鐵道牽引供電系統(tǒng)綜述1

1、高速鐵路引供電系統(tǒng)綜述張臏僑 陳文卿 黃福萬 黃業(yè)帆 謝卓林（桂林電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院·廣西 桂林 541004）摘 要：探討我國高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)的原理。首先介紹我國高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展歷程。然后從供電方式、變壓器、牽引變電所以及保護裝置4個方面介紹我國高速鐵路牽引供電系統(tǒng)現(xiàn)狀，接著介紹國外高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的現(xiàn)狀并指出可借鑒之處，最后展望我國高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的未來發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：中國高鐵；牽引供電系統(tǒng)；發(fā)展歷程；現(xiàn)狀A(yù)bstract: The principle of traction power supply system of the railway.

2、At first introducing the traction power supply systems development path. And then making an introduction of traction power supply systems advantages and disadvantages from Power supply,transformer,Traction Substation and protective device. Then introducing the current situation of foreign high-speed

3、 railway traction power supply system and pointing out the advantages which we can learn from.The last having a outlook of high-speed railway traction power supply the future direction of the system.Key words: China Railway; traction power supply system; development path; status quo.1 引言近年來，我國的高速鐵路交

4、通建設(shè)發(fā)展迅猛，取得了一次又一次驕人的成績。隨著我國高速鐵路網(wǎng)的逐漸密集，鐵道交通相對低廉的價格，速度的提升以及鐵路硬件設(shè)施的逐漸完善和服務(wù)水平的逐漸提高，鐵路漸漸成為了我國人們出行的重要工具之一。鐵道交通快速發(fā)展，給我國人們的生產(chǎn)生活帶來了極大的便利，從而促進了地區(qū)之間的經(jīng)濟快速發(fā)展，文化的交流與傳播。同時，作為列車運行能量來源的牽引供電系統(tǒng)，成為了行業(yè)研究課題的熱點，并在同相供電、牽引變壓器的研究中取得豐碩成果?！?】本文將通過供電方式、變壓器、牽引變電所以及保護裝置4個方面介紹我國高速鐵路的詳細情況，然后通過與國外一些國家高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)做出對比并指出我國高速鐵路牽引系統(tǒng)的優(yōu)點與不

5、足，最后展望我國高速鐵路牽引系統(tǒng)的發(fā)展方向。2 牽引供電系統(tǒng)發(fā)展歷程牽引供電系統(tǒng)是電力機車的能源系統(tǒng)，主要由牽引變電所和牽引網(wǎng)組成。牽引變壓器作為變電所中的核心元件，其作用是將電力系統(tǒng)提供的電能轉(zhuǎn)換并送至牽引網(wǎng)。同時，牽引網(wǎng)電壓水平直接受牽引網(wǎng)供電方式影響。因此，本節(jié)主要從牽引變壓器、牽引網(wǎng)供電方式兩個方面依次介紹牽引供電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展歷程。【1】2.1 牽引變壓器牽引負荷為單相負荷且具有隨機波動的特點，所以對電力系統(tǒng)而言，牽引負荷是不對稱負荷，其產(chǎn)生的負序電流將影響電能質(zhì)量。另外，牽引變壓器容量也隨著鐵路運量與列車速度的增長而不斷增加。因此，牽引變壓器的技術(shù)發(fā)展過程是負序抑制效果逐步提高與變壓

6、器容量不斷增大的過程。鐵路運輸早期，運輸量小，速度慢，對于能量的要求不高，對于牽引變壓器的容量要求自然不高，用單相牽引變壓器即可滿足容量的要求。同時，單相牽引變壓器利用率高，造價低，對于工程建設(shè)投資低的優(yōu)點符合當(dāng)時的國民經(jīng)濟水平狀況。因此，單相牽引變壓器是早期鐵路供電系統(tǒng)中的常見變壓器類型。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，鐵路運輸量逐漸增大，對列車速度要求的逐漸提高，單相變壓器的容量慢慢難以滿足列車運行過程中的能量需求。為了滿足鐵路對大容量變壓器的需求，YNd11接線牽引變壓器得到廣泛采用。YNd11 接線牽引變壓器容量較大、結(jié)構(gòu)簡單、制造工藝成熟，且其次邊仍保持三相，不但能為接觸網(wǎng)供電，同時也能為變

