客運(yùn)專線AT供電方式的分析探討

方 偉 上海鐵路局杭州供電段

鐵路從蒸汽機(jī)時(shí)代發(fā)展到內(nèi)燃機(jī)時(shí)代，再到電氣化時(shí)代，縱觀鐵路發(fā)展的歷史，實(shí)則為鐵路機(jī)車牽引方式的發(fā)展史。隨著當(dāng)今社會(huì)對(duì)鐵路運(yùn)輸能力的需求增加，運(yùn)行速度的需求提高，環(huán)境保護(hù)的意識(shí)增強(qiáng)，人們對(duì)電氣化鐵路發(fā)展給予了越來越高的關(guān)注。2008年國務(wù)院調(diào)整以后的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中指出，到2020年全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到1.2×105km以上，電氣化率達(dá)到50%，建設(shè)客運(yùn)專線1.6×104km以上。

鐵路電氣化技術(shù)的發(fā)展為鐵路的提速提供了技術(shù)保障，也成為了高速鐵路發(fā)展的主旋律；它具備運(yùn)能大、速度快、經(jīng)濟(jì)效益好、環(huán)境污染少等特點(diǎn)，充分顯示了電氣化鐵路技術(shù)的優(yōu)越性。電氣化鐵路之所以具備如此多的優(yōu)點(diǎn)，除了因?yàn)樗噪娔茏鳛闄C(jī)車前進(jìn)的能源，還有就是電氣化鐵路的牽引供電方式，因?yàn)樗苯佑绊懼F路的牽引功率、運(yùn)行速度以及環(huán)境影響等。因此，選擇何種牽引供電方式直接關(guān)系到鐵路的運(yùn)輸效率。

1 牽引供電方式的類型及特點(diǎn)

目前，電氣化鐵路的牽引供電方式有以下幾種：

直接供電方式（簡稱TR供電方式）、帶回流線的直接供電方式（簡稱DN供電方式）、自耦變壓器供電方式（簡稱AT供電方式）、吸流變壓器供電方式（簡稱BT供電方式）、同軸電力電纜供電方式（簡稱CC供電方式）等。

（1）TR供電方式是指牽引變電所通過接觸網(wǎng)直接向電力機(jī)車供電，回流經(jīng)鋼軌及大地直接返回牽引變電所的供電方式，它的特點(diǎn)是：供電回路構(gòu)成簡單，工程投資、運(yùn)營成本和維修工作量都少；但對(duì)臨近通信線路的電磁干擾影響嚴(yán)重，鋼軌電位也比其他供電方式高（見圖1）。

圖1 單線區(qū)段牽引供電原理圖

圖2 復(fù)線區(qū)段牽引供電原理圖

（2）DN供電方式是在接觸網(wǎng)同高度的外側(cè)增設(shè)了一條回流線（見圖2），牽引變電所通過接觸網(wǎng)直接向電力機(jī)車供電后，牽引電流經(jīng)回流線、鋼軌及大地直接返回牽引變電所的供電方式，它的特點(diǎn)保留了直接供電方式的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又有了以下改善：

①原來流經(jīng)軌道、大地的回流，一部分改由架空回流線流回牽引變電所，其方向與接觸網(wǎng)中電流方向相反，因此，相當(dāng)于對(duì)鄰線通信線路增加了屏蔽效果（見圖3）。

②牽引阻抗和軌道電位都有所降低。

圖3 直供加回流線供電方式原理圖

（3）AT供電方式與BT供電方式相比具有供電電壓高、牽引功率大、牽引所間距大、防護(hù)效果好等特點(diǎn)，能夠滿足高速大功率電力機(jī)車運(yùn)行需要（見圖4）。

圖4 AT供電方式原理圖

（4）BT供電方式的特點(diǎn)是在牽引供電系統(tǒng)中加裝吸流變壓器(約3～4 km安裝一臺(tái))和回流線的供電方式。這種供電方式由于在接觸網(wǎng)同高度的外側(cè)增設(shè)了一條回流線，回流線上的電流與接觸網(wǎng)上的電流方向相反，因此，減輕了接觸網(wǎng)對(duì)鄰近通信線路的干擾。其供電原理如圖5所示。

圖5 BT供電方式原理圖

（5）CC供電方式是一種新型的供電方式，它的同軸電力電纜沿鐵路線路埋設(shè)，內(nèi)部芯線作為供電線與接觸網(wǎng)連接，外部導(dǎo)體作為回流線與鋼軌連接。每隔5～10 km作一個(gè)分段。這種供電方式對(duì)鄰近的通信線路幾乎無干擾，同時(shí)電路阻抗小，因而供電距離長。但由于這種供電方式造價(jià)高、投資大，目前很少采用。

