸?shù)闹饕l(fā)展方向。電力機(jī)車的大量使用給電力系統(tǒng)的供電負(fù)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(wǎng)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(fù)荷的特點，然后對電氣化鐵路對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行了剖析，并就此提出了幾點可行性的解決措施。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；牽引；負(fù)荷；供電系統(tǒng)；接觸網(wǎng)；供電電壓

中圖分類號：TM714文獻(xiàn)標(biāo)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(mào)易博覽會上展出的，雖然很小，但卻是電氣化鐵路的先驅(qū)。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(huán)境舒適，因此受到全球很多國家的重視，高速鐵路已經(jīng)成為了鐵路運輸?shù)闹饕较蛑?。繼日本之后，法國的TGV高速鐵路和德國的ICE高速鐵路業(yè)相繼建成并投入運營。隨著大量電氣化機(jī)車投入使用，其對電網(wǎng)穩(wěn)定運行的影響逐漸受到鐵道部門和電力部門的關(guān)注。隨著人們生活質(zhì)量的提高，人們對于供電的要求也相應(yīng)提高。然而電力機(jī)車在運行中產(chǎn)生的諧波和負(fù)序?qū)﹄娏ο到y(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了很大的影響。因此研究電氣化鐵路牽引負(fù)荷產(chǎn)生的諧波和負(fù)序?qū)﹄娏ο到y(tǒng)的影響，并提出相應(yīng)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(dāng)前世界上的高速鐵路的供電牽引系統(tǒng)主要由兩個部分組成，即變電站和接觸網(wǎng)。變電站和接觸網(wǎng)需要協(xié)調(diào)運作才能確保電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的變電、配電和送電的工作。變電站作為牽引供電系統(tǒng)的一個核心部分，主要的工作任務(wù)是將國家電網(wǎng)輸入的三相高壓轉(zhuǎn)化為與電力機(jī)車輸入端相相吻合的電能。除此之外，變電站還要將轉(zhuǎn)換之后的電能輸入到接觸網(wǎng)中，從而電力機(jī)車供電模塊就可以隨意調(diào)用。雖然變電站的職責(zé)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(guān)、隔離開關(guān)、電壓互感器、斷路器、電流互感器等。

接觸網(wǎng)作為連接牽引變電機(jī)構(gòu)和電力機(jī)車供電系統(tǒng)的樞紐，能夠使經(jīng)變電站轉(zhuǎn)換之后的電能被電力機(jī)車供電模塊使用。因此高速鐵路的運行速度受接觸網(wǎng)的電力負(fù)荷的影響很大，對鐵路運行的穩(wěn)定性有一定的威脅。為了提高接觸網(wǎng)的可靠性，在設(shè)計的時候要滿足電力機(jī)車弓網(wǎng)耦合條件，盡量減少運行中接觸網(wǎng)和弓網(wǎng)之間的機(jī)械振動和沖擊。

接觸網(wǎng)是連接變電站和電力機(jī)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(chǔ)部分。其中接觸懸掛部分主要由接觸線、選調(diào)機(jī)構(gòu)組成；支持裝置部分是一種連接裝置，支撐部分通常會被設(shè)計成接觸懸掛和支柱的形式，主要有橫跨類結(jié)構(gòu)和腕臂支持兩類；定位裝置部分保證了接觸線的穩(wěn)定和弓網(wǎng)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(chǔ)部分主要起承受載荷的作用，載荷一般來自自然界的風(fēng)、冰以及系統(tǒng)自身的接觸懸掛裝置、支持裝置以及附加導(dǎo)線等等，與此同時還可以對附加導(dǎo)線和接觸懸掛部分起到固定的作用。

2供電電壓

當(dāng)前我國電氣化鐵路牽引系統(tǒng)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(jīng)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(wǎng)中，從而為電力機(jī)車提供能源。經(jīng)變電系統(tǒng)之后，電力機(jī)車的母線額定電壓為25kV，因此與之相關(guān)的動力機(jī)車和基礎(chǔ)網(wǎng)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(xiàn)。

3接觸網(wǎng)

