高鐵牽引供電中幾個(gè)關(guān)鍵問題的研究

代禮前

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710014）

高速鐵路以其節(jié)能、環(huán)保、高效、安全、舒適、快捷、準(zhǔn)時(shí)等特點(diǎn)在許多國(guó)家迅猛發(fā)展，成為世界鐵路的新潮流[1]。2002年11月27日，“中華之星”在秦沈客運(yùn)專線試驗(yàn)綜合試驗(yàn)中，成功創(chuàng)造了我國(guó)鐵路的最高試驗(yàn)速度321.5 km/h，2008年6月5日京津城際高速開通，實(shí)現(xiàn)了最高運(yùn)行速度394.3 km/h。之后，我國(guó)高速鐵路發(fā)展異常迅猛，正在日新月異的改變著人民的生活、出行。而電氣化高速鐵路機(jī)車功率大、行車速度高，給擔(dān)負(fù)其供電任務(wù)的沿線電網(wǎng)帶來(lái)了更高的要求。本文從高速電氣化鐵道供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行中的幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行了一些探討、研究。

1 電氣化鐵路牽引供電[2]基本原理

電氣化鐵路的供電是在鐵路沿線建設(shè)若干個(gè)牽引變電站，由電力系統(tǒng)雙電源供電，經(jīng)牽引變壓器降壓為27.5 kV后通過牽引網(wǎng)向機(jī)車供電，電力機(jī)車采用25 kV單相工頻交流電壓，在架空接觸導(dǎo)線和鋼軌之間行駛。電氣化高速鐵路的牽引變壓器，分為純單相變壓器方式、單相（三相）V-V接線如圖1所示、Scott平衡變壓器接線方式如圖2所示，以及三相YN，d11雙繞組等供電方式[1]。

圖1 牽引供電V-V接線圖Fig.1Traction power supply V-V hookup

圖2 Scott平衡變壓器接線圖Fig.2Scott balancing transformers hookup

可見，無(wú)論是單項(xiàng)變壓器還是三相變壓器方式，對(duì)三相對(duì)稱的電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電力牽引負(fù)荷都具有非線性、不對(duì)稱和波動(dòng)性的特點(diǎn)，將產(chǎn)生負(fù)序電流和諧波電流注入電力系統(tǒng)[3]。

2 高速電氣化鐵道供電中存在的幾個(gè)關(guān)鍵問題及其對(duì)策

通過以上原理介紹，大家不難看出，牽引供電的諧波問題和負(fù)序電流問題直接影響到供電電能質(zhì)量，已成為電網(wǎng)運(yùn)行的不安全因素，對(duì)電力設(shè)備安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)不良影響。另外，由于機(jī)車受電弓與接觸網(wǎng)之間是滑動(dòng)接觸，而接觸網(wǎng)與受電弓之間的接觸壓力受多種因素的影響，當(dāng)列車高速運(yùn)行時(shí)，接觸網(wǎng)和受電弓均會(huì)發(fā)生垂直方向的震動(dòng)，當(dāng)二者震動(dòng)不一致時(shí)，就會(huì)發(fā)生離線，即受電弓與接觸線的脫離，離線就會(huì)產(chǎn)生電狐。列車速度越高，離線的幾率就越大，產(chǎn)生電弧就越大，如何抑制弓網(wǎng)電弧也是我們必須設(shè)法解決的問題。

2.1 供電負(fù)序電流的產(chǎn)生及治理方案

2.1.1 負(fù)序電流的主要危害

1）負(fù)序電流經(jīng)過發(fā)電機(jī)定子繞組時(shí)，形成負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它以2倍同步轉(zhuǎn)速切割轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子中就感應(yīng)出2倍頻率的電流，引起局部過熱、降低轉(zhuǎn)子部件的機(jī)械強(qiáng)度而影響勵(lì)磁繞組的絕緣強(qiáng)度。

2）負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生2倍工頻的附加交變電磁轉(zhuǎn)矩，作用在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸和定子機(jī)座上，引起附加的2倍工頻頻率的振動(dòng)。引起金屬疲勞和機(jī)械損壞。

3）負(fù)序電流在異步電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組中引起銅損而造成局部過熱燒毀繞組。同時(shí)，負(fù)序電流在定子繞組中產(chǎn)生的反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子鐵心中產(chǎn)生渦流，引起鐵損增加，使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，并產(chǎn)生反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，降低電動(dòng)機(jī)的出力和過載能力。

4）大量負(fù)序電流入侵將使以負(fù)序電流或負(fù)序電壓為動(dòng)作條件的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，引起供電中斷。

2.1.2 牽引負(fù)序電流的產(chǎn)生原理

原邊高壓側(cè)的三相電流滿足

聯(lián)立公式（1）～（4），并代入復(fù)數(shù)變換矩

利用疊加原理可得n個(gè)單相端口電流共同作用時(shí)的原邊三相電流，再利用對(duì)稱分量法，解得正、負(fù)序電流通用表達(dá)式：

可見，在各種負(fù)荷條件不變的情況下，只要合理安排負(fù)荷所在的端口，就能最大程度地使構(gòu)成負(fù)序電流的各分量互相抵消，從而減少總的負(fù)序電流。

牽引變電所一般是2個(gè)供電臂，即有2個(gè)不同相位的單相牽引端口，且端口電壓模值相等。令負(fù)序電流為零，可得：

可見，要減弱負(fù)序電流，采用三相—兩相平衡牽引變壓器，如Scott變壓器具有最佳效果[4]。

2.1.3 負(fù)序電流的治理措施

根據(jù)負(fù)序電流產(chǎn)生的原理，不難看出，要減小負(fù)序電流，需從以下幾個(gè)方面進(jìn)行治理：

1）每個(gè)變電所盡可能使用三相—兩相平衡變壓器替代單相變壓器；各牽引變電所進(jìn)行換相聯(lián)接，整體減輕進(jìn)入電力系統(tǒng)的負(fù)序分量，即各個(gè)變電所輪換接入電力系統(tǒng)的不同相。

