電氣化鐵路同相供電技術探究

康亞周

摘 要 我國電氣化鐵路采用單相供電系統。牽引供電系統存在負序、無功、諧波等電能質量問題，同時過分相裝置存在實現復雜、壽命短、投資大、可靠性低的問題。同相供電技術可從技術上全面取消過分相裝置，實現牽引供電系統全線同相供電，不僅可徹底解決高速列車自動過分相問題。且可避免牽引負荷對電力系統電能質量產生不良影響。從而為電氣化鐵道牽引供電系統的升級改造提供了可行方案。

關鍵詞 電氣化鐵路;同相供電;方案

1同相供電系統結構探析

同相供電系統中的每個變電所均采用單相供電，原邊相位不再輪換，牽引變電所和分區亭處接觸網中可取消分相絕緣器，代之以分段絕緣器。

經過牽引變電所，110kV三相電力系統變為單相27.5kV牽引電壓供給電力機車。所有變電所輸出電壓的相位相同。由于要對電力系統側進行平衡補償，兼諧波、無功補償，因此在變電所內安裝平衡變換裝置BCD（簡稱平衡器）。

經由牽引變電所，110kV三相電力系統變為2X27.5kV系統，變電所出線端分別接至接觸網（T）、軌道（R）和正饋線（F）。正饋線和接觸網之間的電壓為55kV，接觸網和軌道之間的電壓為27.5kV。所有變電所輸出電壓的相位均相同。同樣，為使電力系統側具有三相平衡的特點，在牽引變電所內安裝平衡變換裝置。

由于采用的供電方式不同，此上兩種同相供電系統的總體結構有所不同，尤其體現在牽引變電結構方面。但是，AT供電方式相比直接供電或BT供電更具優勢[1]。

2電氣化鐵路同相供電方案分析

（1）基于無源對稱補償的同相供電方案。無源對稱補償技術是以可調并聯電抗器、電容器為依托，通過并聯無功補償或并聯電容補償來消除或消弱單相牽引負荷引起的系統不平衡，同時兼補無功，從而實現同相供電。從理論上來說任何一種接線形式的牽引變壓器均可以構造出三相/單相對稱變換系統，實現同相供電。在結合常規接線的牽引變壓器的對稱補償時，如YNdll變壓器、vv變壓器，必須在三個端口均安裝可調補償器，這就使得補償裝置的總安裝容量大于牽引負荷容量，增大了投資，補償設備容量利用率偏低，補償協調的控制手段和設備較為復雜。而采用特殊接線，如不等邊Scott接線、不等邊V，V接線等的對稱補償技術，只需在制定兩端口設置補償容量，使得補償裝置總安裝容量小于牽引負荷容量，簡化了系統結構，并能實現與單相牽引變壓器相配合。隨著電力電子技術的發展，在對稱補償理論基礎上提出了基于有源補償的同相供電技術方案。

（2）基于有源補償的同相供電方案。為了有效解決電網諧波污染和無功沖擊等問題，隨著電力電子器件的發展，有源對稱補償技術得到了大量的研究和運用。同相牽引供電系統是在現行牽引供電系統結構的基礎上在各個牽引變電所內引入平衡變壓器和變流器，使現有變電所的兩供電臂合并，實現單相供電，接觸網各區段電壓相位相同。在由平衡變壓器供電的牽引系統中，當兩個供電臂的負荷相等時，即兩個負荷的電流幅值相同、功率因數相等時，變壓器高壓側的三相電流是對稱的，利用平衡變壓器的這個特性在如下圖中機車所需的有功功率是變壓器提供，同時當兩個供電臂的負荷不相等的情況下，右邊的變壓器提供一部分有功功率給左邊的供電臂，其結果是變壓器兩個繞組均輸出相同的有功功率，實現供電臂有功功率平衡，并且供電臂的無功功率由兩個四象限變流器提供，最終實現兩個供電臂電壓和相位的相同，取消變電所出口分相。

（3）組合式同相供電方案。在現有同相供電系統的基礎上加以改善后提出的組合式同相供電系統，能夠實現補償裝置容量最小化、技術經濟最優化的目標，因此對組合式同相供電設計方法進行研究有著更為實際的意義。①單相組合式同相供電。單相組合式同相供電原理是由牽引變壓器TT和高壓匹配變壓器HMT構成不等邊的Scott變壓器，即一種供電容量不等，電壓相位垂直幅值相等的特殊類型的平衡變壓器。當單相組合式同相供電系統正常運行時，單相變壓器和交直交裝置一同給牽引網負荷供電，其中牽引變壓器承擔主要的供電任務，交直交裝置承擔次要的供電任務，即牽引負荷的計算容量為牽引變壓器計算容量與交直交裝置的計算容量之和。交直交裝置的計算容量由引起三相電壓不平衡度超標部分的牽引負荷容量確定。②單三相組合式同相供電。對于現有電氣化鐵路的改造和原邊需要大電流接地的情況來說，單三相組合式同相供電系統更加滿足鐵路設計需求。組合式同相供電技術是新一代牽引供電系統的最關鍵技術之一，它不僅可用于鐵路的新線建設，也方便于我國高速鐵路、重載鐵路廣泛采用的單相接線（型）牽引變電所的同相供電改造與升級，具有良好的適用性。比較單相組合式同相供電與單三相組合式同相供電可見，組合式同相供電方案省卻了一級匹配變壓器，這不僅節約成本，減少占地，還可提高系統效率。新發展起來的MMC（modularmultileveconverter）技術可以使交直交變流器直掛于牽引母線，則可進一步省卻牽引匹配變壓器。

（4）雙邊供電技術。雙邊供電就是用分區所SPk中的斷路器將相鄰的牽引網TNk和TNk+1聯通，相鄰的牽引變電所SSk和SSk+1對TNk和TNk+1構成雙邊供電。新的雙邊供電方案是在SSk的牽引饋線串接電抗器Lk，在SSk+1的牽引饋線串接電抗器Lk+1，SSk用單相牽引變壓器TTk，SSk+1用單相牽引變壓器TTk+1，分別在公共連接點PCCk和PCCk+1處接入電力系統輸電線ABC。電力系統與牽引變電所的電氣聯結方式稱為外部供電方式，它取決于電力系統結構以及其與牽引變電所的相對位置等因素。一般說來，有環形單回路、環形雙回路、單電源雙回路、放射式等方式[2]。

3結束語

針對電氣化鐵路牽引供電系統存在的大量負序、諧波、無功等電能質量問題，本文介紹了傳統同相供電技術方案及其局限性，介紹了有源補償設備容量最優化的組合式同相供電技術方案，最后提出了新型雙邊供電技術方案，為同相供電的理論研究和實際應用提供了參考。

參考文獻

[1] 肖剛.基于MMC的同相供電實驗系統研究[D].成都：西南交通大學，2016.

[2] 胡家喜，周方圓.電氣化鐵路列車過分相技術現狀及發展[J].機車電傳動，2019，（3）：1-5.