同相供電技術(shù)在電氣化鐵路中的應(yīng)用與分析

摘 要：牽引網(wǎng)電分相的存在已嚴(yán)重制約鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩浴⒖煽啃院徒?jīng)濟(jì)性。隨著電力電子設(shè)備在電氣化鐵路中的大量應(yīng)用，同相供電技術(shù)已逐漸開始在電氣化鐵路中得以應(yīng)用。該文結(jié)合目前同相供電技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀，對同相供電技術(shù)的分類及不同設(shè)計方案下同相供電技術(shù)的主要特點(diǎn)做出系統(tǒng)性的歸納和分析，為同類工程實施提供借鑒。

關(guān)鍵詞：牽引網(wǎng)；電分相；鐵路運(yùn)輸；同相供電；應(yīng)用現(xiàn)狀

中圖分類號：U231.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0185-04

Abstract： The existence of phase separation in traction network has seriously restricted the safety， reliability and economy of railway transportation. With the extensive application of power electronic equipment in electrified railway， in-phase power supply technology has gradually begun to be used in electrified railway. Combined with the current application status of in-phase power supply technology in China， this paper systematically summarizes and analyzes the classification of in-phase power supply technology and the main characteristics of in-phase power supply technology under different design schemes， so as to provide reference for the implementation of similar projects.

Keywords： traction network; electric phase separation; railway transportation; in-phase power supply; application status

我國電氣化鐵道為單相、工頻25 kV交流供電制式，由地方電網(wǎng)的三相電力系統(tǒng)通過鐵路牽引變電所牽引變壓器降壓為單相工頻25 kV交流后，輪流換相向鐵路牽引網(wǎng)供電。這種非對稱的供電模式，會帶來電能質(zhì)量、分相環(huán)節(jié)等問題。分相環(huán)節(jié)即電分相的存在會使得列車的取流頻繁切斷，造成列車速度與牽引力的較大損失，極大地制約了高速鐵路和重載鐵路的發(fā)展，影響著鐵路運(yùn)行的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。對于交流電氣化鐵路，過分相問題已成為世界性難題。

隨著電力電子設(shè)備在電氣化鐵路中的大量應(yīng)用，通過現(xiàn)代的電力電子技術(shù)及控制理論，從而實現(xiàn)電氣化鐵路的同相供電和更高層次的貫通供電已成為電氣化鐵路的發(fā)展趨勢。本文主要從工程實際出發(fā)，對我國當(dāng)下同相供電技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 同相供電技術(shù)的應(yīng)用

1.1 同相供電技術(shù)分類

同相供電是指通過鐵路牽引變電所為電力機(jī)車供電的各個供電臂，具有相同電壓幅值、相位的牽引供電系統(tǒng)，即全線為同一相位的單相供電系統(tǒng)。結(jié)合目前同相供電技術(shù)的發(fā)展水平，根據(jù)同相供電技術(shù)是否可以實現(xiàn)全線統(tǒng)一的相序，可將同相供電技術(shù)分為組合式同相供電技術(shù)及貫通式的同相供電技術(shù)。

貫通式同相供電技術(shù)通過設(shè)置于所內(nèi)的交直交變換設(shè)備，將相鄰所間牽引供電進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，使?fàn)恳W(wǎng)成為單獨(dú)環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)，并獨(dú)立于三相電力系統(tǒng)，可實現(xiàn)三相負(fù)荷平衡，不存在負(fù)序的問題。

此技術(shù)在實現(xiàn)全線同相供電的同時，不再需要電分相，正常供電時，可以均勻分配牽引變電所牽引輸出能耗。但對電力系統(tǒng)而言會將牽引變電所外部電源點(diǎn)通過27.5 kV牽引網(wǎng)進(jìn)行連接，形成電磁環(huán)網(wǎng)，能否獲得電力部門的認(rèn)可也成為制約該技術(shù)發(fā)展的一個現(xiàn)實問題。貫通式同相供電結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

組合式同相供電系統(tǒng)通過在變電所內(nèi)設(shè)置有源濾波器的平衡變換裝置來實現(xiàn)牽引網(wǎng)供電臂的同相供電。同相供電的變電所由牽引變壓器實現(xiàn)降壓、相位輸出選擇功能，還可以將單相負(fù)荷進(jìn)行三相平衡變換，補(bǔ)償牽引變電所無功及諧波。該方案示意圖如圖2所示。

組合式同相供電技術(shù)本質(zhì)是利用牽引變壓器一個繞組承擔(dān)主要牽引負(fù)荷，另一個繞組通過配以平衡變換裝置，取消變電所出口處的分相。

1.2 同相供電技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前同相供電裝置已經(jīng)在山西中南部鐵路通道沙峪變電所、溫州市域鐵路S1線、廣州地鐵18和廣州地鐵22號線運(yùn)營良好。北京大興機(jī)場線正在進(jìn)行同相供電設(shè)備實施。

