淺談高速鐵路供電系統(tǒng)的現(xiàn)狀及趨勢技術

許飛

摘 要：針對當前在高速鐵路建設過程之中的供電系統(tǒng)建設現(xiàn)狀進行了介紹，分析了當前高速鐵路供電系統(tǒng)的建設和設計特點，論述了供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：高速鐵路；供電系統(tǒng)；建設現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

1 高速鐵路供電系統(tǒng)的建設特點

在高速鐵路的建設優(yōu)化之中，技術人員首先需要了解供電系統(tǒng)的主要功能。高速鐵路供電系統(tǒng)在實際運行之中的主要工作包括牽引供電、生產(chǎn)及生活用電、供水用電、照明用電等多方面的內(nèi)容，對于高速鐵路列車的正常運行和安全運行有著不可替代的作用。一旦高速鐵路的供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障就會嚴重影響其運行過程。在實際設計過程之中，高速鐵路的供電系統(tǒng)具有如下的特點：第一，系統(tǒng)電壓等級較低。高速鐵路運行過程之中，列車對于供電系統(tǒng)的電壓要求較低，就當前我國的高速鐵路建設來講，大部分高速列車的供電電壓都在10-35kV之間，同時為了方便建設，供給鐵路電壓的變電所結(jié)構都較為簡單，且由于其供應目標僅僅是高速鐵路列車，因此供電負荷較小。第二，供電系統(tǒng)的線路設計形式簡單。在設計之中為了方便使用和檢修，高速鐵路供電系統(tǒng)的線路設計一般較為簡單，當前我國的鐵路系統(tǒng)之中一般使用單一輻射狀網(wǎng)絡。為了方便列車行駛過程之中的供電，用于鐵路供電的變電所一般按照鐵路的運行方向進行布置和鏈接，共同形成供電網(wǎng)絡。在這種鏈接模式之下，供電系統(tǒng)的接線方式包括直閉線和貫通線兩種形式。通過連接線的布置可以實現(xiàn)變電所之間的互相鏈接，提升高速鐵路的運行質(zhì)量。第三，供電系統(tǒng)的設計穩(wěn)定性要求較高。高速鐵路在運行之中首先需要保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在供電線路設計之中，盡管配電線路的設計較為簡單，但是為了供電過程之中斷電時間不得超過150s，否則就會影響列車的正常使用，造成運行安全隱患。

2 供電技術介紹

2.1 電力系統(tǒng)匹配技術

由于高速鐵路列車在運行過程之中牽引的負荷較大，行車密度較高，且對于供電系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性有較高的要求，為了保證供電容量，一般在實際設計之中會使用高速鐵路牽引供電負荷來保護電網(wǎng)免受端電網(wǎng)的影響。為了保證高速鐵路的運行安全性，在共用電網(wǎng)的設計之中必須保證其具有足夠的匹配能力，滿足高速鐵路對于供電系統(tǒng)的要求，因此，在實際的設計和建設過程之中應當從高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)所對應的共用電網(wǎng)的短路容量和電源支撐能力進行設計和調(diào)整，系統(tǒng)性的研究牽引供電原理和電網(wǎng)的相互作用原理，提高高速鐵路供電系統(tǒng)以及公共電力系統(tǒng)之間匹配性。高速鐵路的供電系統(tǒng)需要較好的匹配技術來避免列車運行對供電網(wǎng)絡帶來的沖擊問題，在我國的高速鐵路建設過程之中，作為牽引單元的機車和地面供電裝置之間的供電接口規(guī)定了供電系統(tǒng)和牽引單元之間的設計原則以及協(xié)調(diào)特性。公共供電網(wǎng)絡的電力供應范圍較大，由于高速鐵路的牽引供電對于一系列供電變電所都有電力供應損傷的需求，在進行匹配性研究和設計的過程之中可以使用仿真實驗的形式來分析供電系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并根據(jù)實驗結(jié)果來合理設計供電系統(tǒng)的電力匹配特性。

2.2 牽引供電系統(tǒng)

