電氣化鐵道供電系統技術應用及其創新

黃勇魁

中鐵建電氣化局集團南方工程有限公司 湖北 武漢 430000

在大型鐵路系統中，電氣化鐵道供電系統發揮著重要作用，其有效保障了鐵路安全。我國電氣化鐵路里程隨著社會發展不斷增加，供電技術和方式的變化以及技術的創新使得電氣化鐵路更迭速度加快，鐵路在我國交通運輸系統中是最為主要的運輸方式，其承擔了重要的社會責任，為我國交通運輸行業發展和社會整體發展作出了貢獻。因此，對于鐵路系統而言，供電系統的運行十分重要，其直接影響著電氣化鐵路運行發展，本文主要研究電氣化鐵道供電系統技術。

1 電氣化鐵道供電系統概述

電氣化鐵道是由電力牽引而運行的，其在運行過程中需要在鐵道線上安裝電力機車供電牽引系統，其與其他鐵路系統的優勢不同，既具有人與自然和諧相處特征，也具有可持續發展特征。鐵道電氣化供電系統是在國家電網中的高壓交流電環境下運行的，先將高壓交流電傳輸到鐵路牽引變電站中，同時利用變電站進行首次電流降壓，之后將降壓后的電流輸送到接觸網上，接觸網獲得電流后通過機車內部系統對高壓交流電進行二次降壓，將其從整流電變為直流電，再使用直流電動機進行供電，最后通過直流電動機促進鐵路機車車輪軸實現旋轉，進而推動車廂行進[1]。電氣化鐵道供電系統主要采用交流控制系統，其通過變電所將三相交流電設置成25KV單相交流電，可以縮短供電距離，降低施工成本，提高鐵道運行穩定性和運行效率。該系統包括調度、檢測、自動化控制三個主要功能模塊，這些功能模塊可以充分發揮國家電網使用和鐵路運輸能力需求。

2 電氣化鐵道供電系統技術應用及創新

電氣化鐵道通過供電系統提高電氣化的應用效果，一方面可以為列車提供充足的行進牽引動力，并簡化鐵路系統結構，另一方面也能夠使鐵道運輸管增加安全、穩定和可靠，有效緩解鐵道運輸壓力。在此基礎上，有關部門利用各種新技術優化供電系統，使其能夠在實際運行中更好的發揮作用和優勢，為我國鐵路運輸健康持續發展提供保障，并滿足人們日常出行。

2.1 監控技術

電氣化鐵道供電系統中的安全監控系統應用時，其可以及時作出風速、地震等環境信息預警，利用環境預警模塊確保預警有效，同時也可以監控處理系統本身問題，使系統處于穩定運行狀態中。該系統在構建應用時，為了能夠具有實際使用功效，需要在構建時期積極建設供電綜合調度子系統結構配置，并在子系統下建設三個自動化系統和具體監測模塊，利用子系統確保監控系統把握自身情況，不斷完善系統自身運行，提高運行效果。而在建設子系統時，需要建設能夠實現自動監控的自動化系統，使子系統具有自動化監測功能，及時預警系統故障。而在建設供電監控系統時，需要通過網橋設備加強子系統與綜合系統連接。而在建設綜合系統時，需要在內部設置2個車站監控模塊，以便實時了解車站運行情況，確保車站穩定安全運行，并保證鐵道供電正常[2]。

現階段，電力監控中心配置電力監控系統時選擇OPEN300系統配置法，這種情況下的監控系統可以實現數據實時處理、電力報表處理以及前置通信等目的，具體設計見圖1。該系統包含了實時、歷史、描述、圖形報表這四個數據庫，各個模塊間通過數據庫彼此連接實現通信。而交通系統十分龐大，密度高，運量大，為了能夠使監控系統穩定可靠運行，就需要有關部門準確配置系統各個參數，防止由于參數錯誤引發安全事故[3]。電力監控自動化系統在鐵道運行中的應用可以保證交通穩定安全進行，其憑借著遙測、遙控、遙信和遙調等功能提供了可靠性的平臺保障，其中遙測可以通過電子技術精確測量電壓、溫度和功率等參數模擬量，遙控可以通過遠程控制全面監控供電狀態運行情況，及時發現并處理設備問題，遙信可以通過遠程監控對系統設備運行進行實時監控。另外，電力監控系統中，通過應用大數據技術構建了數據中心，將大數據和監控系統結合起來形成了統一的數據監控網絡，大數據技術可以用于收集相關數據，例如設備年限、檢修時長、損耗點、外部環境變化等等數據，自動錄入往年監測數據并對其分析，全面監控數據變化，尋找規律，并與其他相關部門共享信息數據，綜合反饋情況，為鐵路運行提供保障[4]。總之，電力監控系統利用是數據收集、設備監控、參數配置等等功能為系統運行提供了保障，進而提高了鐵道運行效率和質量。