7、電所提供三相電源1。文獻10分析了其運行特性。YNd11 接線變壓器雖滿足了對容量的需求，但它對負序電流卻沒有抑制效果，影響電網(wǎng)電能質(zhì)量11。為了改善 Ynd11 接線變壓器的負序問題，我國1985 年在京秦線上采用了 Scott 接線牽引變壓器，此后在大秦線、鄭武線等區(qū)段上也廣泛運用。Scott 接線變壓器具有較大的容量與優(yōu)良的負序抑制效果。眾多研究和實際運行結(jié)果表明，Scott 接線變壓器能很好地抑制負序電流。但 Scott 接線變壓器也具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大、占地面積大、工程建設(shè)成本高的缺點?！?】2.2 牽引網(wǎng)供電方式【1】牽引網(wǎng)供電方式技術(shù)發(fā)展過程是牽引網(wǎng)供電能力不斷增強與其對通信

8、影響不斷減小的技術(shù)發(fā)展過程。為此，我國電氣化鐵路牽引供電方式主要經(jīng)歷了3 種供電方式: 直接供電方式、吸流變壓器 回流線供電方式、帶回流線的直供方式和自耦變壓器供電方式。我國最初的電氣化鐵路廣泛采用直接供電方式（如圖 1所示），由接觸網(wǎng)和軌 地直接構(gòu)成回路。直接供電方式具有結(jié)構(gòu)簡單，投資少，維護方便的優(yōu)點，適合我國當(dāng)時鐵路運量小，線路少，列車運行速度低的基本情況。隨著鐵路運輸量日趨增大且逐漸向平原經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)和城市延伸，直供方式暴露了其對周圍通信線路電磁干擾大的缺點。隨著鐵路運量不斷增大和高速鐵路及重載鐵路的發(fā)展，同時具有一定負序抑制效果及較大容量的 V 型接線牽引變壓器在新建工程中得以應(yīng)用。

9、與 Scott 接線變壓器相比，V 型接線牽引變壓器具有更高的容量利用率、相對較低的制造成本、更少的占地面積及工程投資等優(yōu)點，因此，V 型接線牽引變壓器在我國電氣化鐵路廣泛應(yīng)用。圖1 直接供電方式簡圖Fig1 Direct feeding system diagram為了減少對通信的影響，國內(nèi)部分線路開始采用吸流變壓器 回流線供電方式，簡稱 BT 供電方式。（如圖2所示）BT 供電方式通過在牽引網(wǎng)上裝設(shè)變比為1 1 的吸流變壓器，使電流通過回流線流回牽引變電所，從而減少對周圍通信的影響。但采用 BT 供電方式，又會造成牽引網(wǎng)阻抗增大、供電距離縮短、工程造價高、易造成火花間隙等缺點，這些缺點限制

10、了 BT 供電方式在我國的廣泛應(yīng)用。圖2 BT 供電方式簡圖Fig2 Boost transformer feeding system diagram考慮到直接供電方式和 BT 供電方式的缺點，我國鐵路開始廣泛采用帶回流線的直供方式和自耦變壓器供電方式，簡稱 DN 供電方式和 AT 供電方式，它們不僅具有較強的供電能力和較小的牽引網(wǎng)阻抗，而且還能減輕對周圍通信的影響。并且AT 供電方式因為其供電能力強、供電距離大，牽引網(wǎng)壓損、能量損失小的特點，廣泛應(yīng)用于我國高速、重載鐵路及客運專線。同時，對 AT 供電方式的改進產(chǎn)生了全并聯(lián) AT 供電方式，電壓損失相對于普通的 AT 供電方式更小，具有更強的

