電氣化鐵路同相供電技術(shù)探究

康亞周

摘 要 我國(guó)電氣化鐵路采用單相供電系統(tǒng)。牽引供電系統(tǒng)存在負(fù)序、無功、諧波等電能質(zhì)量問題，同時(shí)過分相裝置存在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、壽命短、投資大、可靠性低的問題。同相供電技術(shù)可從技術(shù)上全面取消過分相裝置，實(shí)現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)全線同相供電，不僅可徹底解決高速列車自動(dòng)過分相問題。且可避免牽引負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。從而為電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)的升級(jí)改造提供了可行方案。

關(guān)鍵詞 電氣化鐵路;同相供電;方案

1同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)探析

同相供電系統(tǒng)中的每個(gè)變電所均采用單相供電，原邊相位不再輪換，牽引變電所和分區(qū)亭處接觸網(wǎng)中可取消分相絕緣器，代之以分段絕緣器。

經(jīng)過牽引變電所，110kV三相電力系統(tǒng)變?yōu)閱蜗?7.5kV牽引電壓供給電力機(jī)車。所有變電所輸出電壓的相位相同。由于要對(duì)電力系統(tǒng)側(cè)進(jìn)行平衡補(bǔ)償，兼諧波、無功補(bǔ)償，因此在變電所內(nèi)安裝平衡變換裝置BCD（簡(jiǎn)稱平衡器）。

經(jīng)由牽引變電所，110kV三相電力系統(tǒng)變?yōu)?X27.5kV系統(tǒng)，變電所出線端分別接至接觸網(wǎng)（T）、軌道（R）和正饋線（F）。正饋線和接觸網(wǎng)之間的電壓為55kV，接觸網(wǎng)和軌道之間的電壓為27.5kV。所有變電所輸出電壓的相位均相同。同樣，為使電力系統(tǒng)側(cè)具有三相平衡的特點(diǎn)，在牽引變電所內(nèi)安裝平衡變換裝置。

由于采用的供電方式不同，此上兩種同相供電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)有所不同，尤其體現(xiàn)在牽引變電結(jié)構(gòu)方面。但是，AT供電方式相比直接供電或BT供電更具優(yōu)勢(shì)[1]。

2電氣化鐵路同相供電方案分析

（1）基于無源對(duì)稱補(bǔ)償?shù)耐喙╇姺桨浮o源對(duì)稱補(bǔ)償技術(shù)是以可調(diào)并聯(lián)電抗器、電容器為依托，通過并聯(lián)無功補(bǔ)償或并聯(lián)電容補(bǔ)償來消除或消弱單相牽引負(fù)荷引起的系統(tǒng)不平衡，同時(shí)兼補(bǔ)無功，從而實(shí)現(xiàn)同相供電。從理論上來說任何一種接線形式的牽引變壓器均可以構(gòu)造出三相/單相對(duì)稱變換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)同相供電。在結(jié)合常規(guī)接線的牽引變壓器的對(duì)稱補(bǔ)償時(shí)，如YNdll變壓器、vv變壓器，必須在三個(gè)端口均安裝可調(diào)補(bǔ)償器，這就使得補(bǔ)償裝置的總安裝容量大于牽引負(fù)荷容量，增大了投資，補(bǔ)償設(shè)備容量利用率偏低，補(bǔ)償協(xié)調(diào)的控制手段和設(shè)備較為復(fù)雜。而采用特殊接線，如不等邊Scott接線、不等邊V，V接線等的對(duì)稱補(bǔ)償技術(shù)，只需在制定兩端口設(shè)置補(bǔ)償容量，使得補(bǔ)償裝置總安裝容量小于牽引負(fù)荷容量，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并能實(shí)現(xiàn)與單相牽引變壓器相配合。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，在對(duì)稱補(bǔ)償理論基礎(chǔ)上提出了基于有源補(bǔ)償?shù)耐喙╇娂夹g(shù)方案。