圖1 監控系統

2.2 接觸網技術

1.BIM技術。隧道群中，接觸網供電主要使用高壓電纜，其在進入到隧道時需要利用電纜爬架固定在隧道壁上，進行電纜敷設，直到上網點上網。而在敷設過程中，會出現供電電纜和下錨補償設施存在干擾的現象，尤其是下錨需要擴挖斷面時電纜和下錨補償設施的位置會更加復雜，利用BIM技術能夠解決這些矛盾點，同時也能夠對電纜進行合理排布，確保敷設美觀。有些地段路徑比較復雜，敷設電纜時需要BIM技術協助，把控好整個施工質量，避免出現返工、材料浪費等現象[5]。另外，在基礎網管理中，施工進度管理是主要工作，傳統管理主要采用P6軟件和甘特圖，但是這是一種靜態管理，并不適應工程各個動態調整和邏輯關系，當前采用BIM技術能夠有效銜接各個施工工序，并通過立體平面圖將已完成施工直觀表達出來，統計好工作量和具體信息。

2.零件防松技術。柔性防松技術是通過彈簧柔性彈力保證螺母和螺栓使用彈簧式防松環緊鎖起來，產生一種軸向抱緊力，進而對沖擊和振動導致的松脫力產生一定的抵制沖擊，避免螺紋松動。彈簧和螺母是一種組合結構，其中有些部分采用了螺母內螺紋和螺桿外螺紋連接方式，有些部分采用了彈簧和螺桿外螺紋結合方式，有效擴大了螺紋受力面積，增強彈簧所具有的彈性抱緊力，若是螺母有松動現象，則徑向和軸向會有極大阻力從而有效避免振動過程中出現螺母松動現象。這種柔性防松技術的抗震性和防松性都比較明顯，可以減少螺母維護概率。

3.自動化技術。接觸網弓網穩定運行對電氣化鐵道高速安全運行十分重要，為了能夠使接觸網穩定，需要先使整個弓網保持穩定，也就是在電力機車受到基礎網取流和電弓影響情況下確保接觸網能夠保持高平穩性運行。接觸網導高出現的主要因素包括彈性吊索安裝張力、腕臂結構、吊弦長度和安裝工藝等，其中有些部件是工廠預制完成的[6]。現階段，我國技術發展迅速，人工智能水平大幅度提升，自動化吊弦穿線機和自動化腕臂預配平臺應用在所生產體系中，這種自動化預配平臺的應用有效提高了生產效率和數據精確性，保證了弓網系統的穩定性。

4.新型絕緣材料。接觸網技術的發揮和應用需要在設置供電時有關部門將電氣化鐵道供電系統作為切入點科學配置系統參數。而在電氣化鐵道供電系統實際應用時，接觸網外部環境和電氣條件存在復雜多變性，為了能夠使接觸網在這種情況下穩定安全運行，有關部門需要根據絕緣控制標準采用新型絕緣材料對接觸網進行相應地改造，并控制好閃絡間距，使其處于920mm，減少接觸網誤閃事件發生率，確保人員和財產安全[7]。另外，有關部門還需要對接觸網環境特點進行綜合分析，進而選擇先進的合成絕緣材料，使絕緣網絕緣性能能夠提高，例如高性能樹脂基復合材料，這種材料呈編織狀結構，自身承載力可以不斷提高，而且主要以高性能樹脂為主要結構，整體性能更好，具有超高強度、超輕重量，應用在絕緣網上具有明顯的經濟和社會效益，可以實現供電系統的綠色環保建設目的。高性能樹脂基復合材料這種材料可以在接觸網網臂、支架、電纜支架等等部分使用，其所制成的構件具有良好的電絕緣性能，可以提高接觸網系統絕緣性，實現高壓絕緣，減少建設成本[8]。另外，還需要利用動態化測量技術對絕緣網絕緣性能進行精準測量，以便后期方便調整控制絕緣性能。

2.3 供變電技術

電氣化鐵路發展過程中，供電系統的要求不斷提高，各種新技術不斷涌現，筆者主要介紹以下幾種：

1.功率單元擾動量全前饋控制技術。相關部門采用該技術用來防止擾動量影響供電系統，根據負載電流控制使供電系統的動態響應效率提高。另外，為了方式電網電壓諧波過強導致電流驟變，有關部門需要將積分控制器使用效果充分發揮出來，對電網電壓變幅進行科學控制，進而使供電系統響應性能可以得到有效提升，與此同時還需要根據機車負載控制要求使電流波形質量提升，進而科學控制擾動量[9]。

