地鐵和電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)比較研究

韓冬曉

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)與科技發(fā)展，我國(guó)地鐵網(wǎng)絡(luò)規(guī)模在空間上不斷擴(kuò)大，提升了社會(huì)的整體運(yùn)行效率，其中，牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展成熟及其廣泛應(yīng)用直接促進(jìn)了地鐵和電氣化鐵路的發(fā)展進(jìn)步。與此同時(shí)，牽引系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性也受到越來(lái)越多的關(guān)注，因其一旦出現(xiàn)故障將會(huì)帶來(lái)重大的生命財(cái)產(chǎn)損失。為了促進(jìn)牽引供電系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定地應(yīng)用，對(duì)地鐵和電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的工作原理、運(yùn)行方式和牽引供電保護(hù)方式進(jìn)行了比較分析，希望能為牽引供電系統(tǒng)的應(yīng)用提供理論與實(shí)踐起到一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：地鐵；鐵路；牽引供電系統(tǒng)；運(yùn)行方式

中圖分類號(hào)：TM922.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）05-0171-02

Abstract： With the development of economy and technology， the scale of China's metro network has been expanding in space and improving the overall operation efficiency of the society. The development and maturity of traction power supply system has directly promoted the development and progress of Metro and electrified railway. At the same time， the safety and stability of traction system is also attracting more and more attention， because once it fails， it will cause significant loss of life and property. In order to promote the safe and stable application of traction power supply system， the working principle of the traction power supply system of metro and the electrified railway traction power supply operation mode and protection mode are analyzed， hoping to provide theory and practice plays a certain reference role for the application of traction power supply system.

Keywords： subway； railway； traction power supply system； operation mode

我國(guó)電力牽引系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展已走在世界的前沿，牽引供電系統(tǒng)是一套結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度極高的系統(tǒng)，因此要在實(shí)際的運(yùn)行中保障其安全性，使其供給合格、穩(wěn)定的電力，從而確保了地鐵和電氣化鐵路的安全運(yùn)行。在地鐵和電氣化鐵路的運(yùn)行過程中要做好牽引供電系統(tǒng)的檢查和維護(hù)工作，尋找系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，同時(shí)要制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，全方位地提升高鐵與電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)可靠性。本文分別介紹了地鐵牽引供電系統(tǒng)和電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的概況，并總結(jié)了二者的保護(hù)原理。

1 地鐵牽引供電系統(tǒng)概況

1.1 地鐵牽引供電系統(tǒng)供配電方式

地鐵牽引供電系統(tǒng)所使用的供配電方式主要為兩種，即集中供電方式與分散供電方式。

1.1.1 集中供電方式

集中供電方式是城市地鐵供電系統(tǒng)最常用的，是從城市電網(wǎng)接入電源，并且根據(jù)用電容量和城市軌道的長(zhǎng)短來(lái)建立專門的變電站，沿著地鐵線通常要建立2～3座110kV和220kV的主變電所。35kV中壓網(wǎng)絡(luò)縱向連接上級(jí)變電所、下級(jí)牽引變電所以及降壓變電所，構(gòu)成電網(wǎng)的主體，下級(jí)各變電所以橫向連通的的方式形成軌道交通的內(nèi)部供電網(wǎng)絡(luò)，這樣集中供電的好處是便于城軌公司的集中管理，在出現(xiàn)任何供電問題時(shí)也能夠集中解決。另外，各個(gè)牽引變電所之間由35kV和10kV環(huán)網(wǎng)電纜供電，提升了電路系統(tǒng)的可靠性。

1.1.2 分散供電方式

分散供電方式是按照城規(guī)供電的原則來(lái)接入的，從城市電網(wǎng)引入多路電源，并由區(qū)域變電所進(jìn)行降壓供電，通常供電所使用的電壓為19kV，以分散供電方式來(lái)為地鐵供電可以保障每一座牽引變電所和降壓變電所都能獲得雙路電源，提升了供電的穩(wěn)定性。

