電氣化鐵路雙邊供電系統(tǒng)性能分析

摘要受到中國的供電體制以及運(yùn)行管理機(jī)制的影響，中國的交流電氣化鐵路使用單邊輸電的工作形式。伴隨電力系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展，供電網(wǎng)絡(luò)的輸送電壓同之前比較，有了提高，如今已達(dá)到220KV，對(duì)于電網(wǎng)構(gòu)建更加完善的地區(qū)，甚至達(dá)到了500KV。為了提高電能質(zhì)量，可以在牽引變電所增加同相補(bǔ)償裝置，同時(shí)為了能夠使左右兩供電臂電壓相位相同，可以采用原邊側(cè)取消換相連接，和將設(shè)置在變電所出口處的電分相去除的辦法。持續(xù)改善和優(yōu)化供電網(wǎng)絡(luò)以及牽引電網(wǎng)將有助于實(shí)現(xiàn)交流電驅(qū)動(dòng)鐵路雙邊輸電。電驅(qū)動(dòng)鐵路實(shí)現(xiàn)雙邊輸電，會(huì)把分區(qū)所的電分相消除，有利于提升鐵路的運(yùn)載性能以及和運(yùn)行速度?？墒牵嬲龑?shí)現(xiàn)雙邊輸電后，其形成的均衡電流相對(duì)較大，可能會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響，不被電力系統(tǒng)所接受。因此，尋找能夠解決均衡電流的途徑，對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)以及牽引供電系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)載意義重大。文章重點(diǎn)介紹了電氣化鐵路牽引供電網(wǎng)絡(luò)的供電形式，和對(duì)雙邊供電網(wǎng)絡(luò)的研究，得出供電網(wǎng)絡(luò)等值阻抗同牽引供電網(wǎng)絡(luò)等值阻抗的比值會(huì)對(duì)均衡電流產(chǎn)生影響，然后就是描述了均衡電流的改善方法。關(guān)鍵詞雙邊供電；均衡電流；電氣化鐵路第1章緒論1.1電氣化軌道起源與發(fā)展自從英國物理學(xué)家法拉第于十九世紀(jì)發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的物理現(xiàn)象以后，在人們的生產(chǎn)生活中對(duì)此種現(xiàn)象的使用就逐步開始了。1825年，蒸汽機(jī)車誕生于英國，從此開辟了一條全新的運(yùn)輸方式。自1834年起，電力牽引開始實(shí)用化，當(dāng)時(shí)美國科學(xué)及ThomasDavenport通過電磁感應(yīng)現(xiàn)象發(fā)明了電動(dòng)機(jī)，并帶動(dòng)車輛在鐵路上行駛。1842年英國的RobertDavidson在愛丁堡到格拉斯哥的鐵路上通過玻璃槽式蓄電池作為電源，制造了1輛重約5噸的電動(dòng)機(jī)車，利用整流子式電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)車輛前行。美國的Hoare在1850年逐步使用陸地上的電源作為牽引動(dòng)力，帶動(dòng)車輛行駛?？墒且陨系姆椒?，不論是在機(jī)車上的還是在陸地上的,通常都是使用電池作為能源。1861年德國的WernervonSiemens通過電磁感應(yīng)現(xiàn)象發(fā)明了發(fā)電機(jī)。1866年他又成功研制了第一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，進(jìn)而開辟了無需以電池為能源的全新的供電方式。后來由經(jīng)過長達(dá)半個(gè)世紀(jì)的不懈努力經(jīng)，最終的投入實(shí)踐使用的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。俄國工程師Φ.A.皮洛斯基于1876年在彼得堡首次采用鋼軌作為“接觸網(wǎng)”給“電力機(jī)車”供電，這是最早的“接觸軌”，因絕緣需要，“列車”采用木制車輪；1879年VonSiemens設(shè)計(jì)并制造出了世界上第一套具有現(xiàn)代電氣化軌道交通雛形的“電氣化軌道交通系統(tǒng)”并于當(dāng)年5月31日在德國柏林世界貿(mào)易會(huì)上運(yùn)行展出。