（2）基于有源補(bǔ)償?shù)耐喙╇姺桨浮榱擞行Ы鉀Q電網(wǎng)諧波污染和無功沖擊等問題，隨著電力電子器件的發(fā)展，有源對(duì)稱補(bǔ)償技術(shù)得到了大量的研究和運(yùn)用。同相牽引供電系統(tǒng)是在現(xiàn)行牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上在各個(gè)牽引變電所內(nèi)引入平衡變壓器和變流器，使現(xiàn)有變電所的兩供電臂合并，實(shí)現(xiàn)單相供電，接觸網(wǎng)各區(qū)段電壓相位相同。在由平衡變壓器供電的牽引系統(tǒng)中，當(dāng)兩個(gè)供電臂的負(fù)荷相等時(shí)，即兩個(gè)負(fù)荷的電流幅值相同、功率因數(shù)相等時(shí)，變壓器高壓側(cè)的三相電流是對(duì)稱的，利用平衡變壓器的這個(gè)特性在如下圖中機(jī)車所需的有功功率是變壓器提供，同時(shí)當(dāng)兩個(gè)供電臂的負(fù)荷不相等的情況下，右邊的變壓器提供一部分有功功率給左邊的供電臂，其結(jié)果是變壓器兩個(gè)繞組均輸出相同的有功功率，實(shí)現(xiàn)供電臂有功功率平衡，并且供電臂的無功功率由兩個(gè)四象限變流器提供，最終實(shí)現(xiàn)兩個(gè)供電臂電壓和相位的相同，取消變電所出口分相。

（3）組合式同相供電方案。在現(xiàn)有同相供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加以改善后提出的組合式同相供電系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)補(bǔ)償裝置容量最小化、技術(shù)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化的目標(biāo)，因此對(duì)組合式同相供電設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究有著更為實(shí)際的意義。①單相組合式同相供電。單相組合式同相供電原理是由牽引變壓器TT和高壓匹配變壓器HMT構(gòu)成不等邊的Scott變壓器，即一種供電容量不等，電壓相位垂直幅值相等的特殊類型的平衡變壓器。當(dāng)單相組合式同相供電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，單相變壓器和交直交裝置一同給牽引網(wǎng)負(fù)荷供電，其中牽引變壓器承擔(dān)主要的供電任務(wù)，交直交裝置承擔(dān)次要的供電任務(wù)，即牽引負(fù)荷的計(jì)算容量為牽引變壓器計(jì)算容量與交直交裝置的計(jì)算容量之和。交直交裝置的計(jì)算容量由引起三相電壓不平衡度超標(biāo)部分的牽引負(fù)荷容量確定。②單三相組合式同相供電。對(duì)于現(xiàn)有電氣化鐵路的改造和原邊需要大電流接地的情況來說，單三相組合式同相供電系統(tǒng)更加滿足鐵路設(shè)計(jì)需求。組合式同相供電技術(shù)是新一代牽引供電系統(tǒng)的最關(guān)鍵技術(shù)之一，它不僅可用于鐵路的新線建設(shè)，也方便于我國(guó)高速鐵路、重載鐵路廣泛采用的單相接線（型）牽引變電所的同相供電改造與升級(jí)，具有良好的適用性。比較單相組合式同相供電與單三相組合式同相供電可見，組合式同相供電方案省卻了一級(jí)匹配變壓器，這不僅節(jié)約成本，減少占地，還可提高系統(tǒng)效率。新發(fā)展起來的MMC（modularmultileveconverter）技術(shù)可以使交直交變流器直掛于牽引母線，則可進(jìn)一步省卻牽引匹配變壓器。

（4）雙邊供電技術(shù)。雙邊供電就是用分區(qū)所SPk中的斷路器將相鄰的牽引網(wǎng)TNk和TNk+1聯(lián)通，相鄰的牽引變電所SSk和SSk+1對(duì)TNk和TNk+1構(gòu)成雙邊供電。新的雙邊供電方案是在SSk的牽引饋線串接電抗器Lk，在SSk+1的牽引饋線串接電抗器Lk+1，SSk用單相牽引變壓器TTk，SSk+1用單相牽引變壓器TTk+1，分別在公共連接點(diǎn)PCCk和PCCk+1處接入電力系統(tǒng)輸電線ABC。電力系統(tǒng)與牽引變電所的電氣聯(lián)結(jié)方式稱為外部供電方式，它取決于電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及其與牽引變電所的相對(duì)位置等因素。一般說來，有環(huán)形單回路、環(huán)形雙回路、單電源雙回路、放射式等方式[2]。

3結(jié)束語

針對(duì)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)存在的大量負(fù)序、諧波、無功等電能質(zhì)量問題，本文介紹了傳統(tǒng)同相供電技術(shù)方案及其局限性，介紹了有源補(bǔ)償設(shè)備容量最優(yōu)化的組合式同相供電技術(shù)方案，最后提出了新型雙邊供電技術(shù)方案，為同相供電的理論研究和實(shí)際應(yīng)用提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 肖剛.基于MMC的同相供電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2016.

[2] 胡家喜，周方圓.電氣化鐵路列車過分相技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2019，（3）：1-5.