電氣化鐵路雙邊供電技術應用研究

李群湛，王 輝，解紹鋒

0 引言

電氣化鐵路列車負荷為大功率單相負荷，通過牽引供電系統從三相電力系統直接獲取電能[1，2]。列車負荷取電時會在三相電力系統中產生負序電流分量和負序電壓分量。為降低負序分量對電力系統的不良影響，現行慣常做法是將電氣化區段的各牽引變電所的供電臂（單相牽引負荷）輪換接入三相電力系統的不同相別（相電壓或線電壓），即電氣化區段內各牽引變電所饋出不同相別的電能為列車負荷供電。不同相別的牽引網之間需設置電分相，電分相中間設置不帶電的中性段，形成無電區。電分相亦簡稱分相，現行牽引供電系統有兩類分相，一類位于變電所出口處，一類位于兩相鄰變電所之間的分區所處。列車通過電分相的過程稱為過分相[3，4]。電分相環節是牽引供電系統中最薄弱的環節之一，不僅成為列車速度和牽引力損失的主要原因，也是限制運輸能力的瓶頸[5，6]。

為避免列車帶電過分相引發相間短路和拉弧燒損接觸網而造成事故，最常用、最直接的方法是使列車斷電利用慣性通過電分相。列車過分相存在失電、增加列車運行時間、產生過電壓、影響弓網狀態、降低供電可靠性等問題。列車的牽引需要電能，而且制動首選電制動，也需要電能，過分相失電不僅影響牽引和運力，也影響制動和安全性。同時，電分相分割了兩個供電臂，短供電臂也不利于列車再生電能被同行車經濟地吸收、利用。

電分相問題一直是制約電氣化鐵路發展與運用的瓶頸，尤其對于復雜艱險山區、大坡道、重負荷鐵路，電分相的影響因素日益受到各方關注，如何減少甚至取消電分相也備受各方關注。目前，我國高原鐵路涉及青藏鐵路和川藏鐵路，坡道長、大、多，川藏鐵路橋隧比極高，客貨混跑，過分相失電會使列車掉速，不僅影響運力，還存在趴窩風險，一旦出現停車和列車長時失電，將釀成事故，甚至停電造成制氧機停運，危及乘客生命安全，后果不堪設想。雙邊供電技術可以進一步取消相鄰牽引變電所間分區所的電分相，本文將從系統方案、技術可行性以及供電安全性等方面對雙邊供電技術的應用進行探討。

1 電氣化鐵路雙邊供電技術

電氣化鐵路雙邊供電是指在分區所實現連通供電，列車由原來的單邊供電的單個牽引變電所取電，實現從兩個相鄰的牽引變電所（甚至更遠的其他變電所）同時取電的一種供電方式。

將電力系統對牽引變電所的供電方式稱為外部電源的供電方式，其包括環形（雙側）單回路、環形（雙側）雙回路、單電源（單側）雙回路和放射式（樹形）供電。外部電源供電方式的選擇與牽引負荷的用電等級和電力系統的分布情況等有關，顯然，電氣化鐵路單邊供電的外部電源供電方式對于雙邊供電仍適用。

實現雙邊供電應至少滿足以下條件[2]：（1）兩相鄰近牽引變電所需由同一電力系統供電，以確保具有相同的頻率；（2）兩相鄰近牽引變電所牽引端口應同相。

根據外部電源構造的不同，將電氣化鐵路雙邊供電分為樹形雙邊供電和平行雙邊供電兩種供電方式。樹形雙邊供電是指2個牽引變電所TS1和TS2之間的分區所連通，TS1和TS2的外部電源均能夠追溯至電力系統的同一變電站，即外部電源對鐵路構成輻射式供電，如圖1所示。圖1（a）中TS1和TS2的外部電源均同時來自電力系統變電站S1或S2的同一母線的不同分段；圖1（b）中TS1和TS2的外部電源均同時來自電力系統變電站S3的同一母線的不同分段。

圖1 樹形雙邊供電示意圖

平行雙邊供電是指2個牽引變電所TS1和TS2之間的分區所連通，TS1和TS2分別取電于電力系統同一輸電線，輸電線兩端通常可追溯到2個變電站S4和S5。圖2為一種平行雙邊供電示意圖。

圖2 一種平行雙邊供電示意圖

2 電氣化鐵路雙邊供電技術可行性分析

相較單邊供電，雙邊供電牽引網的電壓損失和電能損失進一步減小，網壓水平進一步改善，供電可靠性和再生制動電能利用率進一步提高。目前包括俄羅斯在內的蘇聯國家電氣化鐵路主要采用雙邊供電方式[7]，該方式是一種平行雙邊供電方式。由于牽引網與電力系統（等效）輸電線或母線并聯，會在牽引網中增生電流分量，將該電流分量稱為均衡電流，對應的潮流分量稱為穿越功率。穿越功率的存在會導致電費計量的改變。相較于平行雙邊供電，采用樹形雙邊供電時，在兩牽引變壓器變比一致的情形下，均衡電流和穿越功率為0[8]。此時，樹形雙邊供電不需要增加額外措施，即可實現無均衡電流供電。我國部分線路具備形成樹形雙邊供電的線路條件，如神華巴準線的四道柳牽引變電所和納林川牽引變電所，格庫線的東柴山、油砂山、茫崖鎮牽引變電所，神華朔黃線的小覺、回舍、靈壽牽引變電所等。