此系統(tǒng)包括“300m橢圓形軌道(軌距1m)一條、一根直流150V供電軌(位于行車軌道之間)、一輛由2.2千瓦直流驅(qū)動(dòng)的‘電力機(jī)車’以及四節(jié)車廂”，其中，單節(jié)車廂能夠裝載六個(gè)人，最大行駛速度為14Km/h。在為期4個(gè)月的展示期間，共運(yùn)送旅客八萬多人次。此電氣化軌道如今看來比游樂場的玩具還要小，可是它卻是全球高速電氣化軌道運(yùn)送的先行者。1881年，在法國巴黎舉行的全球電工博覽會(huì)上，通過兩條架空輸電線進(jìn)行供電的“架空式接觸網(wǎng)”首次在出現(xiàn)在公眾面前；美國科學(xué)家C.J.范德波爾在1884年的多倫多農(nóng)業(yè)博覽會(huì)上通過1根帶輪的集電桿以及一條架空接觸線為機(jī)車供電利用鐵質(zhì)軌道做回路；1889年德國首次出現(xiàn)了弓狀集電器；1893年英國首次利用電氣牽引改造倫敦地鐵，徹底消除了因蒸汽機(jī)車牽引造成的環(huán)境污染;1893～1895年，歐洲、美洲、亞洲都逐漸修建了十公里左右的直流電氣化軌道運(yùn)輸線路；十九世紀(jì)末至二十世紀(jì)初，歐洲率先開辟了首條三相交流電氣化軌道運(yùn)輸線路；1903年末，德國AEG公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的三相電動(dòng)車創(chuàng)下了210km/h的試驗(yàn)速度，因需由三根接觸導(dǎo)線(各為相)向電動(dòng)車供電，接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，且列車無法通過道岔，因此，三相交流電氣化鐵路沒有得到發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。早期的電力牽引均采用直流，一方面是受制于當(dāng)時(shí)的電力技術(shù)，另一方面是串聯(lián)整流子電機(jī)具有良好的扭矩——速度雙曲線特性。直流牽引存在電壓低、牽引電流大、傳輸距離短等不足因此，從20世紀(jì)初起，人們一直致力于將串聯(lián)電機(jī)在牽引方面的優(yōu)點(diǎn)和交流電的可變壓特性結(jié)合起來，進(jìn)行三相公共電網(wǎng)向電氣化軌道交通系統(tǒng)供電的研究，但受制于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，有三個(gè)問題難以解決:（1）50Hz單相串聯(lián)電機(jī)的整流子因輸入端繞組產(chǎn)生與頻率存在正比關(guān)系的電壓而磨損嚴(yán)重。（2）距離接觸網(wǎng)較近的電纜線路中形成很強(qiáng)的，和頻率存在正比關(guān)系的感應(yīng)干擾。（3）在三相電網(wǎng)里形成明顯的異常的電壓不平衡值。為此，德國采用了為電氣化鐵路建造單相獨(dú)立電網(wǎng)，并將電網(wǎng)頻率降低至工頻的三分之一的單相AC15KV、16.7Hz供電制式。1912～1913年德國在實(shí)際工程中首次采用了這種供電制式并沿用至今；1953年法國成功開發(fā)出工化鐵路從三相公共電網(wǎng)獲得牽引電能的夢(mèng)想得以實(shí)現(xiàn)；1964年干線實(shí)現(xiàn)了210km/h的高速運(yùn)營。電力驅(qū)動(dòng)具有潔凈、衛(wèi)生、能源效率高、驅(qū)動(dòng)功率大、易于實(shí)施自動(dòng)控制等許多優(yōu)勢，其自出現(xiàn)之后便在世界各國得到迅速發(fā)展，并隨著電力技術(shù)和電子技術(shù)的每一次進(jìn)步產(chǎn)生新的飛躍。我國首條電氣化鐵路運(yùn)輸線路是1899年由Sinmens在北京建造的永定門至馬家保站有軌電車。而后，全國的各大城市包括香港、天津、上海、大連、北京、沈陽長春等紛紛開始修建當(dāng)時(shí)比較先進(jìn)的有軌電車。伴隨汽車行業(yè)的高速發(fā)展以及城市的規(guī)劃建設(shè)，有軌電車運(yùn)輸方式已經(jīng)逐步被其他形式的運(yùn)輸工具所取代。當(dāng)汽車的環(huán)境、能源、噪聲、擁堵問題突顯之后，各地方政府改變了過度依賴汽車交通的交通策略，回過頭來又大力發(fā)展城市軌道交通，至2012年底，我國城市軌道的修建里程已高達(dá)三千公里以上。