1.2.1 山西中南部鐵路試驗段沙峪牽引變電所同相供電應(yīng)用（高壓側(cè)設(shè)置）

山西中南部鐵路為Ⅰ級重載鐵路，雙線電氣化，速度目標(biāo)值120 km/h，設(shè)計年運(yùn)量2億t，機(jī)車類型主要為貨車HXD系列，少量客車SS9。選取長子南—平順區(qū)為重載綜合試驗段，長度91.8 km，共有沙峪和王家莊2座牽引變電所，僅批準(zhǔn)在沙峪牽引變電所進(jìn)行組合式同相供電試驗。

沙峪牽引變電所通過在變電所220 kV高壓進(jìn)線設(shè)置同相供電匹配變壓器降壓至交直交變流器，再經(jīng)過升壓后至27.5 kV母線，可實現(xiàn)對變電所負(fù)序等電能質(zhì)量的治理。該方案采用220 kV側(cè)進(jìn)行同相供電負(fù)序補(bǔ)償不影響27.5 kV系統(tǒng)接線的同時，能對電網(wǎng)全網(wǎng)負(fù)序進(jìn)行支持和補(bǔ)償，但該方案設(shè)備造價高、損耗大，沙峪變電所組合式同相供電示意圖如圖3所示。

1.2.2 溫州市域鐵路S1線同相供電應(yīng)用（變壓器低壓側(cè)設(shè)置）

溫州市域鐵路S1線一期線路全長52.22 km，全線新建靈昆和溫州站共2座牽引變電所，利用組合式同相供電技術(shù)。溫州市域鐵路S1線牽引所牽引變壓器采用三相斯科特接線，選取變壓器其中一個繞組由110 kV降壓至27.5 kV為牽引側(cè)母線供電，另一繞組由110 kV降壓至10 kV后經(jīng)過開關(guān)、變流器等電力電子設(shè)備，再經(jīng)阻抗匹配變壓器升壓至27.5 kV母線，通過對同相供電支路輸出容量的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)利用阻抗平衡斯科特變壓器T座和M座平衡特性，最終將110 kV的負(fù)序控制在地方電網(wǎng)系統(tǒng)允許范圍內(nèi)。

由于溫州S1線位于溫州市范圍內(nèi)，2座新建主所進(jìn)線電源均來自一個地方電網(wǎng)系統(tǒng)，同一電網(wǎng)系統(tǒng)A、B、C相序基本一致，可通過調(diào)整2個主所進(jìn)線相位，實現(xiàn)全線接觸網(wǎng)相位一致和全線同相供電功能。避免了采取全繞組全容量同相供電交直交方案，大幅度降低造價。溫州市域鐵路S1線同相供電示意圖如圖4所示。

1.2.3 廣州地鐵18、22號線同相供電裝置應(yīng)用

廣州地鐵18、22號線，全線合建主變電所內(nèi)均設(shè)置同相供電裝置，通過利用同相供電裝置來補(bǔ)償系統(tǒng)負(fù)序，在變電所主變牽引側(cè)，將主變壓器一個線圈通過高壓匹配變壓器HMT將高壓進(jìn)線側(cè)220 kV電壓降壓壓至10 kV（6 kV），然后再直接輸入交直交變流器。主變另一個線圈直接由220 kV降壓至27.5 kV饋出至牽引母線。位于區(qū)間的2座主變電所之間的分區(qū)所采用自動過分相技術(shù)實現(xiàn)機(jī)車不斷電過電分相，其全線并沒有完全取消電分相。此方案在同相供電裝置故障或檢修的情況下，主變壓器變成單相繞組供電運(yùn)行（類似單相接線形式），此時對系統(tǒng)負(fù)序影響很大。全線未實現(xiàn)接觸網(wǎng)相序一致，分區(qū)所電分相仍然存在，僅采用接觸網(wǎng)自動過分相裝置，存在自動過分相裝置與機(jī)車運(yùn)營配合不佳造成運(yùn)營故障的風(fēng)險。其同相供電方案如圖5所示。

1.2.4 北京大興機(jī)場線同相供電技術(shù)

北京大興機(jī)場線同相供電技術(shù)目前尚處于研究階段。大興機(jī)場線設(shè)有北磁和磁草2座110 kV主變電所，主變壓器采用斯科特接線變壓器，根據(jù)目前了解情況，其主變電所同相供電技術(shù)為從斯科特接線變壓器的T、M座繞組經(jīng)過27.5 kV多抽頭降壓變壓器后至交直交變流器，然后再升壓至牽引母線。全所T、M座繞組均通過所內(nèi)同相供電的交直交裝置，實現(xiàn)對牽引所輸出電壓的相位等電氣參數(shù)進(jìn)行全控制。該方案主所牽引變壓器輸出均為27.5 kV，合建主所具備同相運(yùn)行和異相運(yùn)行條件，同相供電退出時可以恢復(fù)到普通異相運(yùn)行方式，全線供電可靠性高，運(yùn)行靈活。同時也存在同相供電采用了全功率方案，安裝容量高，投資的問題。

