電氣化鐵路雙邊供電技術(shù)應(yīng)用研究

李群湛，王 輝，解紹鋒

0 引言

電氣化鐵路列車負(fù)荷為大功率單相負(fù)荷，通過牽引供電系統(tǒng)從三相電力系統(tǒng)直接獲取電能[1，2]。列車負(fù)荷取電時(shí)會(huì)在三相電力系統(tǒng)中產(chǎn)生負(fù)序電流分量和負(fù)序電壓分量。為降低負(fù)序分量對(duì)電力系統(tǒng)的不良影響，現(xiàn)行慣常做法是將電氣化區(qū)段的各牽引變電所的供電臂（單相牽引負(fù)荷）輪換接入三相電力系統(tǒng)的不同相別（相電壓或線電壓），即電氣化區(qū)段內(nèi)各牽引變電所饋出不同相別的電能為列車負(fù)荷供電。不同相別的牽引網(wǎng)之間需設(shè)置電分相，電分相中間設(shè)置不帶電的中性段，形成無電區(qū)。電分相亦簡(jiǎn)稱分相，現(xiàn)行牽引供電系統(tǒng)有兩類分相，一類位于變電所出口處，一類位于兩相鄰變電所之間的分區(qū)所處。列車通過電分相的過程稱為過分相[3，4]。電分相環(huán)節(jié)是牽引供電系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)之一，不僅成為列車速度和牽引力損失的主要原因，也是限制運(yùn)輸能力的瓶頸[5，6]。

為避免列車帶電過分相引發(fā)相間短路和拉弧燒損接觸網(wǎng)而造成事故，最常用、最直接的方法是使列車斷電利用慣性通過電分相。列車過分相存在失電、增加列車運(yùn)行時(shí)間、產(chǎn)生過電壓、影響弓網(wǎng)狀態(tài)、降低供電可靠性等問題。列車的牽引需要電能，而且制動(dòng)首選電制動(dòng)，也需要電能，過分相失電不僅影響牽引和運(yùn)力，也影響制動(dòng)和安全性。同時(shí)，電分相分割了兩個(gè)供電臂，短供電臂也不利于列車再生電能被同行車經(jīng)濟(jì)地吸收、利用。

電分相問題一直是制約電氣化鐵路發(fā)展與運(yùn)用的瓶頸，尤其對(duì)于復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)、大坡道、重負(fù)荷鐵路，電分相的影響因素日益受到各方關(guān)注，如何減少甚至取消電分相也備受各方關(guān)注。目前，我國高原鐵路涉及青藏鐵路和川藏鐵路，坡道長(zhǎng)、大、多，川藏鐵路橋隧比極高，客貨混跑，過分相失電會(huì)使列車掉速，不僅影響運(yùn)力，還存在趴窩風(fēng)險(xiǎn)，一旦出現(xiàn)停車和列車長(zhǎng)時(shí)失電，將釀成事故，甚至停電造成制氧機(jī)停運(yùn)，危及乘客生命安全，后果不堪設(shè)想。雙邊供電技術(shù)可以進(jìn)一步取消相鄰牽引變電所間分區(qū)所的電分相，本文將從系統(tǒng)方案、技術(shù)可行性以及供電安全性等方面對(duì)雙邊供電技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 電氣化鐵路雙邊供電技術(shù)

電氣化鐵路雙邊供電是指在分區(qū)所實(shí)現(xiàn)連通供電，列車由原來的單邊供電的單個(gè)牽引變電所取電，實(shí)現(xiàn)從兩個(gè)相鄰的牽引變電所（甚至更遠(yuǎn)的其他變電所）同時(shí)取電的一種供電方式。

將電力系統(tǒng)對(duì)牽引變電所的供電方式稱為外部電源的供電方式，其包括環(huán)形（雙側(cè)）單回路、環(huán)形（雙側(cè)）雙回路、單電源（單側(cè)）雙回路和放射式（樹形）供電。外部電源供電方式的選擇與牽引負(fù)荷的用電等級(jí)和電力系統(tǒng)的分布情況等有關(guān)，顯然，電氣化鐵路單邊供電的外部電源供電方式對(duì)于雙邊供電仍適用。

實(shí)現(xiàn)雙邊供電應(yīng)至少滿足以下條件[2]：（1）兩相鄰近牽引變電所需由同一電力系統(tǒng)供電，以確保具有相同的頻率；（2）兩相鄰近牽引變電所牽引端口應(yīng)同相。