11、供電能力。2.3 本章小結(jié)本章首先根據(jù)電力機車能源系統(tǒng)的主要組成成分為牽引變電所和牽引網(wǎng)絡(luò)，而牽引變壓器作為牽引變電所的核心元件，供電方式直接影響牽引網(wǎng)的供電電壓水平，因此本章主要以牽引變壓器和供電方式的逐漸完善的過程來闡述高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的歷史發(fā)展進程。變壓器作為電力系統(tǒng)的主要諧波來源及其接線問題產(chǎn)生的負序電流造成的負序作用極大地影響著電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。供電方式的不恰當(dāng)會對鐵路周圍的通信線路產(chǎn)生電磁干擾，而良好的供電方式不但會降低對周圍通信線路的電磁干擾，還具有抑制變壓器負序效果的能力。本章圍繞上述指標(biāo)來展開對牽引變壓器和供電方式的逐步完善的歷程。3 牽引供電系統(tǒng)簡介牽引供電系統(tǒng)主要由

12、牽引變電所和牽引網(wǎng)組成，其中牽引變電所關(guān)心的是牽引變壓器類型和牽引變電所接線方式的選擇，牽引網(wǎng)的電壓水平受供電方式影響。同時，牽引供電系統(tǒng)的可靠運行依賴于電氣保護配置。因此，本節(jié)分別從高速鐵路的供電方式、牽引變壓器、牽引變電所接線、保護配置這 4 個方面介紹牽引供電系統(tǒng)?！?】3.1 供電方式【2】全并AT供電系統(tǒng)（如圖3所示）廣泛應(yīng)用于高速鐵路中，全并聯(lián)AT網(wǎng)是在復(fù)線AT網(wǎng)的基礎(chǔ)上將上、下行線路在AT處通過橫連線進行并聯(lián)連接，上下行共用自耦變壓器。即在原有 AT供電方式中，將所有 AT 所處的上下行接觸網(wǎng)、正饋線和鋼軌并聯(lián)連接，并在變電所出口處，上下行線路采用同一饋線供電。圖3 全并聯(lián)AT供

13、電系統(tǒng)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of all parallel ATpowersupply system圖1為全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)的電流分布特性，沿線上的AT將經(jīng)過鋼軌的電流平均分為四部分到上下行正饋線和接觸網(wǎng)。正饋線和接觸網(wǎng)在電氣上具有較強的對稱性，因此上行線路和下行線路的電流分布也較為相似。全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)的電流分布可以進一步降低線路中的電流、電壓損失和通信線路的電磁干擾。其供電性能優(yōu)于單線AT供電系統(tǒng)和復(fù)線AT供電系統(tǒng)，提高了牽引網(wǎng)的傳輸線路長度，可以減少線路中的牽引變電所的數(shù)量。因此，全并聯(lián)AT供電方式廣泛應(yīng)用于中國高速鐵路。3.2 牽引變壓器【1】我國在

14、建和擬建的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)普遍采用大容量 V/x 接線牽引變壓器。V/x 接線牽引變壓器接線方式（如圖 4 所示），由 2 臺單相變壓器組合構(gòu)成，變壓器牽引側(cè)一端與接觸網(wǎng)相接，另一端與負饋線相接，中間抽頭與鋼軌相接。V/x接線牽引變壓器能夠提供一個接地中性點，結(jié)構(gòu)較簡單，投資較少，容量利用率高，且對負序電流的抑制效率與 V/v 接線相當(dāng)，適用于 AT 供電系統(tǒng)。圖4 V/x 接線牽引變壓器Fig . 4 V /x traction transformer3.3 牽引變電所【1】我國高速鐵路供電方式采用大容量 V/x 牽引變電所與 AT 供電方式14（如圖 5 所示）。正常運行時，電力系統(tǒng)兩

15、路220 kV 進線提供電能，互為熱備用。牽引變電所內(nèi)采用2 臺220/2 ×275 kV 牽引變壓器，互為備用。圖5 高速鐵路牽引變電所接線示意圖Fig.5 Wiring diagram of high speed railway tractionSubstation3.4 自動保護裝置【1】合理的繼電保護配置是鐵路牽引供電系統(tǒng)安全和穩(wěn)定運行的保證。高鐵的牽引變電所內(nèi)設(shè)置了相同類型的繼電保護，只是保護整定值由于牽引網(wǎng)阻抗、機車密度等因素不同而不同。保護的具體配置與電氣化鐵道所采用供電方式、電氣設(shè)備、工作環(huán)境相關(guān)，所以保護種類眾多，本節(jié)不一一羅列。牽引供電系統(tǒng)與配電網(wǎng)的主要區(qū)別在于其