1.2 地鐵牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

地鐵的牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所和牽引網(wǎng)兩部分組成，這兩者工作時(shí)可以根據(jù)供電系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證運(yùn)行時(shí)牽引供電系統(tǒng)能夠與之協(xié)調(diào)一致。地鐵的供電系統(tǒng)可以為電動(dòng)車輛以外的動(dòng)力照明負(fù)荷供電，如車站和區(qū)間的動(dòng)力、照明系統(tǒng)以及其他用電設(shè)備。牽引供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性很重要，因其一旦發(fā)生故障，輕則致使列車晚點(diǎn)，重則導(dǎo)致重大安全事故。

2 電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)概覽

2.1 鐵路牽引供電系統(tǒng)的供電方式

電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的供電方式主要有直接供電方式、自耦變壓器（AT）供電方式以及直供+回流的供電方式。

2.1.1 直接供電方式

電氣化鐵路牽引系統(tǒng)的直接供電方式又被稱為單邊供電方式，供電原理是使用電力化鐵路產(chǎn)生單項(xiàng)交流負(fù)荷并且能夠在周圍的接觸網(wǎng)上產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，形成電磁波，從而會(huì)對(duì)附近的通訊設(shè)備和無(wú)線電裝置造成干擾，一定程度上影響了鐵路周邊的正常生產(chǎn)生活。目前我國(guó)鐵路通信采用高屏性能的同軸電纜，接觸網(wǎng)產(chǎn)生的電磁干擾影響很小，無(wú)需使用任何防護(hù)措施，對(duì)周邊的生產(chǎn)生活的影響可以忽略不計(jì)。但目前我國(guó)電氣化鐵路的相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，使得電磁干擾的問題迎來(lái)了新的挑戰(zhàn)，現(xiàn)提供的解決方案是在接觸網(wǎng)供電方式上采取相對(duì)應(yīng)的防護(hù)措施，從而衍生出不同的供電方式。部分消除電磁干擾的方式是在接觸網(wǎng)與接觸懸掛相同高度的位置接上附加導(dǎo)線，當(dāng)電力產(chǎn)生牽引作用時(shí)，附加導(dǎo)線能產(chǎn)生與接觸網(wǎng)大小相等、方向相反的電流，從而形成相反的電磁干擾，進(jìn)而相互抵消。endprint

2.1.2 自耦變壓器（AT）供電方式

自耦變壓器供電方式的工作原理是利用變電所55kV輸出電壓，通過自耦變壓器的耦合，變壓比為2：1，向接觸網(wǎng)輸送電力，在變電所的一端接入接觸網(wǎng)，在用電端口接入正饋線，通常這種正饋線架設(shè)在田野或者空曠無(wú)人區(qū)，要保障接觸懸掛線與之等高，并將點(diǎn)抽頭與鋼軌相接。正饋線的作用和BT供電方式中的NF線類似，能夠起到防干擾的功能，但前者的抗干擾功能要略勝一籌。另外，在正饋線下方還應(yīng)當(dāng)架設(shè)一條保護(hù)線，用來(lái)防止接觸網(wǎng)絕緣破損時(shí)保護(hù)跳閘，并且還可以提供避雷和防干擾的功能。

2.1.3 直供+回流的供電方式

此供電方式的工作原理是供電帶回流線的直接供電方式，這種供電方式能夠與鋼軌相連，具備防干擾作用，并且不需要附加吸流變壓器，能夠改善網(wǎng)壓，簡(jiǎn)化接觸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使供電系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定。

2.2 鐵路牽引供電系統(tǒng)構(gòu)成

鐵路牽引供電系統(tǒng)對(duì)供電功率的要求很高，否則無(wú)法維持高速運(yùn)行，因此需要依靠專門的外部供電裝置來(lái)提供列車的電能。牽引供電系統(tǒng)是從電氣化鐵路接入電力系統(tǒng)輸電網(wǎng)絡(luò)接引電源，通過變電所降壓轉(zhuǎn)換后為電力機(jī)車提供動(dòng)力的電力供給網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)殍F路牽引供電系統(tǒng)功率大，所以產(chǎn)生的負(fù)序電流現(xiàn)象相較其他的電氣化鐵路系統(tǒng)更加突出。為了緩解這個(gè)問題，當(dāng)前鐵路牽引變電所的短路容量設(shè)計(jì)得越來(lái)越大，用以擴(kuò)大負(fù)序電流的承載能力，但這類措施直接導(dǎo)致投資成本的升高，并且不能完全解決負(fù)序電流對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)面影響，因此要繼續(xù)尋求新的對(duì)策來(lái)解決牽引供電系統(tǒng)的負(fù)序電流問題。