目前大興機(jī)場線同相供電科研項目組正在爭取國家電網(wǎng)同意分區(qū)所進(jìn)行合環(huán)運(yùn)行。

具體方案如圖6所示。

1.2.5 巴準(zhǔn)線同相供電技術(shù)應(yīng)用

巴準(zhǔn)鐵路位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗和準(zhǔn)格爾旗境內(nèi)，正線長度128.099 km。全線采用帶回流線的直接供電方式，由4座牽引變電所供電，分別為海勒斯壕南、四道柳、納林川和三道渠牽引變電所。目前巴準(zhǔn)線同相供電改造工程已完成施工圖設(shè)計，供電分段改造示意圖如圖7所示。

巴準(zhǔn)線同相供電技術(shù)改造，將三道渠、海勒斯壕南變電所牽引變壓器及110 kV側(cè)退出運(yùn)行，所內(nèi)27.5 kV供電臂母線a/b兩相通過母排連接。四道柳、納林川牽引變電所牽引變壓器更換為不等邊斯科特變壓器組，容量為2×（40+5）MVA，牽引變壓器二次側(cè)電壓分別為27.5和10 kV；27.5 kV一側(cè)與既有變壓器低壓側(cè)斷路器連接，饋線側(cè)主接線維持不變；10 kV側(cè)新增10 kV母線連接同相供電補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償裝置和27.5 kV母線通過高壓匹配變壓器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換；將牽引所兩臂母線連接。將接觸網(wǎng)原電分相通過軟銅線短接。改造后接觸網(wǎng)由四道柳和納林川變電所供電，巴準(zhǔn)線四道柳和納林川2座牽引變電所其中一路外部電源均為川掌220 kV變電站。馬蓮220 kV變電站、北山110 kV變電站分別為四道柳和納林川牽引所的另外一路外部電源。正常運(yùn)行方式下四道柳和納林川2座牽引變電所110 kV進(jìn)線電源取自川掌變電站同一相母線，2座牽引所同時向巴準(zhǔn)線全線供電，2座牽引變電所之間的分區(qū)所連通，實現(xiàn)雙邊供電。取消電分相中性區(qū)，全線用同相電壓供電。單相組合式同相供電系統(tǒng)示意圖如圖8所示。

1.3 同相供電技術(shù)效益分析

1.3.1 增加供電和列車運(yùn)行安全性

動車或電力機(jī)車在過分相時，將經(jīng)歷一系列的操作過程，導(dǎo)致車網(wǎng)在較短的時間內(nèi)，承受一系列復(fù)雜的電氣暫態(tài)過程。感應(yīng)電壓、操作過電壓、諧振過電壓及其疊加過電壓等電氣暫態(tài)過程會導(dǎo)致列車在過分相過程中引發(fā)避雷器損壞、互感器損壞、承力索燒損等事故。同相供電技術(shù)從根本上取消了電分相，從而可以避免因過分相引起的過電壓事故，提高供電安全性、列車運(yùn)行安全性和系統(tǒng)綜合運(yùn)行性能。

1.3.2 節(jié)約市民出行時間

同相供電能夠?qū)α熊囘M(jìn)行提速，節(jié)約運(yùn)行時間，節(jié)約市民每天的出行時間，節(jié)約大量的社會成本，有效提升全社會的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

1.3.3 節(jié)約能源資源

同相供電系統(tǒng)能促進(jìn)列車再生制動能量的有效利用，還對鐵路負(fù)荷在各牽引變電所之間進(jìn)行了重新分配，對每座牽引變電所的負(fù)荷削峰填谷，降低變電所安裝容量，降低基本電費(fèi)，這不僅降低了軌道交通運(yùn)行成本，還節(jié)約了國家電力資源，使軌道交通運(yùn)輸更加節(jié)能低碳。

1.3.4 改善牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性

同相供電裝置綜合改善了鐵路運(yùn)行對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，能提高電網(wǎng)薄弱地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性及牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，并增強(qiáng)牽引供電系統(tǒng)對外部電源的適應(yīng)性，擴(kuò)大了電氣化鐵路的適用條件。

2 結(jié)束語

通過上述同相供電方案技術(shù)的應(yīng)用，我們可以看出，山西中南部鐵路試驗段沙峪牽引變電所方案采用高壓側(cè)設(shè)置同相供電裝置，造價高、損耗大、技術(shù)適用性較弱。溫州市域S1線利用變壓器其中一個繞組的供電能力，另一繞組經(jīng)過同相供電裝置后實現(xiàn)全線接觸網(wǎng)相位一致，該方案同相供電容量較小、造價低，適用于外電網(wǎng)相位一致的情況。大興機(jī)場采用變壓器輸出均經(jīng)過同相供電裝置后為接觸網(wǎng)供電，該方案不受合建主所外電網(wǎng)相序限制，但安裝容量大，造價高。廣州地鐵18號線和廣州地鐵22號線，僅僅用同相供電裝置解決負(fù)序問題，分區(qū)所處仍然設(shè)置電分相，利用自動過分相裝置實現(xiàn)機(jī)車不降速運(yùn)行，從技術(shù)角度來看并沒有實現(xiàn)全線同相供電功能。

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作者簡介：王一森（1992-），男，碩士，工程師。研究方向為電氣化鐵路牽引供電。