綜上所述，從供電電壓、牽引功率、防護(hù)效果、建設(shè)成本等各方面綜合考慮，AT供電方式都展現(xiàn)了其巨大的優(yōu)越性。因此，在目前電氣化鐵路尤其是客運(yùn)專線和城際鐵路的建設(shè)中，AT供電方式得到了廣泛地應(yīng)用。

2 AT供電方式的原理及應(yīng)用分析

自耦變壓器（Auto Transformer）供電方式，簡稱AT供電方式。目前，AT供電方式在我國高速鐵路中得到了廣泛地應(yīng)用，新建的京津、合武、武廣、沿海、滬寧等城際客專線路都采用AT供電方式。

2.1 AT供電網(wǎng)絡(luò)工作原理

AT供電方式的電路主要包括牽引變電所S、接觸懸掛T、軌道R、自耦變壓器AT、正饋線AF、保護(hù)線PW、電力機(jī)車EL等。下面介紹AT供電方式的原理電路圖。

如圖6所示，T為接觸網(wǎng)，R為軌道，F(xiàn)為正饋線，沿供電臂接觸網(wǎng)架設(shè)。AT1、AT2為自耦變壓器，變比為2:1，其一端與接觸網(wǎng)連接，另一端與正饋線連接，中點(diǎn)與軌道連接。假設(shè)接觸網(wǎng)與軌道之間的繞組匝數(shù)為w2，正饋線與軌道之間的繞組匝數(shù)為w1，故w1=w2。繞組w2（即副邊）接負(fù)載，電壓為U（即27.5kV）；繞組w1電壓與繞組w2相同，故電壓也為U（即27.5kV）；繞組w1與w2串聯(lián)（即原邊）接入電源，故電壓為2U（即2×27.5kV）；因此，AT供電方式在無需提高牽引網(wǎng)設(shè)備絕緣水平的情況下，即可將供電電壓提高一倍。

此外，當(dāng)流過電力機(jī)車的牽引電流為I時(shí)，通過分析可知，流過w1、w2的電流分別為I/2，即從牽引所流到接觸網(wǎng)上的電流等于正饋線流回牽引所的電流，都等于I/2；也就是說，在相同地牽引負(fù)荷條件下，接觸網(wǎng)和正饋線中的電流可以減少一半。同時(shí)，由于自耦變壓器本身具備阻抗，在并入牽引網(wǎng)后，使得整個(gè)牽引網(wǎng)單位阻抗約為BT供電方式牽引網(wǎng)阻抗的1/4，降低了牽引阻抗，從而大大減小了牽引網(wǎng)的電壓損失和電能損失。

兩臺(tái)自耦變壓器之間的距離一般為10～16 km，但實(shí)際的間距按對(duì)通信線防干擾及牽引供電的要求計(jì)算確定。如沿海鐵路客專線浙江段中根據(jù)不同地段的要求不同，各AT變壓器之間的實(shí)際距離也不盡相同，距離最長的兩自耦變壓器之間，相隔18.3 km；距離最短的兩自耦變壓器之間，相隔10 km。

圖6 AT供電方式原理電路圖

2.2 AT牽引供電系統(tǒng)中牽引所亭的介紹

AT牽引供電系統(tǒng)中牽引所亭一般包括了牽引變電所、AT所、分區(qū)所以及開閉所，它們?cè)跔恳╇娤到y(tǒng)中起了各自不同的作用（見圖7）。

圖7 牽引所、亭與接觸網(wǎng)示意圖

（1）牽引變電所

牽引變電所的功能是將三相220 kV（客運(yùn)專線一般采用220 kV電力系統(tǒng)供電）高壓交流電變換為兩個(gè)單相27.5 kV的交流電，然后向上、下行兩個(gè)方向?qū)佑|網(wǎng)供電。每個(gè)牽引變電所設(shè)置四臺(tái)單相變壓器，每組主變采用兩臺(tái)單相變壓器外部組合成V/X接線方式。

AT供電方式牽引變電所，按牽引變壓器接線形式可分為三相-二相平衡接線、三相十字交叉接線、V,v接線和單相接線；按牽引側(cè)母線電壓系統(tǒng)可分為55 kV單相電壓系統(tǒng)、2×27.5 kV兩相三線電壓系統(tǒng)。目前在客運(yùn)專線AT供電方式中應(yīng)用最多的是三相V,v接線方式，如新建的合武、沿海、滬寧等客運(yùn)專線牽引變壓器均采用這種接線方式。

