電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的研究與分析

于國(guó)旺

摘 要：電氣化鐵路具有運(yùn)量大、速度快、運(yùn)費(fèi)低、能耗較低、受自然影響小等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前鐵路發(fā)展的主要方向。與此同時(shí)，由于電氣化鐵路牽引的負(fù)荷非常大。因此在整個(gè)電網(wǎng)中，電氣化鐵路本身所具有的移動(dòng)性和波動(dòng)性便成為對(duì)電網(wǎng)接入點(diǎn)造成影響的主要原因。就電氣化鐵路負(fù)荷的特點(diǎn)，分析電氣化鐵路對(duì)整個(gè)電網(wǎng)所產(chǎn)生的影響，并總結(jié)現(xiàn)有應(yīng)對(duì)措施提出了意見及建議。

關(guān)鍵詞：牽引供電系統(tǒng) 電力機(jī)車 治理措施 優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）005-022-03

世界上第一條高速鐵路于1964年第一次自1964年在日本新干線運(yùn)營(yíng)。自此以后，由于高速鐵路自身所具有的優(yōu)勢(shì)（如較大的運(yùn)輸吞吐量、方便舒適的乘車環(huán)境以及綜合能效高等），這一新興的運(yùn)輸方式逐漸被越來越多的國(guó)家重視起來。就目前全球鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展來看，電氣化運(yùn)輸已經(jīng)成為未來鐵路運(yùn)輸發(fā)展的趨勢(shì)之一。因而，電氣化鐵路發(fā)展的水平就成為本國(guó)運(yùn)輸技術(shù)水平的重要標(biāo)志。其中，最具代表性的當(dāng)屬法國(guó)在1981年建成的TGV高速鐵路及1991年實(shí)現(xiàn)全線通車的德國(guó)ICE高速鐵路。至此以后，意大利以及亞洲的韓國(guó)的高速電氣化鐵路也相繼建成并投入運(yùn)營(yíng)。

對(duì)于我國(guó)的鐵路發(fā)展而言，本世紀(jì)的前20年不得不說是對(duì)我國(guó)高技術(shù)鐵路發(fā)展最為重要的時(shí)期。也正是在這一時(shí)期，我國(guó)構(gòu)思已久的高技術(shù)鐵路網(wǎng)計(jì)劃得以付諸實(shí)踐。這一計(jì)劃的主要目的是截至2020年，我國(guó)境內(nèi)鐵路運(yùn)輸總里程要達(dá)到10萬公里。其中，主要的繁忙運(yùn)輸路線要實(shí)現(xiàn)客運(yùn)和貨運(yùn)分線，且復(fù)線呂和電氣化水平要超過總線路的一半以上。另外，為了滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和各方面的需求，上述涉及到的技術(shù)水平和各項(xiàng)指標(biāo)均要求達(dá)到或接近國(guó)際同類型行業(yè)的先進(jìn)水平。此外，在“四縱四橫”規(guī)劃體系中，要求省會(huì)和大中城市之間必須建立專屬的告訴客運(yùn)直通車。這就要求三個(gè)國(guó)際性城市的專屬客運(yùn)系統(tǒng)專線里程要超過1.2Km以上，鐵路運(yùn)輸時(shí)速要達(dá)到或超越200Km/h。通過多年的調(diào)研以及相關(guān)技術(shù)攻關(guān)，終于在2008年8月1日，我國(guó)第一條高速現(xiàn)代化鐵軌在京津段實(shí)現(xiàn)通車并投入使用。這一高鐵的時(shí)速達(dá)到了驚人的350公里，毋庸置疑我國(guó)京津段高速鐵路的建成通車使得我國(guó)躋身于高速鐵路技術(shù)世界先進(jìn)的行列。

縱觀世界高速鐵路電氣化的進(jìn)程，其動(dòng)力車頭無外乎分交-直型和交-直-交型。由于電氣化機(jī)車的電能載荷較為特殊，電力機(jī)車對(duì)電網(wǎng)的影響以及其運(yùn)行狀態(tài)越來越受到鐵道部門和電力部門的關(guān)注。在運(yùn)行過程中由于電力機(jī)車是一種波動(dòng)性很大的單相負(fù)荷。因此，在運(yùn)行中產(chǎn)生的逆序和諧波便通過牽引變電站直接注入電網(wǎng)系統(tǒng)。然而，上述電氣化機(jī)車所產(chǎn)生的負(fù)序和諧波會(huì)直接影響我國(guó)電力系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。所以電力機(jī)車在工作中所產(chǎn)生的各種負(fù)荷及其產(chǎn)物受到了各國(guó)政府及相關(guān)機(jī)構(gòu)的重視。