接觸網(wǎng)實際上就是一個供電網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)對象是動力機(jī)車。動力機(jī)車通過介質(zhì)受電弓能夠與電網(wǎng)接觸，從而獲得所需要的能源。在電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中，接觸網(wǎng)的應(yīng)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(tǒng)主要使用的是溪流變壓器供電方式，然而隨著應(yīng)用實踐的增加，發(fā)現(xiàn)其達(dá)能的損耗非常大，因而當(dāng)前的主要供電方式已經(jīng)轉(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)出現(xiàn)負(fù)序電力的概率很大，給電力系統(tǒng)帶來的負(fù)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(yōu)點有：一是容量利用率達(dá)到了100%；二是變電所所需設(shè)備數(shù)量比較少，因而成本較低；三是可以實現(xiàn)牽引網(wǎng)的雙邊供電；四是可以實現(xiàn)供變電所內(nèi)自用電和三相負(fù)荷。缺點有：電力系統(tǒng)的三相負(fù)荷不對稱，不對稱系數(shù)是0.5，對系統(tǒng)能夠產(chǎn)生一定的負(fù)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(yōu)點有：一是供電安全、可靠性高，三相變壓器技術(shù)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(tǒng)的需求；三是方便供應(yīng)變電所內(nèi)和地區(qū)的三相用電；三是能夠?qū)嵭须p邊供電。缺點有：一是電力系統(tǒng)的三相負(fù)荷不對稱，不對稱系數(shù)為0.5，；二是接線很復(fù)雜，所涉及的設(shè)備很多，占地面積大，工程造價高；三是系統(tǒng)的維護(hù)和檢修工作復(fù)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(tǒng)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(tǒng)的另一相。這種接線方式的優(yōu)點有：一是只要兩臂負(fù)荷大小和功率因數(shù)相等，電力系統(tǒng)的三相負(fù)荷是對稱的；二是方便供應(yīng)變電所內(nèi)和地區(qū)的三相用電；三是變壓器容量的利用率高；四是能夠?qū)嵭须p邊供電。缺點有：一是接線很復(fù)雜，所涉及的設(shè)備很多，占地面積大，工程造價高；二是系統(tǒng)的維護(hù)和檢修工作復(fù)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(tǒng)的零序電流保護(hù)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(chǔ)上實現(xiàn)三相到兩相的變換。這種接線方式的優(yōu)點有：一是只要兩臂負(fù)荷大小和功率因數(shù)相等，電力系統(tǒng)的三相負(fù)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(qū)三相用電；四是牽引網(wǎng)可以實行雙邊供電。缺點有：一是工程造價高，變壓器的結(jié)構(gòu)復(fù)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(wǎng)的影響

5.1諧波的危害和影響

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

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5.1.1諧波會造成電網(wǎng)中各電氣設(shè)備的異常運行。諧波不僅會使電氣設(shè)備產(chǎn)生噪音、機(jī)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(shè)備產(chǎn)生過熱、絕緣老化的現(xiàn)象，從而大大降低了使用壽命，損壞設(shè)備。

5.1.2諧波會使線路發(fā)生過熱的現(xiàn)象，嚴(yán)重時可能發(fā)生火災(zāi)。諧波的存在增加了電網(wǎng)中各元件的諧波損耗，從而降低了發(fā)電、輸電和用電設(shè)備的效率。當(dāng)中線中流過大量的三次諧波時可能會引發(fā)線路的火災(zāi)事故。

5.1.3諧波會造成電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)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(hù)和自動控制系統(tǒng)造成一定的影響，致使它們發(fā)生錯誤的動作。除此之外，還大大影響了電氣測量儀器的準(zhǔn)確性。

5.1.5諧波會對電網(wǎng)周圍的通信系統(tǒng)造成一定的影響，一般都會降低通信質(zhì)量。嚴(yán)重的時候會使通信系統(tǒng)崩潰，使其無法工作。

5.2負(fù)序的危害和影響

5.2.1對發(fā)電機(jī)的影響。當(dāng)負(fù)序電流通過發(fā)電機(jī)定子繞組時，將會感應(yīng)出很大的附加電流，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子表面的溫度升高。與此同時，還會增加轉(zhuǎn)子的脈動轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生發(fā)電機(jī)的附加振動，這對發(fā)電機(jī)的正常運行十分不利。另外，由于發(fā)電機(jī)是向不對稱的負(fù)荷供電，因此當(dāng)其中最大的一相電流達(dá)到額定值時，其他兩相還未達(dá)到額定值，也會在一定程度上降低發(fā)電機(jī)出力。

5.2.2對感應(yīng)電動機(jī)的影響。負(fù)序電壓在一定程度上減小了正序電壓，從而降低了電動機(jī)的出力。另外負(fù)序分量的存在會產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場，直接限制了電動機(jī)的出力，大大地降低了電動機(jī)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(fù)序的存在使得三相電流不再對稱，因此當(dāng)最大相的電流達(dá)到額定電流或者允許的過載值時，其他兩相還未達(dá)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(fù)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(fù)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(shè)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(chǎn)生諧波。具體的做法有以下四種：一是在電力機(jī)車上安裝并聯(lián)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(chǎn)生；三是調(diào)整電力系統(tǒng)的運行方式以及增大其容量，從而加強(qiáng)系統(tǒng)抗諧波干擾的能力；四是改進(jìn)電力機(jī)車，降低諧波的含量，筆者認(rèn)為可以采用功率較大的交流傳動電力機(jī)車。

5.3.2負(fù)序的改善措施。對于電力系統(tǒng)來說，首先可以在發(fā)電廠或者變電所安裝特殊的同步調(diào)相機(jī)。同步調(diào)相機(jī)不僅可以吸收高次的諧波電流，還可以承受較大的負(fù)序電流，且負(fù)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(diào)相機(jī)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(tǒng)中的負(fù)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(fù)序的電流的分配情況，達(dá)到減小負(fù)序?qū)Τ惺苣芰^弱設(shè)備影響的目的。最后，在局部地區(qū)可以采用限制供電臂機(jī)車負(fù)荷的方式來減小負(fù)序電流的影響。電力系統(tǒng)中每個點對負(fù)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(fù)序百分?jǐn)?shù)，在電力機(jī)車運行的過程中，只要將負(fù)序控制在這個值之下，就不會對電力系統(tǒng)造成明顯的影響。對于牽引供電系統(tǒng)來說，筆者認(rèn)為要選擇合適的牽引變壓器，最重要的是產(chǎn)生負(fù)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(tǒng)要采用換相的連接方式，從而可以使三相牽引負(fù)荷盡量達(dá)到平衡，減小負(fù)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(tǒng)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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