鐵路電力供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

陳永濤

（保定朝雄電氣化電力器材有限公司，河北 保定 071806）

近年來，隨著我國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，鐵路企業(yè)內(nèi)部也在積極地推動和合理地安排鐵路電力系統(tǒng)的運(yùn)輸計劃。在此基礎(chǔ)上，提出了鐵路供電部門要充分認(rèn)識鐵路供電的重要意義，積極發(fā)展自身的運(yùn)輸功能，多角度確保鐵路供電安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。一般來說，鐵路供配電系統(tǒng)包括外部供電、配電和高壓輸電，為了提高高速鐵路供電系統(tǒng)的管理水平，工作人員積極利用計算機(jī)和先進(jìn)的通信技術(shù)對鐵路供電系統(tǒng)運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)控，從而減少鐵路供電系統(tǒng)的操作誤差。

1 鐵路電力供電系統(tǒng)組成及原則特點(diǎn)分析

1.1 系統(tǒng)組成

從結(jié)構(gòu)上看，鐵路電力供電系統(tǒng)包括線路上的變配電所、貫通的電力線路、室外照明、電力配線、監(jiān)控設(shè)備等。為了提高鐵路供電系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和安全性，必須保證以上各子系統(tǒng)之間的協(xié)同工作。

近年來，隨著智能管理的發(fā)展和生產(chǎn)技術(shù)自動化程度的提高，鐵路供電企業(yè)積極將智能與自動化技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對電力供電系統(tǒng)的全程監(jiān)控管控。如何運(yùn)用機(jī)電設(shè)備監(jiān)測、火災(zāi)自動報警等技術(shù)，有效地避免了過去手工操作中出現(xiàn)的錯誤，提高了電力供電系統(tǒng)的安全和可靠性。

圖1 供電組成

1.2 供電原則

針對高速鐵路電力供電系統(tǒng)，在確定供電原理時，應(yīng)從三個方面進(jìn)行研究和分析：一方面，供電系統(tǒng)應(yīng)嚴(yán)格遵守客運(yùn)線路安全可靠供電的概念要求；另一方面，我們將從免維護(hù)、小修和實(shí)行休班原則等方面，主動改進(jìn)和完善現(xiàn)有鐵路供電系統(tǒng)，確保鐵路供電系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。同時，從可靠、安全、可靠的理念出發(fā)，結(jié)合各用電裝置的實(shí)際需要，對不同等級的供配電系統(tǒng)進(jìn)行比較和分析。除非是由于不可抗拒的原因或人為的破壞，否則，鐵路供電系統(tǒng)的可靠性必須滿足24h運(yùn)行的要求，包括天窗的維護(hù)時間。此外，必須嚴(yán)格遵守鐵路供電標(biāo)準(zhǔn)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的原則，盡可能地降低維護(hù)和維護(hù)費(fèi)用。

1.3 供電特點(diǎn)

根據(jù)運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，鐵路供電系統(tǒng)具有以下供電特點(diǎn)：

（1）鐵道供電系統(tǒng)的電壓水平比較低，變電站結(jié)構(gòu)比較單一。就國內(nèi)大部分高速鐵路的運(yùn)營工作來說，在電壓等級上都是要求比較低的，從實(shí)際出發(fā)，從電力系統(tǒng)的使用標(biāo)準(zhǔn)來看，高速鐵路的電力系統(tǒng)主要是10kV和35kV。同時，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較單一，對電力負(fù)荷的要求也比較低。

（2）線路電源系統(tǒng)的接線方式比較簡單。有別于其他電力供電系統(tǒng)，在線路的接線方式上，它是一種典型的輻射型電網(wǎng)。其中，鐵路變電站應(yīng)沿線路方向合理布置。并根據(jù)科學(xué)合理的接線方法，在以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確保其連續(xù)供電，這種模式的接線形式可以分成兩類：孤線和貫通線。通常情況下，在線路上的線路能夠使各變電站間的線路達(dá)到高效的銜接，為線路的安全運(yùn)行提供可靠的供電保障。