根據(jù)外部電源構(gòu)造的不同，將電氣化鐵路雙邊供電分為樹形雙邊供電和平行雙邊供電兩種供電方式。樹形雙邊供電是指2個(gè)牽引變電所TS1和TS2之間的分區(qū)所連通，TS1和TS2的外部電源均能夠追溯至電力系統(tǒng)的同一變電站，即外部電源對(duì)鐵路構(gòu)成輻射式供電，如圖1所示。圖1（a）中TS1和TS2的外部電源均同時(shí)來自電力系統(tǒng)變電站S1或S2的同一母線的不同分段；圖1（b）中TS1和TS2的外部電源均同時(shí)來自電力系統(tǒng)變電站S3的同一母線的不同分段。

圖1 樹形雙邊供電示意圖

平行雙邊供電是指2個(gè)牽引變電所TS1和TS2之間的分區(qū)所連通，TS1和TS2分別取電于電力系統(tǒng)同一輸電線，輸電線兩端通?？勺匪莸?個(gè)變電站S4和S5。圖2為一種平行雙邊供電示意圖。

圖2 一種平行雙邊供電示意圖

2 電氣化鐵路雙邊供電技術(shù)可行性分析

相較單邊供電，雙邊供電牽引網(wǎng)的電壓損失和電能損失進(jìn)一步減小，網(wǎng)壓水平進(jìn)一步改善，供電可靠性和再生制動(dòng)電能利用率進(jìn)一步提高。目前包括俄羅斯在內(nèi)的蘇聯(lián)國家電氣化鐵路主要采用雙邊供電方式[7]，該方式是一種平行雙邊供電方式。由于牽引網(wǎng)與電力系統(tǒng)（等效）輸電線或母線并聯(lián)，會(huì)在牽引網(wǎng)中增生電流分量，將該電流分量稱為均衡電流，對(duì)應(yīng)的潮流分量稱為穿越功率。穿越功率的存在會(huì)導(dǎo)致電費(fèi)計(jì)量的改變。相較于平行雙邊供電，采用樹形雙邊供電時(shí)，在兩牽引變壓器變比一致的情形下，均衡電流和穿越功率為0[8]。此時(shí)，樹形雙邊供電不需要增加額外措施，即可實(shí)現(xiàn)無均衡電流供電。我國部分線路具備形成樹形雙邊供電的線路條件，如神華巴準(zhǔn)線的四道柳牽引變電所和納林川牽引變電所，格庫線的東柴山、油砂山、茫崖鎮(zhèn)牽引變電所，神華朔黃線的小覺、回舍、靈壽牽引變電所等。

同單邊供電方式類似，當(dāng)負(fù)序超標(biāo)時(shí)，雙邊供電需要考慮負(fù)序的治理。對(duì)于平行雙邊供電，2個(gè)牽引變電所對(duì)應(yīng)于2個(gè)不同的公共連接點(diǎn)（Point of common coupling，PCC），負(fù)序治理參照單邊供電方式即可，即在每個(gè)牽引變電所采用有功型補(bǔ)償方案，該方案視為一種分布式補(bǔ)償。有功型補(bǔ)償方案最典型的就是采用組合式同相供電。組合式同相供電又分為單三相組合式和單相組合式2種，如圖3所示，先后被應(yīng)用于山西中南部通道的沙峪牽引變電所和溫州市域鐵路S1、S2線等。對(duì)于樹形雙邊供電，除采用上述分布式有功補(bǔ)償外，當(dāng)外部電源均來自于同一個(gè)變電站時(shí)，以該變電站的母線為PCC進(jìn)行負(fù)序考核，選擇其中的一個(gè)變電所進(jìn)行負(fù)序集中補(bǔ)償，其他變電所采用最簡(jiǎn)接線主變-單相主變即可，如此安排便于設(shè)備維護(hù)和管理。負(fù)序集中補(bǔ)償宜采用無功型補(bǔ)償方案，即由匹配變壓器和單相靜止無功發(fā)生器（Static var generator，SVG）組成的方案，匹配變壓器可采用YNd接線和Dd接線等，在匹配變壓器的次邊相應(yīng)端口設(shè)置SVG對(duì)負(fù)序進(jìn)行動(dòng)態(tài)治理，如圖4所示。