針對(duì)我國(guó)的電氣化鐵路進(jìn)程而言，我國(guó)的高速鐵路主要是以高速車頭為主。但是由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)此類技術(shù)的要求越來越高，此時(shí)對(duì)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的速度以及載重也要求的越來越苛刻。鑒于交-直型高速動(dòng)車組的優(yōu)勢(shì)而言，目前對(duì)這兩種鐵路機(jī)車負(fù)荷的研究工作也已日益增多。

因此，本文就電氣化鐵路負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)的影響以及其自身的特點(diǎn)等多方面就電能質(zhì)量的綜合利用進(jìn)行分析。

1 電氣化鐵路和供電方式

1.1 牽引系統(tǒng)的供電方式

對(duì)于各國(guó)所發(fā)展的高速鐵路而言，高鐵所涉及的供電牽引系統(tǒng)主要由變電站和接觸網(wǎng)兩大部分組成。二者協(xié)調(diào)運(yùn)作最終保證了牽引供電系統(tǒng)的變電，配電以及送電工作。

作為系統(tǒng)中的核心組成部分，牽引變電所的職能是要將國(guó)家電網(wǎng)輸入的三相高壓電轉(zhuǎn)換為能夠和電力機(jī)車輸入端相吻合的電能。在完成上述操作后，變電站還需要將經(jīng)過轉(zhuǎn)換的電能輸入到接觸網(wǎng)以便電力機(jī)車供電模塊調(diào)用。在上述功能的實(shí)現(xiàn)中，變電站所涉及的電氣部件可謂是“五花八門”，“種類繁多”，其中最常見的有變壓器、繼電器、電能傳輸母線等。

為了使得高壓變電后的電能可以被電力機(jī)車供電模塊所調(diào)用，接觸網(wǎng)便成為了連接牽引變電機(jī)構(gòu)和機(jī)車供電系統(tǒng)的橋梁。顯而易見，接觸網(wǎng)的電力負(fù)荷直接影響高速機(jī)車的運(yùn)行速度及負(fù)荷能力，但對(duì)于輸電系統(tǒng)來說線路負(fù)荷時(shí)靜止的。在如此之多的因素共同作用下，鐵路線路的可靠性便顯得尤為重要。因此在設(shè)計(jì)接觸網(wǎng)的時(shí)候，滿足電力機(jī)車弓網(wǎng)耦合和減小運(yùn)行中接觸網(wǎng)與弓網(wǎng)的機(jī)械振動(dòng)和沖擊便成為了主要的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想。

作為變電站與電力機(jī)車直接聯(lián)系的橋梁，接觸網(wǎng)的機(jī)械組成部分主要包括：懸掛支撐模塊接觸網(wǎng)主要由接觸懸掛、定位裝置等。

1.2 供電電壓

根據(jù)我國(guó)電網(wǎng)的設(shè)置，我國(guó)電氣化鐵路牽引采用單相50Hz交流制。通過電網(wǎng)輸出的110kV或220kV的雙電源或雙回路為牽引變電站供電。此外，在牽引變電站通過變壓器降壓等程序分相介入鐵路上方的接觸網(wǎng)為電力機(jī)車提供能源。就一般而言，變電系統(tǒng)為機(jī)車母線提供的額定電壓為25KV，不難看出，與之配合使用的基礎(chǔ)網(wǎng)、動(dòng)力機(jī)車等采用的額定電壓也為25KV。然而在我國(guó)廣泛使用的外部電源等級(jí)為110KV。直到哈爾濱至大連的高速鐵路建成以后，我國(guó)220KV級(jí)的鐵路線才陸續(xù)建成。值得一提的是，我國(guó)今年來所新修的線路大多是使用220kV外部供電這一模式來運(yùn)行的。

1.3 接觸網(wǎng)

所謂接觸網(wǎng)是指為動(dòng)力機(jī)車直接提供與之相配套電源等級(jí)的動(dòng)力供電網(wǎng)絡(luò)。想象的說就是動(dòng)力機(jī)車族在通過受電弓接觸電網(wǎng)后獲得其運(yùn)行所需的電能。接觸網(wǎng)在電氣化鐵路中的應(yīng)用形式有很多，比如直接供電方式、允許回流的直接供電模式等等。以往我國(guó)的電氣化高速鐵路主要是采用BT方式供電，然而隨著普通鐵路相繼采用這一模式后，目前我國(guó)主要采用的供電方式轉(zhuǎn)為供電臂較長(zhǎng)的AT供電方式。