同單邊供電方式類似，當負序超標時，雙邊供電需要考慮負序的治理。對于平行雙邊供電，2個牽引變電所對應于2個不同的公共連接點（Point of common coupling，PCC），負序治理參照單邊供電方式即可，即在每個牽引變電所采用有功型補償方案，該方案視為一種分布式補償。有功型補償方案最典型的就是采用組合式同相供電。組合式同相供電又分為單三相組合式和單相組合式2種，如圖3所示，先后被應用于山西中南部通道的沙峪牽引變電所和溫州市域鐵路S1、S2線等。對于樹形雙邊供電，除采用上述分布式有功補償外，當外部電源均來自于同一個變電站時，以該變電站的母線為PCC進行負序考核，選擇其中的一個變電所進行負序集中補償，其他變電所采用最簡接線主變-單相主變即可，如此安排便于設備維護和管理。負序集中補償宜采用無功型補償方案，即由匹配變壓器和單相靜止無功發生器（Static var generator，SVG）組成的方案，匹配變壓器可采用YNd接線和Dd接線等，在匹配變壓器的次邊相應端口設置SVG對負序進行動態治理，如圖4所示。

圖3 組合式同相供電方案示意圖

圖4 無功型補償方案示意圖

實行雙邊供電后，為了減小牽引網故障范圍，提高牽引網故障定位的精度，宜采用牽引網分段保護與狀態辨識技術，一個分段示意如圖5所示。圖中LH為電流互感器，YH為電壓互感器，通過采集相應的電流和電壓信號，根據相應的判據可以實現更加準確、更小范圍內的故障辨識及故障切除，提高供電的可靠性。

圖5 分段保護示意圖

3 供電安全性及優勢分析

雙邊供電系統由輸電線、變壓器、開關（斷路器、隔離開關）、母線、電機、電抗器、電容器等元件組成。計N為供電系統的獨立元件數，“N-1原則”是判定電力系統安全性的一種準則，又稱“單一故障安全準則”。按照該準則，供電系統的N個元件中的任一獨立元件發生故障而被切除后，應不造成因其他線路過負荷跳閘而導致用戶停電，也不破壞系統的穩定性。

樹形雙邊供電的兩路高壓進線來自同一地區變電站的不同分段母線或兩個不同變電站，均屬于兩路獨立電源，滿足鐵路作為一級負荷的要求，安全性、可靠性可以得到有效保障。平行雙邊供電的兩路高壓進線來自兩個不同變電站，也屬于兩路獨立電源，滿足鐵路作為一級負荷的要求，安全性、可靠性可以得到保障。

對于樹形雙邊供電而言，可以進一步實現多個牽引變電所間的雙邊供電，牽引變電所TS1、TS2、…、TSn構成一個變電所群，該供電方案稱為牽引變電所群貫通供電方案[8]。牽引變電所群貫通供電方案如圖6所示，采用該方案可以進一步取消線路中的電分相。但需注意的是，隨著同一群中變電所數量的增加，外部高壓輸電線的數量和長度會增加，投資也會增加。從既有鐵路和變電所的供電范圍來看，通常1個變電所群不超過3座變電所為宜。

圖6 牽引變電所群貫通供電方案

以雙邊供電為特征的變電所群供電方案可以取得更好的技術經濟效益。以青藏鐵路格爾木至拉薩段（簡稱格拉段）為例，該線路為國家Ⅰ級單線鐵路，線路全長1 136.338 km，其中海拔4 000 m以上地段長度約為960 km。格拉段的線路限坡和牽引負荷均較大，且沿線的自然條件較惡劣，線路中的無電區應盡可能少。全線采用樹形變電所群雙邊供電方案后，與傳統供電方案相比，牽引變電所數量減少了20%（6座），且牽引負荷分布更加合理，列車再生能量能夠得到充分利用；分相數量由原來的57處減少為8處，可以有效解決坡度大、坡道長、不宜設置分相的突出問題，減少供電設施的運維工作量，提高供電可靠性。

4 結語

本文從系統方案、技術可行性、供電安全性等方面對雙邊供電技術的應用進行了探討。根據外部電源的結構，將電氣化鐵路雙邊供電分為樹形雙邊供電和平行雙邊供電，樹形雙邊供電可以實現無均衡電流供電。當外部電源滿足時，雙邊供電優于單邊供電，且技術先進可行。以青藏鐵路格拉段為例，全線采用樹形變電所群雙邊供電方案后，有效解決了坡度大、坡道長、不宜設置分相的突出問題，減少了供電設施的運營維護工作量，提高了供電的可靠性。

收稿日期：2021-07-07