（3）在可靠性和安全的需求上，鐵道電力供電系統(tǒng)的性能更好。從客觀上講，鐵路網(wǎng)是以鐵路為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)發(fā)電、運(yùn)輸、客運(yùn)和其他能源供應(yīng)功能。它的主要目的是提供電力盡管線路供電方式比較簡單，但其供電中斷時間通常不能超過150s。一旦超出此限度，將會危及高速鐵路的安全運(yùn)營。

2 鐵路電力供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 配電自動化控制形式

2.1.1 分布控制

分布式控制模式是電力系統(tǒng)的一個重要組成部分，它把傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)的綜合保護(hù)和電力系統(tǒng)的電氣保護(hù)轉(zhuǎn)換成了配電自動化，從而保證了電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和通信監(jiān)測能夠達(dá)到統(tǒng)一的發(fā)展目的。由于配電網(wǎng)自動化終端具備故障診斷和隔離的作用，使得整個電力系統(tǒng)無須經(jīng)過主站即可進(jìn)行整體的調(diào)整和優(yōu)化，而且能夠在某種程度上對電力系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)。在實(shí)際中，可以從電流技術(shù)和電壓-時間兩方面進(jìn)行分配控制。然而，由于分布控制的作用是重疊的，所以在多個區(qū)間的鐵路上并不適合。對線路較為簡單的電力系統(tǒng)，提出了一種分布式控制系統(tǒng)。

2.1.2 集中控制

集中控制模型是配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時反饋，主基站統(tǒng)一消除這些故障，然后，通過精確的計算和分析建立科學(xué)合理的恢復(fù)方案，通過實(shí)際運(yùn)行向配電系統(tǒng)提供最終反饋。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，中央控制對可靠性和安全性提出了更高的要求，通常需要保證工業(yè)系統(tǒng)的高可靠性和安全性能，以保證能夠快速地傳遞信息，并執(zhí)行相應(yīng)的指令。這樣，就能將故障分離出來，并進(jìn)行高效的處理。根據(jù)過去的經(jīng)驗(yàn)，中央控制模式在功能上有以下幾個特點(diǎn)：（1）配電自動化終端的有關(guān)設(shè)備可以對整個系統(tǒng)的工作進(jìn)行監(jiān)控和分析，并將收集的數(shù)據(jù)傳輸給主控中心；（2）將數(shù)據(jù)上傳到主機(jī)控制中心根據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理和正確定位。并根據(jù)問題的具體表現(xiàn)提出具體的解決方案，以保證整個系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和安全性；（3）主變電站能夠?qū)崿F(xiàn)對電力系統(tǒng)的集中控制和監(jiān)控，為電力系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和安全提供了保證。

2.2 電力貫通電纜線路的電容電流補(bǔ)償分析

在電力系統(tǒng)的運(yùn)行中，穿線電纜往往會出現(xiàn)接地電容的問題。如果對地電容問題表現(xiàn)得太過突出，這可能導(dǎo)致電纜導(dǎo)體之間的相互干擾和電纜線路的電容電流問題。例如，可能出現(xiàn)變壓器電壓過載、重復(fù)電弧燃燒和電容器過度運(yùn)行等問題。如果這些問題太突出，將會對整個鐵路供電系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響。為了及時解決這個問題，研究者將重點(diǎn)放在了10kV遠(yuǎn)端輸電線路的實(shí)際應(yīng)用上，特別是對電纜線路中電容器的補(bǔ)償進(jìn)行了深入的研究和分析。其中，為了保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，研究人員積極使用補(bǔ)償電抗器并將其應(yīng)用于實(shí)踐。在補(bǔ)償方面，可通過在變電站內(nèi)安裝動態(tài)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和在直線上分散并聯(lián)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)來解決。應(yīng)該指出，從目前國內(nèi)鐵路的實(shí)際運(yùn)行狀況來看，主要采用的是后一種方法。另外，為了及時地對電容進(jìn)行補(bǔ)償，每隔10km就會安裝1臺電抗器。從實(shí)際應(yīng)用中的反饋看來，采用以上方法進(jìn)行處理，基本上能提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。