我國首條干線電氣化軌道是寶成(寶雞成都)鐵路，全長686km，1975年全線貫通。其中，在1961年寶雞鳳州段(93km)先期建成通車。我國高鐵項(xiàng)目正式起步于1995年。1998年我國首條高速電驅(qū)動(dòng)鐵路—廣深鐵路正式建成通車；2003年我國自己設(shè)計(jì)和修建的秦沈快速鐵路達(dá)到了200km/h以上的速度；2008年京津城際鐵路正式運(yùn)營；2009年至2012年間，能夠代表中國高鐵的高水平的武廣線、鄭西線、京滬線以及京廣線陸續(xù)建成并投入使用，最高運(yùn)營速度350Km/h[1]。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀當(dāng)前中國，列車驅(qū)動(dòng)的主要供電包括直接供電、吸流變壓器供電、自耦變壓器供電以及電同軸電纜供電等形式。就目前來說，中國業(yè)已全方位實(shí)現(xiàn)了速度達(dá)350-380km/h電驅(qū)動(dòng)鐵路的設(shè)計(jì)、建設(shè)、檢測以及維修的自主化；實(shí)現(xiàn)了高鐵供電網(wǎng)零件、高強(qiáng)度電網(wǎng)輸電線，氣體絕緣金屬封閉開關(guān)、自動(dòng)過分相等高速鐵路重點(diǎn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的自給自足，建成完全具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的我國高鐵牽引供電系統(tǒng)，并已處于全球高速鐵路的技術(shù)尖端。全球首條寒冷區(qū)域高鐵-哈大高鐵的建成和投入使用，標(biāo)志著我國高鐵世界領(lǐng)先的技術(shù)水平。電驅(qū)動(dòng)鐵路功率高、節(jié)能環(huán)保、可以大大提升鐵路的運(yùn)能和效率，其技術(shù)方面、成本方面都具有顯著的優(yōu)勢，在全球更是優(yōu)先發(fā)展的鐵路運(yùn)輸模式。按照我國交通運(yùn)輸“十一五”發(fā)展計(jì)劃，“十二五”后期，我國高鐵的運(yùn)營里程將突破十二萬公里，電氣化驅(qū)動(dòng)機(jī)車占比60%以上。發(fā)展趨勢相對(duì)全球來說,中國電氣化鐵路前因電力包含多樣的牽引變壓器接線方式以及AT供電形式，還要考慮中國高鐵的實(shí)際情況，研發(fā)最合理的、具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全新形式。當(dāng)前中國高鐵的牽引變電所一般使用三相形式接入供電系統(tǒng)，平衡接線可以降低補(bǔ)償消耗。這也有利于同單相變電所進(jìn)行匹配,構(gòu)成同相配電系統(tǒng)而盡量規(guī)避電分相，對(duì)現(xiàn)有線路改造也十分有利。雙邊供電最早在前蘇聯(lián)時(shí)期已經(jīng)投入使用，并進(jìn)行了比較深入的研究，來分析雙邊供電是否可行。后來，研究人員發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)起來有很大的困難。但是，牽引電力系統(tǒng)在電網(wǎng)使用雙邊供電形式以后，其性能得到了優(yōu)化和完善。而且，電網(wǎng)的工作能力也得到大幅度提升。鐵路運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)載能力也得到加強(qiáng)。他們所進(jìn)行的研究與實(shí)踐證明了相對(duì)于單邊供電，雙邊供電能夠提高牽引供電系統(tǒng)的多種工作性能，這些都為我國實(shí)施雙邊供電，以及提升電能質(zhì)量提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。實(shí)施雙邊供電必須保證兩點(diǎn):（1）為了保證有相同的頻率，相鄰的兩牽引變電所電源源于同一電力系統(tǒng)。（2）為了不造成異相短路，分區(qū)所兩側(cè)的電壓要同相。隨著電力系統(tǒng)和電氣化鐵路的發(fā)展，必定會(huì)改善電氣化鐵路的供電情況，都將有利于實(shí)施雙邊供電。