電氣化鐵路機車牽引傳動供電控制系統設計

許向陽

（中鐵十一局集團電務工程有限公司，湖北 武漢 430074）

1 我國電氣化鐵路以及相關系統的綜述

我國安全電氣化鐵路的安全系統牽引行動供電安全系統之所以出現，主要部分是因為安全電氣化鐵路所產生需要的安全牽引電能太大，而對于我國的安全電氣化鐵路本身卻完全沒有什么辦法，能夠承載這些相關安全電能所產生特殊牽引電流中的能量。所以我國安全電氣化鐵路安全牽引行動供電安全系統，主要部分是通過我國鐵路安全牽引變電所如圖1 所示，以及安全鐵路牽引變電網這兩個部分共同連接組成的。其中我國鐵路安全牽引變電所基本要求是依據真實鐵路用電量的需求情況來進行轉變牽引電力，通常我們利用的鐵路牽引變電所主要部分是由開閉所、分區亭、電氣化鐵路牽引行動變電器以及相關的鐵路牽引行動變電安全監測儀器所共同連接構成。而我們日常使用的鐵路牽引變電網，主要部分是把鐵路牽引變電所中所有需要轉換的牽引電力安全信號，供應連接到其所對應的牽引行動式發電機和制動車上，牽引變電網主要部分是由牽引電壓控制接觸網、正和負反饋牽引電線、軌道供電回路和其他相關的牽引回流供電線路共同連接構成[1]。

圖1 牽引變電所

2 牽引供電系統供電方式概述

從目前情況來看，世界廣大范圍內的我國高速鐵路供電建設已經初步取得了十分可觀的發展成效，高速鐵路建設中的高速牽引系統供電管理系統也已經成為目前人們非常關注和開展研究的一項重點技術內容。這種高速牽引系統供電管理系統一般我們可以分成兩個大部分應用來進行分析，分別是移動變電站和移動接觸網，二者共同維護配合、共同維護運行，這才能有效確保高速牽引系統供電的正常順利進行。然而高速變電所系統作為高速牽引電網供電控制系統的一個核心組成部分，其主要負責是將牽引電網系統中的三相交流高壓電轉變成用于高速鐵路正常運行所產生需要的剩余電能，并且對其進行三相降壓直流供電。另外，變電站還需要將電能轉換過程完成的剩余電能輸送到鐵路接觸網中，確保牽引電力機車系統能夠從中充分調用剩余電能用以維持正常鐵路運行。同時為了有效地地確保高速機車車輛電能服務運行穩定調用的安全性和穩定性，我們還必須對高速機車電能接觸網的車輛電能服務運行調用原理控制進行一些深入性的研究，其基本原理我們可以明確地被稱作接觸電網，它是高速機車車輛電能服務運行調用輸送的重要交通橋梁和電能連接重要媒介。

不難看出，接觸式電網本身如果能夠同時運行承受電和輸送機車電能的多少，將來也一定會直接影響電動機車到高速鐵路電力機車的車輛電能服務運行穩定調用情況。因此我們必須需要深入研究，如何采取一套安全相應的電能管理控制方法，才可以有效保證高速機車電能接觸網的穩定運行供電，以及同時承載對機車電能的運行調用管理能力，保證電力機車控制接觸網的正常工作運行可靠性能。另外，從三相交流電動供電系統控制交流電壓的基本設計原理角度和從分析結果來看，中國的交流牽引穩定電力機車控制網絡，普遍需要使用所采取的調壓方式，主要是單相50Hz 的三相高壓交流變頻高壓電動供電系統控制調壓方式。電網三相交流高壓輸出的最大控制電流電壓控制輸出電壓通常為220kV 或者110kV，而目前用于控制牽引電動機車供電系統控制調壓系統的三相交流高壓變電所使用，需要通過接收電流檢測器得到的最大電流電壓，這種稱為交流電的高壓電。牽引電力機車直流供電系統控制降壓系統的工作原理，由于變電站一般會直接借助直流供電變壓器等直流供電控制設備，對牽引機車直流高壓后的電流源線路進行供電整流降壓處理，還將機車高壓后的電流直接通過線路輸入輸送到電力機車供電接觸網中。

舉例分析，變電站通常會為新型電力機車內部牽引傳動母線供電設備，實際提供額定工作的電壓設定為25kV，如圖2 所示。因此新型鐵路電力機車、接觸網等配套機車供電系統設備的額定實際工作電壓也為25kV，但是目前由于我國大部分的鐵路中國境內高速鐵路配套機車供電系統設備工作電壓都通常設定是110kV，這就直接導致使得很多電力機車供電接觸網和配套機車供電系統設計不夠完善。

圖2 牽引供電系統

3 中國電氣化鐵路機車牽引傳動供電控制系統設計研究

3.1 提高牽引變電所可靠性

（1）確保供電設備的正常整體運行質量，避免出現過多的技術故障。必須根據實際使用情況進行選擇最合理的故障處理解決方案，比如某些特殊情況下只要是需要定期更換一個零件，就已經可以繼續維持正常設備運行，就不必對整個供電設備零件進行任何更換，只有這樣我們才能更好的有效保障我國高速鐵路上的牽引制動供電設備系統的經濟整體效益。