3 地鐵和電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)保護(hù)對(duì)比

3.1 地鐵運(yùn)行的牽引供電保護(hù)原理

地鐵供電系統(tǒng)包括交流中壓系統(tǒng)和直流牽引系統(tǒng)，對(duì)于交流中壓系統(tǒng)的保護(hù)有專門的國(guó)家規(guī)程和行業(yè)規(guī)范，是相關(guān)科研人員研究出的可靠、可行的方案，直流牽引供電系統(tǒng)保護(hù)的最大特點(diǎn)是系統(tǒng)的“多電源”和消除故障多發(fā)區(qū)。在對(duì)這二者的保護(hù)中最基本的是發(fā)生短路等電路故障時(shí)要立即切斷電源，防止故障問題的事故化。消除故障多發(fā)區(qū)是優(yōu)化配置，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性必須要遵循的規(guī)定，通過相關(guān)的規(guī)定來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障排查，對(duì)于問題多發(fā)的系統(tǒng)部件與設(shè)置要進(jìn)行更換并提升檢察、探傷的頻率。

除了通過以上兩部分的保護(hù)之外，還要提升地鐵運(yùn)行的牽引供電的可靠性，可以從下幾個(gè)方面入手：其一，加強(qiáng)對(duì)牽引供電系統(tǒng)的管理工作，加強(qiáng)設(shè)備操作工的相關(guān)培訓(xùn)，并加入定期職業(yè)考核機(jī)制，不斷提升工作人員的職業(yè)素質(zhì)。其二，定期和不定期進(jìn)行故障演戲，檢驗(yàn)工作人員對(duì)故障設(shè)備的應(yīng)急處理能力，訓(xùn)練工作人員在最短的時(shí)間內(nèi)處理緊急時(shí)間，將故障帶來(lái)的威脅降到最低。其三，采取分點(diǎn)式的電路供電，在電路發(fā)生故障時(shí)能防止整個(gè)電路受到影響而導(dǎo)致交通系統(tǒng)的癱瘓。

3.2 電氣化鐵路運(yùn)行的牽引供電系統(tǒng)保護(hù)原理

電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)受到牽引負(fù)荷大小的影響，這會(huì)直接影響變壓器溫度，鐵路牽引供電系統(tǒng)的容量負(fù)荷及其變壓器的溫升變化情況直接決定了電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)的壽命長(zhǎng)短。牽引負(fù)荷增加會(huì)導(dǎo)致牽引變壓器溫度的升高，從而降低變壓器的使用壽命，所以在實(shí)際的運(yùn)行過程中，針對(duì)不同的運(yùn)輸要求應(yīng)采用不同的優(yōu)化方案，這能在節(jié)省電力費(fèi)用開支的同時(shí)降低牽引變壓器的壽命損耗，從而最大限度地提升了經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)城市交通壓力的不斷升高，各地對(duì)地鐵和鐵路的建設(shè)正如火如荼地開展，我國(guó)的鐵路和城市地鐵建設(shè)已步入正軌。本文通過對(duì)地鐵和電氣化鐵道供電方式的異同分析，說(shuō)明了兩者在牽引供電系統(tǒng)保護(hù)的差異。地鐵和電氣化鐵路在運(yùn)行過程中最重要的動(dòng)力就是電力供應(yīng)，牽引供電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性直接決定了地鐵的運(yùn)行質(zhì)量，出現(xiàn)電力供應(yīng)故障會(huì)給乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)影響，因此要利用新的技術(shù)和新的建設(shè)方案不斷加強(qiáng)牽引供電系統(tǒng)的可靠性和安全性，加強(qiáng)牽引變壓器的過載能力和使用壽命，使其滿足當(dāng)今社會(huì)快節(jié)奏、低消耗、低污染的生產(chǎn)生活。

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