牽引變壓器三相V,v（或連體式V,x）接線方式的供電原理圖如圖8所示，它由兩臺(tái)牽引變壓器構(gòu)成，每臺(tái)副邊的兩個(gè)繞組皆帶中點(diǎn)抽頭，即每個(gè)副邊繞組皆為2×27.5 kV兩相三線電壓系統(tǒng)。兩臺(tái)三相V,v接線牽引變壓器中，一臺(tái)運(yùn)行，另一臺(tái)固定備用。運(yùn)行的這臺(tái)三相V,v接線牽引變壓器，兩個(gè)原邊繞組分別接入三相電力系統(tǒng)的AC相和BC相；兩個(gè)副邊繞組的出線端子a1、1和a2、x2分別接到兩組55 kV牽引母線上。兩相牽引母線分別通過饋線向變電所兩側(cè)供電臂的牽引網(wǎng)供電。亦即運(yùn)行的三相V,v接線牽引變壓器中，兩臺(tái)單相變壓器器身各供應(yīng)變電所的一側(cè)供電臂。兩個(gè)副邊繞組的中點(diǎn)抽頭o1，o2分別接到N母線上。N母線與軌道連接，并通過放電器F接地。

圖8 三相V,v接線方式

（2）AT 所

AT所有兩臺(tái)自耦變壓器同時(shí)接在母線上，每臺(tái)自耦變壓器通過雙極斷路器和雙極電動(dòng)隔離開關(guān)接于母線上，一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。供電臂上、下行之間采用一臺(tái)斷路器和兩臺(tái)電動(dòng)隔離開關(guān)相聯(lián)。正常運(yùn)行時(shí)，斷路器和隔開閉合，實(shí)現(xiàn)供電臂上下行并聯(lián)供電。

當(dāng)正在運(yùn)行的自耦變壓器故障時(shí)，通過斷路器跳閘，使故障自耦變壓器退出運(yùn)行，再將另一臺(tái)自耦變壓器投入運(yùn)行。

（3）分區(qū)所

分區(qū)所設(shè)于兩個(gè)牽引供電臂之間，可使相鄰的接觸網(wǎng)供電區(qū)段（同一供電臂的上、下行或兩相鄰變電所的兩供電臂）實(shí)現(xiàn)并聯(lián)或單獨(dú)工作。此外，當(dāng)相鄰變電所出現(xiàn)故障無法向接觸網(wǎng)供電時(shí)，分區(qū)所還具備向相鄰區(qū)段接觸網(wǎng)越區(qū)供電的作用。

分區(qū)所內(nèi)設(shè)有兩組自耦變壓器，分別向兩側(cè)接觸網(wǎng)區(qū)段供電；每組分別有兩臺(tái)自耦變壓器接于同一個(gè)供電臂的母線上，一主一備運(yùn)行。供電臂上、下行之間采用一臺(tái)斷路器和兩臺(tái)電動(dòng)隔離開關(guān)相聯(lián)；正常運(yùn)行時(shí)，斷路器和隔開閉合，實(shí)現(xiàn)供電臂上下行并聯(lián)供電；

當(dāng)正在運(yùn)行的自耦變壓器故障時(shí)，通過斷路器跳閘，使故障自耦變壓器退出運(yùn)行，再將另一臺(tái)自耦變壓器投入運(yùn)行。兩個(gè)供電臂之間設(shè)有電動(dòng)隔離開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)越區(qū)供電。

（4）開閉所

開閉所是不進(jìn)行電壓變換而用開關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)電路開閉的配電所，一般有兩條進(jìn)線，然后根據(jù)需要分多路饋出向樞紐站場接觸網(wǎng)各分段供電。進(jìn)線和出線均經(jīng)過斷路器，以實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)各分段的停、送電靈活運(yùn)行的目的。同時(shí)由于斷路器對(duì)接觸網(wǎng)短路故障進(jìn)行保護(hù)，從而可以縮小事故的停電范圍。開閉所一般用于站場和樞紐等需多路饋出的地段。

2.3 防護(hù)效果及主要影響因素

AT供電方式中由于接觸網(wǎng)與正饋線距離相對(duì)較近，且其電流大小近似相等，方向相反，兩者產(chǎn)生的交變磁場基本上可相互抵消。因此，顯著減弱了接觸網(wǎng)和正饋線周圍空間的交變磁場，大大減小了牽引電流對(duì)鄰近通信線的電磁干擾。

研究發(fā)現(xiàn)，影響AT供電方式防護(hù)效果的主要因素有以下幾方面：

（1）電力機(jī)車運(yùn)行位置

當(dāng)電力機(jī)車位于AT處時(shí)，由于AT存在著很小的阻抗，故在全供電臂內(nèi)將有部分牽引電流流經(jīng)軌道、大地返回變電所，所以對(duì)鄰近通信線存在電磁感應(yīng)，但由于此電流較小，故影響也很有限，這就是所謂的"長回路"感應(yīng)影響。"長回路"感應(yīng)影響的大小與AT的阻抗，以及接觸網(wǎng)、正饋線和通信線的相對(duì)位置以及軌道的"二次感應(yīng)"等因素有關(guān)。