2.3 貫通線中性點(diǎn)接地方式的合理選擇

根據(jù)國內(nèi)輸電線路的實(shí)際運(yùn)行狀況，目前主要采用的是架空線路。這是由于架空線路的電纜數(shù)量比較少，容量也比較小，因此，在安全和可靠性上有很大的優(yōu)勢。最主要的是，這種線路模式可以在10kV電力系統(tǒng)中不采用中線點(diǎn)接地。但有一點(diǎn)要注意，當(dāng)高速鐵路線路發(fā)生單相接地時，這種接線方式將會造成很大的電壓，從而危及鐵路供電的正常運(yùn)營。為此，提出了采用中性點(diǎn)接地的方法來提高高速鐵路供電的整體可靠性。

2.4 電力貫通線電纜金屬護(hù)層接地方式

針對電力穿線型電纜的金屬護(hù)層接地方式，其接地形式可分為單點(diǎn)接地、中心單點(diǎn)直接接地和雙端直接接地3種方法。根據(jù)目前的實(shí)際應(yīng)用，國內(nèi)大部分的高速鐵路線路都是采用一端單地接地。造成這種情況的主要原因在于，由于高速鐵路的輸電線路通常都是4km以下的，采用集中的單點(diǎn)接地會增大線路的運(yùn)行風(fēng)險。而采用直接接地的方法，既能保證電纜技術(shù)的保護(hù)，又能降低線路的運(yùn)行風(fēng)險。另外，這種模式降低了運(yùn)營成本和成本，有利于提高高速鐵路運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益。

2.5 電力遠(yuǎn)動控制系統(tǒng)分析

鐵路遠(yuǎn)程控制在一定程度上保證了鐵路供電系統(tǒng)的有效運(yùn)行。這是由于電力遠(yuǎn)動系統(tǒng)結(jié)合了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)，根據(jù)鐵路供電的實(shí)際情況，對10kV配電所和貫通的電力線路進(jìn)行了全程自動化監(jiān)控與管理。它與傳統(tǒng)的控制方式相比，能夠?qū)崿F(xiàn)對高壓、低壓、電流等各種參數(shù)的監(jiān)測和管理，并能實(shí)現(xiàn)無人值班和對目標(biāo)的遙控。在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，當(dāng)存在質(zhì)量問題時，通過線路故障檢測和遙控功能，實(shí)現(xiàn)對故障的自動判定和截斷。另外，本系統(tǒng)中的調(diào)度中心還可以實(shí)現(xiàn)與調(diào)度人員進(jìn)行人機(jī)互動的功能，從而降低了以前手工作業(yè)中出現(xiàn)的錯誤。

2.6 對于高速鐵路牽引變電所中的關(guān)鍵設(shè)備分析

高速鐵路牽引變電所的關(guān)鍵設(shè)備很多，而牽引變壓器是其中最重要的一種，目前，國內(nèi)的高速列車主要采用的是中點(diǎn)拔線和V/x接線。（1）分析了單個V/x接線牽引變壓器的使用模式。單個V/x接線牽引變壓器由兩個單相三繞組組成，都是由左右AT牽引網(wǎng)供電，二次側(cè)繞組的中性電被拉出并接地，使得兩個線圈的電壓都在±27.5kV以下，然后，再與F母線或者T母線相連，從而形成AT電源，從而省去了牽引變電站的輸出端AT。采用單個V/x接線牽引變壓器，其優(yōu)點(diǎn)是容量大、使用簡便、接地方式簡單，因此，這種牽引變壓器在國內(nèi)的高速鐵路施工中得到了廣泛的應(yīng)用。（2）對中點(diǎn)拔出型牽引變壓器的使用模式進(jìn)行了分析。中點(diǎn)拔出式斯科特接線牽引變壓器次級端與單個V/x接線牽引變壓器在使用上表現(xiàn)出相似之處，均能將二次側(cè)的中性點(diǎn)拉出并達(dá)到接地，F(xiàn)母線及T母線則能為其提供±27.5kV的電壓。其中，220kV中點(diǎn)拔出型斯科特牽引變壓器是杭甬客專上虞北牽引變電站首次應(yīng)用于世界各地。中點(diǎn)拔出型Scott型牽引變壓器是一種非常常見的平衡型變壓器，它可以有效地減少牽引電源對外部電網(wǎng)造成的不均衡現(xiàn)象，從而有效地解決了這個問題。