1.3研究背景及其意義鐵路運(yùn)算作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的保障，鐵路的輸送能力與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的前進(jìn)密不可分。按照《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2008年調(diào)整)》的規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2020年中國高鐵總里程將突破十二萬公里。電力驅(qū)動(dòng)鐵路運(yùn)輸形式具有高運(yùn)載能力，低能耗，低污染等顯著優(yōu)點(diǎn)，是未來鐵路運(yùn)輸?shù)闹攸c(diǎn)研究和發(fā)展方向。所以針對(duì)電氣化鐵路開展研究具有重要意義[2]。眾所周知，我國作為發(fā)展中國家的一員，幅員遼闊、人口基數(shù)大、內(nèi)陸廣深等都是我國的特點(diǎn)。因此我國的交通運(yùn)輸壓力大，而鐵路運(yùn)營恰好具有運(yùn)輸量大、方便快捷、安全可靠的優(yōu)勢，可以有效緩解運(yùn)輸壓力，適合中國國情的需求[3]。電力驅(qū)動(dòng)鐵路使用單邊供電形式[4]，在牽引變電站出口處（使用單相變壓器除外）與附近牽引變電站之間均要加設(shè)電分相節(jié)點(diǎn)[5]。供電網(wǎng)絡(luò)的供電瓶頸，同時(shí)還是最脆弱的地方就是電分相，機(jī)車在經(jīng)過電分相時(shí)極易出現(xiàn)問題，影響了機(jī)車供電和行車安全。在牽引供電網(wǎng)絡(luò)中，為了降低單相牽引負(fù)荷在供電網(wǎng)絡(luò)中造成的總負(fù)序電流，降低對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)負(fù)序的影響，牽引變電站一般使用換相連接的方式，讓變壓器接入端連接電網(wǎng)的不同相。利用換相連接的方式，分區(qū)站兩端供電臂通常為同相電壓。所以，分區(qū)站處能夠?qū)嵤﹥蓚?cè)貫通供電，從列車受流的方式看，等同于實(shí)施了電驅(qū)動(dòng)鐵路運(yùn)算的雙邊供電網(wǎng)絡(luò)。機(jī)車經(jīng)過電分相時(shí)，都會(huì)不受電，從而影響行駛速度。不管是同相供電性能還是動(dòng)車組非斷電過分相性能，均是在原來的牽引供電體制中加設(shè)了特殊的技術(shù)設(shè)施，如此做不但成本較高,而且還使供電系統(tǒng)的設(shè)備和工序增多,造成電網(wǎng)的平穩(wěn)性和可靠性降低。相較于這些做法，雙邊供電基本上無需另外加設(shè)特殊的設(shè)備以及加大投資，僅減低了分區(qū)所處的電分相，不但對(duì)于高速行駛有好處，還提升了供電性能和供電平穩(wěn)性和安全性[6]。并且，電驅(qū)動(dòng)軌道交通雙邊供電還是提升軌道交通運(yùn)輸性能和提升供電穩(wěn)定性的有效途徑。如若電驅(qū)動(dòng)鐵路使用雙邊供電模式，則能夠加大供電網(wǎng)的供電電壓，降低在輸電及供電過程中電流，也就降低了損耗，這樣就可以加大變電站之間距離。[7]。所以能夠降低原線優(yōu)化和新線投建的成本，經(jīng)濟(jì)性顯而易見?？傊?，電驅(qū)動(dòng)軌道交通雙邊供電形式擁有不可比擬的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性。因此，對(duì)于此種供電方式展開研究是很有意義的。第2章電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的構(gòu)成當(dāng)代鐵路的牽引電力都使用公共電網(wǎng)進(jìn)行供電，實(shí)際上是使用通過轉(zhuǎn)換的單相電。在中國工礦電力牽引以及運(yùn)輸機(jī)車和軌道交通的牽引電力均采用直流電網(wǎng)形式，使用的電壓在450V-3000V之間；而高鐵更多使用頻率為50Hz，額定電壓27.5kV以及2x27.5kV的單相交流電。2.1電氣化鐵路牽引供電原理電驅(qū)動(dòng)鐵路的供電是把由功用電網(wǎng)輸送來的三相高壓電轉(zhuǎn)化成可以為電力機(jī)車供電的單相交流電。牽引變電站從功用網(wǎng)絡(luò)接入220KV或則110KV三相交流電并變換成為電氣機(jī)車供電的單相交流27.5KV電源并連接到牽引網(wǎng)絡(luò)[8]。