當(dāng)電力機(jī)車運(yùn)行于兩臺(tái)AT之間時(shí)，產(chǎn)生的牽引電流流入軌道和大地對(duì)鄰近通信線路的影響，在直線區(qū)段基本不產(chǎn)生干擾影響，在曲線區(qū)段會(huì)產(chǎn)生一定地影響，這個(gè)影響稱為"短段效應(yīng)"。

（2）AT漏抗

理論證明，AT漏抗越小，AT將軌道和大地中電流吸至正饋線的效果就越好；反之，就降低了吸流效果。但是，AT漏抗越小其造價(jià)也就越高。因此在實(shí)際應(yīng)用中，必須全面考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)雙重因素。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在工頻交流條件下，AT漏抗值取0.45 Ω（歸算至27.5 kV側(cè)）時(shí)，能夠在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面達(dá)到相對(duì)平衡點(diǎn)。

（3）AT間隔長度

減小AT間距，特別是減小變電所端第一個(gè)AT段的長度，可以顯著地減小最大區(qū)段安培公里值，使防護(hù)效果更好。但是AT間距過小，又將增加投資成本。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，由于受地形和鐵路兩旁建筑物等條件的限制，AT間距一般在10~16 km左右。

（4）軌道對(duì)地漏泄電阻

該電阻值越大，從軌道漏泄到地中的電流就越小，防護(hù)效果就越好；反之，防護(hù)效果就降低。

（5）正饋線的阻抗

正饋線中的阻抗與接觸網(wǎng)的阻抗愈接近相等，兩者中的電流也愈接近，防護(hù)效果也就愈好。

3 AT供電方式的優(yōu)缺點(diǎn)

隨著我國高鐵建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，AT供電方式的應(yīng)用也將越來越普遍。

3.1 AT供電方式的優(yōu)點(diǎn)

AT供電方式在防護(hù)效果、牽引功率等方面都有良好的效果，下面以BT供電方式為比較對(duì)象來介紹它的優(yōu)點(diǎn)：

（1）供電電壓高。AT供電方式無需提高牽引網(wǎng)的絕緣水平即可將牽引網(wǎng)的電壓提高一倍。BT供電方式牽引變電所的輸出電壓為27.5 kV，而AT供電方式牽引變電所的輸出電壓為55 kV，線路電流為負(fù)載電流的一半，所以線路上的電壓損失和電能損失大大減小。

（2）防護(hù)效果好。AT供電方式接觸懸掛上的電流與正饋線上的電流大小相等，方向相反，其電磁感應(yīng)相互抵消，防護(hù)效果好。并且，由于AT供電的自耦變壓器是并聯(lián)在接觸懸掛和正饋線間的，不象BT供電的吸流變壓器串聯(lián)在接觸懸掛和回流線之間，因此沒有因勵(lì)磁電流的存在而使原、副邊繞組電流不等，以及在短路時(shí)吸流變壓器鐵芯飽和導(dǎo)致防護(hù)效果很差等問題。另外也不存在"半段效應(yīng)"問題。

（3）能適應(yīng)高速大功率電力機(jī)車運(yùn)行。因AT供電方式的供電電壓高、線路電流小、阻抗小(僅為BT供電方式的1/4左右)、輸出功率大，使接觸網(wǎng)有較好的電壓水平，能適應(yīng)高速大功率電力機(jī)車運(yùn)行的要求。另外，AT供電也不象BT供電那樣，在吸流變壓器處對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行電分段，當(dāng)高速大功率電力機(jī)車通過時(shí)產(chǎn)生電弧，燒壞機(jī)車受電弓滑板和接觸線，對(duì)機(jī)車的高速運(yùn)行和接觸網(wǎng)的運(yùn)營維修極為不利。

（4）牽引變電所間距大、數(shù)量少。由于AT供電方式的輸送電壓高、線路電流小、電壓損失和電能損失都小，因此輸送功率大，牽引變電所之間的間距可以大大增加，牽引變電所的數(shù)量減少，從而建設(shè)投資和運(yùn)營管理費(fèi)用都會(huì)減少。

3.2 AT供電方式的缺點(diǎn)

AT供電方式的缺點(diǎn)主要是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如牽引變電所、AT所、分區(qū)所、開閉所等，都給施工和運(yùn)行維護(hù)帶來了一定的困難；同時(shí)AT供電方式與其它供電方式相比工程投資要大大增加，這也較大地提高了電氣化鐵路的建設(shè)投資成本。