（2）牽引雙進供電方法系統的使用變電所，一般通常情況下只能直接利用雙進牽引供電法系統，為整個牽引供電接觸網系統提供主要電能。而采用牽引雙進供電法的系統，本身一般是不需要具備電力發電傳輸功能的，其所有的主要電力使用能源都只是來自于一個國家電網，因此在國家電網的網絡穩定性已經出現重大問題的時候，牽引雙進供電法的系統必定會同時發生同樣的供電問題[2]。當在這種情況下，牽引交流傳動電力供電系統控制設備系統的日常設備維護，可能已經無法完全有效率的解決這個重大問題，這無疑已經是目前我們必須又一次需要重新認真面對的一個重大技術難題，為了有效率的解決這種重大問題，我們同時還需要盡可能的選擇采取多一個回路多組牽引交流供電法，也就是說同時還需要考慮安排多個回路牽引交流電力供應器的來源，以有效率的避免多個牽引交流傳動電力供電系統，控制設備系統同時工作發生嚴重電路癱瘓。

3.2 提高牽引網可靠性

（1）牽引供電接觸網很大一部分產品結構都可能是直接完全暴露于其在外的，外界的各種天氣變化因素以及外界氣候變化因素很多都可能對其產品質量性能，產生不可忽視的直接影響。因此我們一定要努力保證提高牽引接觸網的額外耐腐蝕性，從提高硬件保護設備產品質量以及額外抗腐蝕鍍層處理兩個方面進行入手，選擇優質的牽引電網結構材料、做好額外的鍍層處理，通過鍍層電鍍等多種方式可以提高其對牽引接觸網內部結構所適應對各種外界影響的防御能力。

（2）牽引網供電網絡建設是我國電力機車變電所與電力牽引所等電力機車之間，互相連接傳遞電并傳輸所用電能的重要交通橋梁，承擔著十分重要的安全保護責任，因此我們必須嚴格進行要求，保證我們組成電力牽引網與電力互聯網的每一個重要設備零件的相關產品質量。在我們需要購進特殊不同類型重要零件的同類產品的這時候，需要及時進行記錄其重要零件安裝生產商的零件批號和相關零件安裝生產商，這樣一來在我們遇到可能發生重要零件質量故障的特殊情況的時候，我們才能夠及時進行追尋和檢查找到其他的零件故障來源，并且我們能夠及時找到將該零件及時安裝在工廠的安全責任管理人員，并對其進行及時的零件檢修事故補救和零件善后處理。

3.3 提升電氣化鐵路牽引供電系統的安全分析對策

就目前情況來看，我國電氣化鐵路建設在初期的運量普遍不高，安全供電系統的供電能力也沒有得到更加豐富的利用，這也就形成了建設資源上的極大浪費。所以項目中相關的技術操作人員，應該對電氣化鐵路的安全牽引供電容量逐漸優化的問題不斷展開深入的分析討論，確保該系統的安全平穩運行的同時也盡可能地減少相關方面的資本投入，實現企業經濟效益的最大化。雖然對于電氣化鐵路供電牽引操作系統的安全可靠性討論和分析的舉措，以及相關思路都已經逐漸完善和健全，但是鐵路整體的牽引供電系統同樣存在著很大的安全問題和一系列的挑戰，這樣就容易導致電氣化鐵路牽引供電系統不能夠及時依照預期討論和分析把電力不斷傳輸到電車動力組，進一步確保我國電氣化鐵路的安全運行日常工作[3]。所以一定要采取有效的措施來提升電氣化鐵路牽引供電系統的安全可靠性，進一步確保電力動車組需要消耗的電量應該得到滿足。為了更好地得到我國電氣化鐵路供電牽引系統安全可靠性分析討論的結果，一定要確保鐵路的牽引變電器以及牽引網的安全設備的質量水平，逐漸降低安全故障的發生概率，提升鐵路設計的標準和要求，使得我國鐵路牽引供電系統各種部分的零件、元件的安全質量超過標準要求，從而可以在最大限度上減少很多不必要的安全故障發生，進一步有效地提升我國電氣化鐵路牽引供電系統的安全可靠性能。

3.4 故障診斷

高速電氣化鐵道牽引變電所綜合自動化系統的高壓設備絕緣在線監測模塊，包括對變電所的變壓器、高壓斷路器、避雷器和電容型設備的絕緣和工作狀態進行實時的監測，并及時對設備的狀態進行判斷，作出相應的處理，以保證鐵路運輸的正常運行。

隨著近年來計算機技術和通信技術的快速發展，特別是應用于工業現場的現場總線技術的發展，可以采用總線式結構的絕緣在線監測系統。各個在線監測模塊就近安裝于設備附近，具有獨立的信號提取、信號預處理、刀轉換、信號處理功能，并通過現場總線與主機進行通信，真正實現絕緣參數和工作狀態的分散式測量。在線監測的數據將被送入絕緣診斷系統。利用神經網絡、推理等人工智能技術，綜合各種離線、在線數據，結合現場人員多年寶貴和豐富的經驗，對設備狀態進行有效檢測[4]。并借助網絡對信息進行傳輸、存儲，及時地分析處理，給出相應的狀態信息，以利于現場運行人員及時處理，必要時也可以通過綜合自動化系統的其他模塊做出緊急處理，可以大大的提高整個牽引供電系統管理水平和自動化程度。

4 結語

總而言之，高速鐵路干線牽引交流供電運輸系統的日常維護和設備管理工作，直接決定了其系統整體的設備運行服務效果，也就直接決定了推動我國高速鐵路運輸事業持續發展的相對穩定性。因此在今后的相關工作中，我們必須一定要就此類的課題工作進行進一步的理論研究和經驗分析，爭取盡快找到最佳的管理措施和解決手段，提高高速牽引供電網和干線變電所的設備運行服務質量，為推動我國高速鐵路運輸事業的持續進步發展作出貢獻。