1.4 牽引變壓器接線方式

在我國(guó)，主要采用V/V接線法YNd11接線法和SCOTT接線法這幾類牽引變電器的接線方法。其中：SCOTT接線和阻抗匹配平衡接線屬于平衡變接線。

單相變由于接線方法簡(jiǎn)單、高可靠性、利用率高等優(yōu)勢(shì)，往往配合AT供電方式的方案會(huì)作為鐵道部門的首選。利用這一方式，可以大幅度的增加牽引供電半徑且降低了大部分的運(yùn)行成本與工程造價(jià)。然而，對(duì)于其他的供電方式來說，采用單相變的供電系統(tǒng)的負(fù)序電流概率最大。當(dāng)兩供電臂的電力負(fù)荷相等時(shí)其不對(duì)乘系數(shù)為1。因此這一類供電方式給電力系統(tǒng)帶來的負(fù)面影響也最為明顯。

V/V接線（V形接線）。此法通常采用2組單相變壓器組成一個(gè)開口的三角形。再起高電壓一側(cè)，采用三相高壓輸入。此類接線是指采用2臺(tái)單相變壓器連結(jié)成開口三角形。在其高壓側(cè)，則采用 3相供電。采用這一方式的供電系統(tǒng)在容量利用方面可以達(dá)到驚人的100%。此外在工作過程中V型接線還可以使得負(fù)序容量降低至正序的一半左右。顯而易見，相比較于單相接線法而言，這一接線方式可以在很大程度上減輕動(dòng)力機(jī)車對(duì)電網(wǎng)的不利影響。此外由于其對(duì)容量的充分利用，還從根本上避免了設(shè)計(jì)上帶來的容量冗余等問題。

YNdl1接線方式屬于標(biāo)準(zhǔn)的連接方式。在這一連接方式下，變電器實(shí)質(zhì)上起著兩個(gè)單相負(fù)荷的作用。器二次側(cè)相當(dāng)于兩個(gè)單相負(fù)荷，由于在運(yùn)行過程中兩個(gè)負(fù)荷相對(duì)獨(dú)立，從而造成了電流在傳輸過程中的不對(duì)稱。因此這種接線方式的應(yīng)用在一定程度上也收到了限制。

2 電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)的影響

采用單相供電和整流的電氣化系統(tǒng)在使用時(shí)往往會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成一定負(fù)面的影響。如單相供電往往使得三相負(fù)載嚴(yán)重失衡，常常由此產(chǎn)生的負(fù)序電流進(jìn)入供電網(wǎng)絡(luò)后會(huì)使得牽引模塊負(fù)荷的頻繁變化產(chǎn)生電流沖擊。長(zhǎng)此以往，系統(tǒng)的供電質(zhì)量會(huì)嚴(yán)重下降。在上述作用的影響下，電機(jī)和變壓器內(nèi)部產(chǎn)生的附加損耗會(huì)導(dǎo)致整體發(fā)熱量變大。在浪費(fèi)資源的同時(shí)也嚴(yán)重的影響了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。另外，這一結(jié)果還會(huì)導(dǎo)致通信設(shè)備的工作受到嚴(yán)重干擾，導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備的保護(hù)機(jī)制頻繁啟動(dòng)或失效。

3 應(yīng)對(duì)措施

通過國(guó)外同行在這一領(lǐng)域的應(yīng)對(duì)措施及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，為了避免上述諧波和負(fù)序電流造成的危害，在設(shè)計(jì)施工時(shí)的主要應(yīng)對(duì)方案應(yīng)該從供電方式的優(yōu)化與功率補(bǔ)償兩個(gè)方向入手。

3.1 優(yōu)化牽引供電方式

就一般而言，我國(guó)鐵路供電系統(tǒng)在接入時(shí)除了采用換相接入模式外，常常還采用接入高能的外部電源。為對(duì)于牽引變壓器的選擇，應(yīng)當(dāng)在配合整個(gè)電力系統(tǒng)負(fù)荷的前提下減少客戶端對(duì)其造成的影響，從而實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。如上所述，在半年氬氣的選用方面，需要優(yōu)先考慮可以減小三相失衡的穩(wěn)壓變壓器。

3.2 無功補(bǔ)償裝置

對(duì)于無功需求較大的牽引站而言，常常需要在電網(wǎng)返送無功時(shí)對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。這部分的硬件補(bǔ)償裝置主要是由單相固定（自動(dòng)跟蹤）和三相動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償兼濾波裝置等硬件模塊組成。

4 結(jié)束語

作為高耗能行業(yè)，毋庸置疑，鐵路電網(wǎng)的電力需求增長(zhǎng)點(diǎn)對(duì)于地方經(jīng)濟(jì)都是至關(guān)重要的。因此不難看出，強(qiáng)大的電力系統(tǒng)為電氣化鐵路的安全運(yùn)行提供了強(qiáng)有力地保障。為此，對(duì)于負(fù)序電流的治理還需要加大投資力度。

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