16、單相供電性與負荷波動性，這主要反映在饋線與變壓器之上。因此，本節(jié)主要介紹電氣化保護中的饋線保護與變壓器保護。(1) 饋線保護鐵路牽引供電系統(tǒng)各個部分的饋線保護配置（如表1 所示）。表1 鐵路牽引供電系統(tǒng)饋線保護配置Table 1 Protection relay of railway traction power system牽引變電所饋線設(shè)置雙重主保護，即阻抗保護和低壓啟動過流保護; 設(shè)置電流增量保護為其近后備保護。同時，饋線的阻抗保護又是越區(qū)供電時分區(qū)所至相鄰變電所之間接觸網(wǎng)的遠后備保護。AT 分區(qū)所設(shè)置失壓保護的作用是在故障發(fā)生時解除接觸網(wǎng)饋線與 AT 分區(qū)所的電氣連接。但是當(dāng)相鄰變電所

17、故障時，即在越區(qū)供電下，須在分區(qū)所設(shè)置段阻抗保護、低壓啟動過流保護作為越區(qū)供電線路的主保護，電流增量保護為其后備保護。AT 所設(shè)置失壓保護的作用是在故障發(fā)生時解除接觸網(wǎng)饋線與 AT 所的電氣連接。(2) 變壓器保護牽引變壓器: 設(shè)置差動保護作為牽引變壓器的主保護，以應(yīng)對牽引變壓器內(nèi)部繞組相間短路和單相嚴(yán)重匝間短路等內(nèi)部故障。同時，在變壓器一、二次側(cè)設(shè)置低壓啟動過流保護作為變壓器的近后備保護，其中二次側(cè)的低壓啟動過電流保護是27 5 kV 母線的主保護，同時也是饋線保護的遠后備保護。牽引變壓器還設(shè)置了非電量保護，如瓦斯保護、溫度保護。此外，在一次側(cè)進線還設(shè)置失壓保護，以應(yīng)對電力系統(tǒng)向牽引變電所兩

18、路進線電源出現(xiàn)故障。自耦變壓器: 設(shè)置差動保護為自耦變壓器主保護，設(shè)置低壓啟動過流保護為后備保護。同時，自耦變壓器還設(shè)置了瓦斯保護、溫度保護等非電量保護。此外，自耦變壓器設(shè)置碰殼保護，以應(yīng)對變壓器高壓套管絕緣損壞以及引出線碰到變壓器外殼上所造成的單相接地故障。3.5本章小結(jié)本章通過供電方式、牽引變壓器、牽引變電所、自動保護裝置對我國鐵道牽引供電系統(tǒng)進行了較為詳細的闡述。從高速鐵路的發(fā)展歷程中積累經(jīng)驗，目前我國高鐵的主要供電方式為全并聯(lián)AT供電；牽引變壓器廣泛使用V/X接線變壓器；牽引變電所采用220KV兩路進線互為熱備用，兩臺牽引變壓器互為備用，可靠性高；牽引供電系統(tǒng)的自動保護裝載與配電網(wǎng)的不

19、同之處主要在饋線與變壓器的保護上是，故本章主要介紹了饋線與變壓器的保護配置。饋線采用雙重主保護變壓器主要采用差動保護。4 國外牽引供電系統(tǒng)4.1 德國【3,4】絕大多數(shù)國家的電氣化鐵路均取電于公用電網(wǎng)，電氣化鐵路用電都存在電能質(zhì)量問題而受到電力系統(tǒng)的限制。由于歷史的原因，德國高速鐵路采用15kV、16 2/3Hz供電，鐵路有自營的專用單相15kV、16 2/3Hz的發(fā)電廠，給牽引變電所供電，也有部分采用公共電力系統(tǒng)，經(jīng)電氣化鐵路的變頻站供給牽引網(wǎng)。漢諾威一維爾茨堡高速線由個既有線和個新建的牽引變電所供；電曼海姆一斯圖加特高速線由2個既有和3個新建牽引變電所供電。在新建和既有線的聯(lián)結(jié)處，設(shè)有分區(qū)