2.多臺無牽引變壓器同相供電裝置并聯控制技術。為了能夠連通好各個供電系統，相關部門需要盡量將電分相環節取消掉，并按照電力變化特征解決逆變器環流問題，使多臺無牽引變壓器與供電裝置并聯，進而使供電系統穩定可靠運行。另外，若是環流超過限度則會導致整個并聯系統運行受到影響，導致安全事故。在同相供電系統中，利用逆變器并根據并聯控制要求優化同相供電系統性能，通過并聯多臺供電裝置可以實現就近供電，通過科學調整并控制線路距離可以減少逆變器并聯。牽引供電一般電壓比較高，這導致線路電能損耗量增加。

3.BT模式、SF6自耦變電器和AT供電模式。電氣化鐵路不斷發展，供電系統安全性要求提高，為協調好各種系統使其能夠更好發展，供電人員需要根據其他按部門要求進行綜合調查開發不同的電算方法，使其可以在不同類型網絡計算過程中找到對應信息，進而解決實操中的各種問題。實際工作中在電力系統單相負荷等因素影響下出現三相級不平衡問題，影響了牽引供電系統傳輸電能。新時期，BT模式是應用比較廣泛的一種供電模式，但是其在使用時會有一些問題，若是電力機車通過電弓那么電路供電會有短路現象，進而影響電氣化鐵路運行安全，導致火災等事故，而且需要花費大量維修費用，不利于鐵路經濟性和安全性實現。因此從長遠來看并不適合應用在電氣化鐵路供電系統中[10]。另外新時期，SF6自耦變電器供電模式應用范圍不斷擴大，其在隧道供電中應用效果顯著，還有AT供電模式應用也比較廣泛，其可以保證鐵路運行安全，提高電氣化鐵路運行安全以及遠動控制率，為鐵路建設實現新發展起到推動作用。AT供電模式使用高壓交聯聚乙烯絕緣同軸電力電纜，盡管價格高無法大量使用，但是可以在饋線中使用，效果較好，也可以在長隧道、長橋梁上的電氣化線路中應用。

2.4 安全性分析

電氣化鐵道供電系統實操容易被各種因素影響而出現安全問題，例如內部設備機械運行不協調、外部環境變化等。因此，供電系統需要具體問題具體分析，并為了將整個監控系統整體性充分發揮出來需要在供電安全監測基礎上確保經濟合理，可以從以下兩方面進行：一方面，電氣化鐵道安全監控需要綜合分析風速、地震等各種自然預警信息，根據列車站點以及控制中心配置，在站點內位置檢測點并將其集中在具體子系統中，以子系統為列車站點安全監控組成部分，采用單元方式與整個安全監控系統結合起來為后續數據提供安全監控支持。另一方面，在系統中納入對子系統中產生影響的信息，并對這些信息監測處理，根據等級差異構成子系統處理體系，確保供電安全[11]。電氣化鐵道供電安全監控過程中，圍繞調度系統弄設備在網橋設備上進行綜合系統控制。電氣化鐵道供電系統中的監測信息在傳輸到調度子系統控制中進行分析整理，并對其進行等級控制，關聯綜合安全監控。尤其是綜合調度子系統接收了監測信息后可以通過電郵方式進行系統信息彼此共享。同時，還需要仔細檢查供電系統，并設置各種監控措施，規范供電安全監控系統，同步進行實時監控和備份監控，進而落實好供電安全監控工作。另外，完善安全監控系統基礎上需要對供電系統具體環節進行仔細檢查，優化并規范系統基礎結構、整體框架、重復性布置裝置等，對供電系統運行進行備份監控和實時監控。

3 電氣化鐵道供電系統技術發展前景

電氣化鐵道建設以安全高效為基礎，因此在設計時也需要以此為基礎確保技術創新和應用具有安全性和高效性。生態文明建設背景下，電氣化鐵道建設需要遵循環保節約原則在供電系統中應用，促使電氣化鐵道運行能夠同時保證安全高效和節能環保。當前，隨著經濟發展，不同類型通信干線逐步發展，實際運行時需要綜合分析鐵道干線，考慮其中影響并進行合理規劃，科學建設鐵道線路以及供電系統，為了能夠使電氣化鐵道供電系統能夠實現長遠發展，相關部門需要重視專業人才培養和引進，提高引進門檻，并加強人員教育培訓和拓展訓練，建設高素質團隊，并提高整體科研能力，加強新技術開發創新，推動鐵道供電系統實現智能化、自動化。

4 結束語

綜上所述，本文針對電氣化鐵道供電系統技術進行分析，深入剖析了供電系統的技術創新和應用，并根據實際情況進行了具體分析。現階段，我國鐵路交通建設重點在于供電系統的廣泛應用和創新，使其能夠在當前的發展環境中實現逐步創新，并建設安全穩定運行的鐵路。而鐵路部門需要加大人才引進，建設專門的研究團隊，提高其創造能力以及專業素質，為電氣化鐵道發展供電系統提供保障。