圖3 組合式同相供電方案示意圖

圖4 無功型補(bǔ)償方案示意圖

實(shí)行雙邊供電后，為了減小牽引網(wǎng)故障范圍，提高牽引網(wǎng)故障定位的精度，宜采用牽引網(wǎng)分段保護(hù)與狀態(tài)辨識(shí)技術(shù)，一個(gè)分段示意如圖5所示。圖中LH為電流互感器，YH為電壓互感器，通過采集相應(yīng)的電流和電壓信號(hào)，根據(jù)相應(yīng)的判據(jù)可以實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確、更小范圍內(nèi)的故障辨識(shí)及故障切除，提高供電的可靠性。

圖5 分段保護(hù)示意圖

3 供電安全性及優(yōu)勢(shì)分析

雙邊供電系統(tǒng)由輸電線、變壓器、開關(guān)（斷路器、隔離開關(guān)）、母線、電機(jī)、電抗器、電容器等元件組成。計(jì)N為供電系統(tǒng)的獨(dú)立元件數(shù)，“N-1原則”是判定電力系統(tǒng)安全性的一種準(zhǔn)則，又稱“單一故障安全準(zhǔn)則”。按照該準(zhǔn)則，供電系統(tǒng)的N個(gè)元件中的任一獨(dú)立元件發(fā)生故障而被切除后，應(yīng)不造成因其他線路過負(fù)荷跳閘而導(dǎo)致用戶停電，也不破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

樹形雙邊供電的兩路高壓進(jìn)線來自同一地區(qū)變電站的不同分段母線或兩個(gè)不同變電站，均屬于兩路獨(dú)立電源，滿足鐵路作為一級(jí)負(fù)荷的要求，安全性、可靠性可以得到有效保障。平行雙邊供電的兩路高壓進(jìn)線來自兩個(gè)不同變電站，也屬于兩路獨(dú)立電源，滿足鐵路作為一級(jí)負(fù)荷的要求，安全性、可靠性可以得到保障。

對(duì)于樹形雙邊供電而言，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多個(gè)牽引變電所間的雙邊供電，牽引變電所TS1、TS2、…、TSn構(gòu)成一個(gè)變電所群，該供電方案稱為牽引變電所群貫通供電方案[8]。牽引變電所群貫通供電方案如圖6所示，采用該方案可以進(jìn)一步取消線路中的電分相。但需注意的是，隨著同一群中變電所數(shù)量的增加，外部高壓輸電線的數(shù)量和長(zhǎng)度會(huì)增加，投資也會(huì)增加。從既有鐵路和變電所的供電范圍來看，通常1個(gè)變電所群不超過3座變電所為宜。

圖6 牽引變電所群貫通供電方案

以雙邊供電為特征的變電所群供電方案可以取得更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。以青藏鐵路格爾木至拉薩段（簡(jiǎn)稱格拉段）為例，該線路為國家Ⅰ級(jí)單線鐵路，線路全長(zhǎng)1 136.338 km，其中海拔4 000 m以上地段長(zhǎng)度約為960 km。格拉段的線路限坡和牽引負(fù)荷均較大，且沿線的自然條件較惡劣，線路中的無電區(qū)應(yīng)盡可能少。全線采用樹形變電所群雙邊供電方案后，與傳統(tǒng)供電方案相比，牽引變電所數(shù)量減少了20%（6座），且牽引負(fù)荷分布更加合理，列車再生能量能夠得到充分利用；分相數(shù)量由原來的57處減少為8處，可以有效解決坡度大、坡道長(zhǎng)、不宜設(shè)置分相的突出問題，減少供電設(shè)施的運(yùn)維工作量，提高供電可靠性。

4 結(jié)語

本文從系統(tǒng)方案、技術(shù)可行性、供電安全性等方面對(duì)雙邊供電技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了探討。根據(jù)外部電源的結(jié)構(gòu)，將電氣化鐵路雙邊供電分為樹形雙邊供電和平行雙邊供電，樹形雙邊供電可以實(shí)現(xiàn)無均衡電流供電。當(dāng)外部電源滿足時(shí)，雙邊供電優(yōu)于單邊供電，且技術(shù)先進(jìn)可行。以青藏鐵路格拉段為例，全線采用樹形變電所群雙邊供電方案后，有效解決了坡度大、坡道長(zhǎng)、不宜設(shè)置分相的突出問題，減少了供電設(shè)施的運(yùn)營維護(hù)工作量，提高了供電的可靠性。

收稿日期：2021-07-07