20、亭。為高速線供電的既有線牽引供電設(shè)備都根據(jù)負荷的增加和短路功率的提高進行了加強和現(xiàn)代化的改造。高速線上的新建牽引變電所和配電所都是統(tǒng)一規(guī)格的。每個牽引變電所都裝有2臺15MVA的變壓器，實行雙邊供電，變電所間距約為30km。德國牽引供電系統(tǒng)的模式雖然使用范圍有限，但在技術(shù)上不失為一種“理想牽引供電系統(tǒng)”，值得借鑒并加以發(fā)展，可作為我國的遠期規(guī)劃而加以研究。4.2 日本5,6日本年東海道新干線開通時，采用BT供電方式，變電所間隔20km左右，最大供電電流1000A。但BT供電方式存在很多問題，如在通過接觸網(wǎng)電分段時產(chǎn)生很大的電弧，極易燒壞滑板及接觸導(dǎo)線，加之牽引網(wǎng)單位阻抗很大，在大負荷情況下磨損

21、很大，牽引網(wǎng)電能損失很大。1972年山陽新干線正式采用日本鐵道研究所開發(fā)的AT供電方式，在這之后的其他新干線均采用AT供電方式，變電所間距約60km左右，最大供電電流20003000A。無功、負序、諧波的存在是從三相電力系統(tǒng)取電的電氣化鐵路單相交直系統(tǒng)所固有的三大技術(shù)問題。日本的研究和應(yīng)用較為全面，如可調(diào)無功補償及濾波，三相單相對稱變換系統(tǒng)。2002年還投運了基于現(xiàn)代電力電子技術(shù)的電壓波動補償裝置（Railway Static Power Conditioner，簡記RPC）。此外，在高速鐵路的運營和管理方面，日本新干線也走在了世界的前列，成功經(jīng)驗值得我國學(xué)習(xí)和借鑒。4.3 法國7法國TGV高

22、速鐵路在東南線第一次采用AT供電方式，運行速度為270km/h，而后大西洋高速線、北方高速線等高速鐵路均采用AT供電方式，運行速度均為300km/h。AT變電所間平均距離為90km左右，AT主變壓器二次側(cè)繞組中點引出并接地（鋼軌），這樣可不必在變電所饋線上安裝AT，簡化了變電所的接線。為了限制電鐵對電力系統(tǒng)的負序影響，法國采取了如下措施：（1）牽引變電所由225kV供電，以確保變電所與系統(tǒng)聯(lián)點有足夠的短路容量；（2）所有牽引變電所通過相序輪換接入電力系統(tǒng)；（3）在電力系統(tǒng)薄弱、大密度行車時，單相負荷對系統(tǒng)影響可能超標(biāo)的牽引變電所，變電所按可以單相與“V”接相互轉(zhuǎn)換設(shè)計；（4）電網(wǎng)短路容量不足的

23、地區(qū)，牽引變電所設(shè)置補償裝置。法國高鐵牽引供電系統(tǒng)的特點是設(shè)計簡化、投資費用較低，我國京津城際客運專線就借鑒了法國模式，實現(xiàn)了最高運行速度350km/h。4.4 西班牙8西班牙電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)設(shè)計中力求盡量簡單，牽引變電所的高壓輸電線路較短，除必要的預(yù)留外，變電所的結(jié)構(gòu)簡化，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)也采取輕量化，最終確定了帶回流線的直接供電方式，主變壓器采用單相接線，因為沿線有較密集的國家高壓電網(wǎng)，這就為直接供電方式提供了很好的外部電源條件。馬德里一塞維利亞高速鐵路采用了Re250型接觸網(wǎng)，通過車站和變電所附近的隔離開關(guān)實現(xiàn)并聯(lián)供電。由于上下行負荷隨坡度和加減速度頻度的不同而有很大差別，并聯(lián)運行不僅使