高速鐵路在運行過程之中具有運行速度高、運行負荷大、運行間隔時間較短的特點，為了保證列車的受電弓和牽引供電系統(tǒng)有較好的接觸，在實際設計過程之中需要對牽引供電系統(tǒng)的設計進行改良。高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構主要包括牽引變電所和接觸網(wǎng)；兩個部分，其主要的設計目的是實現(xiàn)在運行過程之中供電質(zhì)量的目的，因此，系統(tǒng)設計要滿足高速鐵路牽引負荷的特點。接觸網(wǎng)作為列車牽引供電系統(tǒng)的主要電力來源，供電質(zhì)量直接影響；列車的運行速度和運行的穩(wěn)定性，動車組在運行的過程之中會在受電弓和接觸導線的接觸狀態(tài)之下獲取電能，為動車的運行以及車內(nèi)電器提供電能。要保證接觸良好，即要求在設計之中弓網(wǎng)的振動小，在列車運行過程之中不會出現(xiàn)較大的沖擊。為了實現(xiàn)弓網(wǎng)之間的良好接觸性，我國在高速鐵路建設之中一般會根據(jù)不同的運行速度來對接觸網(wǎng)的懸掛設計進行優(yōu)化。在弓網(wǎng)關系的設計優(yōu)化過程之中，國家的列車建設標準對于受電弓和接觸網(wǎng)之間的匹配性能有一定的設計要求，標準包括弓網(wǎng)相互作用的測量對象和要求、弓網(wǎng)相互作用的模型組成、仿真數(shù)據(jù)和測試驗證數(shù)據(jù)的要求以及兩者的對比評定等內(nèi)容。弓網(wǎng)相互作用是通過測量接觸力、位移和電弧3項參數(shù)，確定弓網(wǎng)接觸效果。

2.3 牽引供電系統(tǒng)防雷設計

雷電直擊會影響鐵路系統(tǒng)的電壓供應。當鐵路信號系統(tǒng)的周邊變電所受到雷電直擊時，由于預先的接地處理，外部的避雷網(wǎng)或是接地網(wǎng)絡會將直接雷擊約50%的能量引入地面，同時，供電系統(tǒng)可以分流大約40%的雷電能量，剩余的雷擊能量一般是由信號樓之中的電纜以及金屬管道等進行分流。在實際發(fā)生雷電直擊時，電源線路和管線的設計結(jié)構會影響雷擊能量的分配情況，當內(nèi)部線路設計不當時，會造成雷擊產(chǎn)生的過電壓直接進入設備的內(nèi)部，造成設備內(nèi)部電路的損壞。在鐵路電力設備的保護過程之中，最為主要的防治措施還是防雷設備的安裝和使用。當前使用較多的防雷設備主要是避雷針、避雷線以及避雷網(wǎng)，避雷針的使用最廣，在一些大型建筑、山區(qū)的信號塔以及面積較小的建筑物上都有使用，可以起到較好的防護作用。

目前我國正在開展高速鐵路雷電防護的研究和牽引供電系統(tǒng)與動車組間絕緣配合的研究，相關標準尚不完善，而在建的高速鐵路有相當線路區(qū)段處在多雷區(qū)和雷電活動特殊強烈地區(qū)，因此，若不能掌握雷電對高速鐵路系統(tǒng)的危害并采取相應的措施，則有可能嚴重威脅高速鐵路的運營安全。為了開展牽引供電系統(tǒng)雷電過電壓防護方法的研究，高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的雷電防護研究，今后應深入調(diào)查分析既有線路的雷電事故，建立分析計算模型，計算牽引供電系統(tǒng)直擊雷電過電壓和感應雷電過電壓，在工程實際中監(jiān)測接觸網(wǎng)雷電過電壓波形及雷擊故障點位置；利用覆蓋鐵路沿線走廊的地面雷電監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)雷電活動資料進行差異化防雷設計；研究雷害防護裝置，分析雷害防護的動作方式和作用機理，在雷害嚴重的地區(qū)，檢驗既有防雷措施的有效性、可行性和合理性，根據(jù)研究成果提出改進措施，形成適合我國電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的雷害防護指南。制定牽引供電系統(tǒng)的雷電防護標準是高速鐵路面臨的關鍵技術。我國牽引供電系統(tǒng)缺乏整體雷電防護相關標準，應在研究的基礎上，制定相關標準。目前，各鐵路設計單位正在研究，通過理論設計、試驗研究、實際檢驗，確定了接觸網(wǎng)專用避雷器和絕緣子并聯(lián)間隙。

結(jié)束語

我國應建立適合國情的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)綜合電力負荷模型、接觸網(wǎng)-受電弓耦合系統(tǒng)模型，通過接觸網(wǎng)雷電事故風險評估以及接觸網(wǎng)短路工頻電弧運動規(guī)律的研究等，為制定高速鐵路牽引供電系統(tǒng)標準奠定堅實的理論與技術基礎。

參考文獻

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