電驅(qū)動(dòng)高速鐵路通常使用單相牽引變壓器，從網(wǎng)絡(luò)雙相接電，對(duì)于三相對(duì)稱的電網(wǎng)來講，電驅(qū)動(dòng)鐵路牽引負(fù)載擁有非線性,非對(duì)稱以及波動(dòng)較大的特性，會(huì)造成負(fù)序電流以及諧波電流影響供電網(wǎng)絡(luò)[9]。2.2外部電源的供電方式2.2.1環(huán)形（雙側(cè)）單回路供電方式此種供電模式非常經(jīng)濟(jì)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)牽引變電站在一次端與供電網(wǎng)絡(luò)能夠構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)，致使供電十分可靠，且牽引變電所的供電不會(huì)受到任一電線或電源故障的影響。2.2.2環(huán)形（雙側(cè)）雙回路供電方式供電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中不同區(qū)域的兩個(gè)變電站是此種供電模式的電源來源，而連接兩個(gè)變電站的媒介的是為軌道供電的輸電電纜。為確保運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可使用雙路輸電網(wǎng)絡(luò)，每路輸電線的容量理論上不低于有關(guān)牽引變電站容量總和。圖2-1環(huán)形（雙側(cè)）雙回路供電方式2.2.3單電源(單側(cè))雙回路供電方式許多牽引變電站電源都出自一個(gè)區(qū)域變電站，這就是單電源（單側(cè)）雙回路輸電。而且使用雙回輸電線以及雙回路供電的模式，可以使供電系統(tǒng)的更加可靠。當(dāng)給鐵路供電的輸電線路不負(fù)擔(dān)其他用戶時(shí)，常稱這種供電網(wǎng)為鐵路專用線。當(dāng)鐵路專用線較長時(shí)，為縮小一次側(cè)輸電線的故障范圍，可在適當(dāng)位置選擇一個(gè)牽引變電所，在此對(duì)輸電線進(jìn)行分段，此時(shí)此處稱為支柱牽引變電所。圖2-2單電源(單側(cè))雙回路供電方式2.2.4放射供電如果多個(gè)牽引變電站與電源的距離都很小，而且比單邊輸電更加經(jīng)濟(jì)時(shí)，可以使用放射供電形式。圖2-3放射供電2.3牽引網(wǎng)的供電方式（按分區(qū)所運(yùn)行狀態(tài)的分類）2.3.1單邊供電單邊供電是從一個(gè)地方變電站向一個(gè)到兩個(gè)牽引變電站輸電，為確保供電平穩(wěn)可靠，應(yīng)使用雙回路供電形式。單邊供電的平穩(wěn)性通常要比雙邊供電和環(huán)形供電低，可建設(shè)的投入不比環(huán)形供電以及雙邊單回供電低。圖2-4單邊供電各變電站彼此獨(dú)立，供電網(wǎng)供電分區(qū)由牽引變電站從單邊實(shí)施供電。各個(gè)接觸網(wǎng)供電分區(qū)一般叫做一個(gè)供電臂,臨近兩個(gè)牽引變電站間的供電臂彼此絕緣，列車僅從有關(guān)的個(gè)別牽引變電站獲取電能。針對(duì)2個(gè)異相牽牽引口的牽引變電站，一般在牽引變電站出口端兩饋線連接的接觸網(wǎng)上和分區(qū)的接觸網(wǎng)上設(shè)分相絕緣器（S1采用六跨分相錨段關(guān)節(jié))。當(dāng)某一牽引變電站由于各種原因發(fā)生斷電事故時(shí)，可以把兩側(cè)分區(qū)亭的開關(guān)關(guān)閉開始越區(qū)供電。有良好的供電質(zhì)量(電壓，電能損耗低)，供電(接觸網(wǎng)導(dǎo)線，變壓器)負(fù)載均衡，動(dòng)作保護(hù)比較全面，而且穿越電流流經(jīng)接觸網(wǎng)，當(dāng)前單線大多使用此種供電模式。圖2-5單線區(qū)段的單邊供電2.3.2雙邊供電特性：電能輸自兩個(gè)地區(qū)變電站，給軌道供電的電網(wǎng)是連接兩個(gè)地區(qū)變電所站回路。能夠分成單網(wǎng)絡(luò)供電和雙網(wǎng)絡(luò)供電。單網(wǎng)絡(luò)供電較雙網(wǎng)絡(luò)供電成本低，可是雙網(wǎng)絡(luò)供電較單網(wǎng)絡(luò)供電更加平穩(wěn)可靠。