24、牽引網(wǎng)電能損耗和壓降達到最小，并能充分利用接觸網(wǎng)的熱容量。由于西班牙AVE型列車采用了交一直一交傳動方式，采用0.98的平均功率因數(shù)可得出28km的最大供電臂長度。由于牽引變壓器采用單相接線，必然會對電力系統(tǒng)造成一定的不平衡影響。西班牙規(guī)定電壓不平衡度長期不大于1.5%，短時不超過2%。4.5 韓國【9】韓國京釜高速鐵路全長412km，設(shè)計最高速度為350公里/小時，運營的最高速度為300公里/小時。牽引供電系統(tǒng)采用AT供電方式，設(shè)有牽引變電所、自藕所、開閉所和分區(qū)所，各所均與電力配電所合建，不設(shè)獨立的所用變壓器。全線共設(shè)有9個牽引變電所，牽引變電所、分區(qū)所、AT所均設(shè)AT，AT變間距810k

25、m。變電所實行牽引供電與電力供電合建形式，設(shè)三繞組變壓器，變壓器安裝容量為2x(120+4)MVA，近期單臺運行，100%備用，在相鄰所故障解列情況下，可實現(xiàn)兩臺主變壓器的并聯(lián)運行。牽引變電所預(yù)留位置，遠期可增設(shè)第三臺主變壓器。牽引變電所采用154KV兩路電源進線，牽引變壓器容量為120MVA，Scott。接線，高壓進線及饋線側(cè)154kV和55kV開關(guān)設(shè)備均采用室外高壓組合電器(GIS)設(shè)備，采用無人值班方式。4.6 本章小結(jié)本章介紹了國外一些發(fā)達國家的牽引供電方式，并總結(jié)了一些值得我國借鑒之處。德國高速線牽引變電所與配電所規(guī)格一致，兩臺變壓器雙邊供電，值得作為我國遠期規(guī)劃的研究方向；日本采用

26、的AT供電方式具有一定的局限性，但其對于高速鐵路的運營管理方式值得學(xué)習(xí)；法國采用高電壓供電并通過變電所相序輪換接入系統(tǒng)等方式來抑制負序影響，設(shè)計簡單，投資低；西班牙牽引供電系統(tǒng)較為簡答，密集的國家電網(wǎng)線為其直接供電方式帶來方便；韓國牽引變電所采用無人值班模式是未來我國研究的重要方向。5 總結(jié)與展望5.1 總結(jié)鐵路運輸量與列車運行速度的不斷上升，線路建設(shè)逐步延生至中小城市，對鐵路牽引供電系統(tǒng)也提出更高要求。【1】如何讓鐵路牽引供電系統(tǒng)達到一個更高的要求已經(jīng)成為了研究的熱點問題。研究的方向涉及很多方面，比如：耐磨性能更強，導(dǎo)電能力更好的接觸線和受電弓材料，減少受電弓的頻繁的更換；變電所接線更為簡單

27、，使用變壓器臺數(shù)更少，電分段、電分相更少的供電方式；同相供電系統(tǒng)中的無緣對稱補償技術(shù)和基于有源濾波器的平衡變換技術(shù)。4.2 展望目前，全球許多國家都在研究開發(fā)無線電力傳輸技術(shù)，探索無線電力傳輸系統(tǒng)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，致力于將其實用化?！?2】無線電力傳輸技術(shù)作為新興的科技產(chǎn)物，慢慢地融入了人類生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。在鐵道牽引供電系統(tǒng)中，無線電力傳輸技術(shù)具有很有的潛力。其物理結(jié)構(gòu)的非接觸性可以讓高鐵牽引供電系統(tǒng)的很多問題迎刃而解，如：接觸線與受電弓的接觸問題，由摩擦帶來的損耗問題，受電弓經(jīng)常更換的成本問題等等。因此，無線電力傳輸技術(shù)是很有前景的新技術(shù)，將會給高速鐵路牽引供電技術(shù)帶來一次全新的開始。參考文獻：1 何洋陽.軌道交通牽引供電系統(tǒng)綜述A2016年2月第13卷第二期.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報.2 錢清泉.中國高速鐵路牽引供電關(guān)鍵技術(shù)A2015年第17卷第4期.中國工程科學(xué).3 Yo