2）采取加裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置措施進(jìn)行有效治理，同相貫通供電技術(shù)是電氣化鐵道牽引變電所電能質(zhì)量治理的最終方案，它是基于高壓直流輸電技術(shù)而設(shè)置的交—直—交牽引變電所供電方案，理論上，實(shí)現(xiàn)對(duì)單相負(fù)荷的對(duì)稱補(bǔ)償所需的最小容量與牽引容量相當(dāng)[5]。

3）可在電力系統(tǒng)變電站安裝特殊同期調(diào)相機(jī)，允許承受負(fù)序電流的能力較大，負(fù)序阻抗較低，而且有良好的防震性能。

4）提高牽引變電所接入電壓等級(jí)，經(jīng)過對(duì)110 kV和220 kV兩類接入系統(tǒng)方案進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，若采用110 kV電壓等級(jí)供電，大多數(shù)的公共連接點(diǎn)電負(fù)序電壓分量均超出國(guó)標(biāo)要求，采用220 kV供電，可以提高電力系統(tǒng)負(fù)序承受能力，滿足國(guó)標(biāo)要求。如果采用更高的電壓等級(jí)，治理負(fù)序問題效果更佳。

2.2 牽引供電諧波電壓的解決對(duì)策

由于牽引電機(jī)是通過交直交或交直變換后驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的，因此，不可避免要產(chǎn)生諧波，諧波對(duì)電網(wǎng)的危害眾所周知，所以需要采取有效辦法予以降低，降低諧波的方法也很多，但是對(duì)于大功率的牽引電機(jī)來(lái)說(shuō)，最為有效的辦法就是通過加裝靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置加以抑制，在牽引變電所并聯(lián)加裝靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，可以有效減少波動(dòng)的諧波量，同時(shí)，也可以抑制電壓波動(dòng)、電壓閃變，還可以補(bǔ)償功率因數(shù)[6]。另外，研究表明，當(dāng)電力機(jī)車采用交直交機(jī)車時(shí)，諧波電流含量得以降低，對(duì)電力系統(tǒng)影響較小[1]。

2.3 弓網(wǎng)電弧的產(chǎn)生及抑制方法

2.3.1 弓網(wǎng)電弧的產(chǎn)生

機(jī)車高速運(yùn)行時(shí)，通過其頂部的受電弓從高壓接觸線獲取所需的電流，當(dāng)二者良好接觸時(shí)，兩者的電壓相等。但當(dāng)受電弓在升弓取流時(shí)，由于接觸網(wǎng)硬點(diǎn)、接觸網(wǎng)（受電弓弓頭）的振動(dòng)、導(dǎo)高突變、接觸網(wǎng)（受電弓）結(jié)冰、接觸網(wǎng)銹蝕等原因會(huì)造成“弓-網(wǎng)”間的電氣接觸不可靠，“弓-網(wǎng)”間會(huì)出現(xiàn)離線現(xiàn)象。在接觸線和受電弓滑板分離的瞬間，兩者之間的電壓急劇增加，使得它們之間的氣體發(fā)生“擊穿”現(xiàn)象，從而引起氣體放電現(xiàn)象。放電現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，在電極最近處空氣中的正負(fù)離子被電場(chǎng)加速，且在移動(dòng)過程中與其他空氣分子碰撞產(chǎn)生新的離子，這種離子大量增加的現(xiàn)象稱之為“電離”?？諝獍l(fā)生電離時(shí)，溫度急劇上升，同時(shí)以弧光的形式放射出能量，這就是“弓網(wǎng)電弧”。產(chǎn)生這種弧光一般并不需要很強(qiáng)的電壓，它屬于低電壓大電流放電，是一種大氣放電的產(chǎn)物[7]。

2.3.2 弓網(wǎng)電弧的抑制方法

弓網(wǎng)電弧在產(chǎn)生時(shí)刻，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值不是很高的沖擊電壓，并開始消耗電源和線路電感所儲(chǔ)存的能量。當(dāng)電流過零點(diǎn)時(shí)，電弧熄滅，在熄滅瞬間產(chǎn)生一個(gè)峰值很高、初始上升率很高的過電壓。電弧消耗的能量達(dá)到最大。在車載變壓器的高壓側(cè)并聯(lián)一個(gè)適當(dāng)大小的電容對(duì)抑制弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生的過電壓，減小電弧的能量損耗都有較好的作用。當(dāng)受電弓和接觸線分離而產(chǎn)生電弧時(shí)，由于電容的存在，使得負(fù)載兩端的電壓基本保持不變，受電弓和接觸線之間產(chǎn)生的過電壓得到很好的抑制，電弧所消耗的能量也相應(yīng)減少。

3 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)高速鐵路發(fā)展迅猛。盡管高速鐵路供電方面與普通國(guó)鐵有一些改進(jìn)，但是，由于高速鐵路速度太高，取流太大，而且接觸網(wǎng)又在戶外露天，受多種條件影響，特別是接觸網(wǎng)的震動(dòng)、硬點(diǎn)等造成的弓網(wǎng)電弧很大程度地影響了弓網(wǎng)取流；同時(shí)，由于牽引供電的特殊性，不可避免要產(chǎn)生負(fù)序電流和諧波電流，而兩種電流都將很大程度地影響電力系統(tǒng)供電質(zhì)量，必須設(shè)法進(jìn)行有效治理，本文通過分析，提出了一些治理措施，僅供牽引供電工作者參考和借鑒。

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