2.7 對于全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)的分析

全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)在高速鐵路中得到了廣泛的應(yīng)用，而全并聯(lián)AT網(wǎng)絡(luò)是在AT網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過AT連線完成的，上下兩條都有一臺自耦變壓器，也就是說，所有AT所處的中正饋線和所有AT所處的導(dǎo)線都與軌道并聯(lián)，并且還應(yīng)該位于變電站的出口處，使得上、下兩條饋線都是相同的。由于電網(wǎng)與主饋線的電力表現(xiàn)出某種對稱性，因此，在下行、上行兩條線路之間的電流分布情況也是十分類似的，因此，全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)的供電性能比單AT供電系統(tǒng)以及復(fù)線AT供電系統(tǒng)來說，大大地提高了牽引網(wǎng)的傳輸線路長度，也相應(yīng)地減少了線路中的牽引變電站的實(shí)際數(shù)量，所以，全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)量，所以，全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)的應(yīng)用得到了有關(guān)人士的重視，將其大范圍地應(yīng)用到我國的高速鐵路建設(shè)中。

3 鐵路電力供電系統(tǒng)可靠性提升要點(diǎn)分析

針對鐵路供電系統(tǒng)運(yùn)行中存在的諸多問題,有關(guān)部門必須在以往的規(guī)劃設(shè)計方案中遵循鐵路供電系統(tǒng)可靠性運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn),從多個角度對其進(jìn)行準(zhǔn)確識別與科學(xué)預(yù)防。同時，積極主動地根據(jù)鐵路電力供電系統(tǒng)的最新技術(shù)發(fā)展趨勢，提高其運(yùn)行可靠性。一方面，在高速鐵路供電系統(tǒng)中，必須嚴(yán)格按照國家規(guī)定的要求，配置相應(yīng)的設(shè)備。同時，為了防止線路運(yùn)行中存在的隱患，應(yīng)結(jié)合高速鐵路的實(shí)際情況，選用適當(dāng)?shù)墓╇娫O(shè)備來保證其安全使用。在選用有關(guān)的電源裝置時，員工必須始終把設(shè)備的品質(zhì)作為挑選的準(zhǔn)則。積極地結(jié)合有關(guān)規(guī)范的內(nèi)容，合理地配置和使用輔助設(shè)施。應(yīng)指出，選用的電力系統(tǒng)及其相關(guān)設(shè)備應(yīng)具備良好的抗干擾性，以防止由于環(huán)境因素和操作條件的影響而發(fā)生故障。另外，在高速鐵路供電設(shè)備的運(yùn)營和維修工作中，必須充分認(rèn)識自己在工作中的作用。對高速鐵路、供電系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行全面的監(jiān)控，避免發(fā)生安全事故。在此過程中，有關(guān)部門在對鐵路供電系統(tǒng)進(jìn)行維修時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)鐵路供電系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對目前的鐵路供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行動態(tài)的掌握。一旦出現(xiàn)故障，應(yīng)立即進(jìn)行處理。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著社會的發(fā)展，人們對快捷的需求與日俱增。這一形勢為我國高速鐵路建設(shè)帶來了新的機(jī)遇，包括受電弓、外部饋線和車網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)，以充分利用和及時完善牽引供電的核心技術(shù)，建立有效的管理體制和機(jī)制進(jìn)行規(guī)范，設(shè)備管理的規(guī)范化和自動化將大大提高鐵路設(shè)備運(yùn)行的質(zhì)量和安全水平，這就是我國高速鐵路發(fā)展的重要保障。