圖2-6雙邊雙回路供電圖2-7雙邊單回路供電2.4牽引網(wǎng)的供電方式（按牽引網(wǎng)設(shè)備類型的分類）2.4.1直接供電方式這是一種比較簡便的供電形式，它具體包含2種方式，第一種為基本形式，見圖2-8內(nèi)容，其供電網(wǎng)構(gòu)造簡潔，只有供電線C和軌道T構(gòu)成，成本最低，可是軌道電位很高，對(duì)通訊線路的影響比較大，一般使用在通迅線路(特別是明線)很少或者比較容易把受影響的通迅線路遷移的區(qū)域。這種類型的供電方式在歐洲很多國家都得到了普遍使用。圖2-8直接供電方式(基本型)基本供電形式的優(yōu)化方案是在軌道上并接架空線路R，他們連接點(diǎn)通常距離5公里左右，見圖2-9內(nèi)容。這種方式可以讓軌道電位大大減少，由于線路屏蔽的功用，致使通訊線路的影響得以降低，可以下降感應(yīng)干擾約40%，而且還可以減少供電網(wǎng)絡(luò)阻抗，能夠延長供電線路40%左右。分析和實(shí)踐得出，此種供電形式是比較有使用前景的。圖2-9直接供電方式（帶回流線）2.4.2BT供電方式此種供電形式還分成有回流線方式以及無回流線方式兩種，各見如圖1.16和圖1.17內(nèi)容。第一種叫做BT-回流線形式，第二種叫做BT—軌道形式，其中BT均是連接到接觸網(wǎng)的，間距為1到4公里之間,用來回收大地中電流，以降低線路干擾。BT形式使?fàn)恳W(wǎng)構(gòu)造的復(fù)雜性更大，其成本也就更高，供電網(wǎng)絡(luò)的阻抗也同時(shí)變大了，供電臂延伸度受到了限制，約為直接供電(基本形式)方式的70%左右。此外，由于BT分段(火花間隙G)，因此對(duì)于高時(shí)速、大載量運(yùn)行等需要較大電流運(yùn)行的方式十分不利，可是BT形式的軌道電位小，對(duì)通信線路的影響較小，這當(dāng)中BT—回流線形式較BT軌道形式成效更好。在中國普遍使用的BT形式都是BT—回流線形式，日本東海道新干線也采用此種供電模式，在歐洲與都得以使用。圖2-10BT供電方式（BT—回流線方式）2.4.3AT供電方式自耦變壓器供電模式見圖2-10內(nèi)容，此處的回流線是反饋線F。AT并接在供電網(wǎng)絡(luò)中，不但解決了BT串聯(lián)網(wǎng)中產(chǎn)生BT分段的問題，而且讓供電電壓得以大大提升，供電網(wǎng)絡(luò)阻抗降低，供電延長收效明顯，約為直接供電模式的兩倍，電網(wǎng)電壓損耗和電流損耗都特別低，所以AT供電模式是一種適合高時(shí)速、大載量等需要電流較大的運(yùn)輸方式的牽引供電模式。通常AT間距約十公里，AT供電模式的軌道電位很小，對(duì)通信線路的影響與BT-回流線基本一樣，可是其成本相對(duì)較高。AT供電模式早期是用在在日本山陽新干線上，而后中美以及歐洲各國開始相繼使用。圖2-11AT供電方式2.4.4CC供電方式同軸電纜供電模式是一種全新的供電形式。其系統(tǒng)中的同軸電纜(CC)沿軌道線路敷設(shè)，該電纜內(nèi)芯作為供電線和接觸網(wǎng)相連，外在導(dǎo)體為回流線與軌道連接，間隔5至10公里做一個(gè)分區(qū)，見圖2-12內(nèi)容。CC供電模式的優(yōu)勢在于：饋電線同回流線在相同的電纜中，距離近，且同軸設(shè)置，致使互感系數(shù)提高；同軸電纜的阻抗低于接觸網(wǎng)以及軌道的阻抗,所以牽引電流和回流基本全都從同軸電纜中通過；電纜內(nèi)芯與外部導(dǎo)體的電流大小一致，方向相反，二者產(chǎn)生的電磁效應(yīng)可以互相抵消，對(duì)附近的通信設(shè)施基本上沒有影響，吸流性能以及抗通信干擾的性能都要好于BT和AT供電模式。CC供電網(wǎng)阻抗和輸電間距同AT模式相仿，軌道電位很低，接觸網(wǎng)構(gòu)造簡便，對(duì)凈空需求不高，適用于大載量、高時(shí)速等電流需求大的運(yùn)輸方式?？墒怯捎谕S電纜的成本較高，根本上制約了這種方式的普及，通常僅在重點(diǎn)城市、橋梁隧道、凈空度很低等較為特殊的區(qū)域使用。目前日本業(yè)已部分普及使用，中國也開展過有關(guān)的分析和研究。[8]圖2-12CC供電方式第3章雙邊供電系統(tǒng)模型建立雙邊供電把分段所兩端供電臂連接，等效于供電網(wǎng)絡(luò)的“低電壓電磁環(huán)路”，不同的地方是牽引供電網(wǎng)絡(luò)為單相供電，而低壓電網(wǎng)的閉環(huán)運(yùn)行是三相供電，也就是倘若牽引系統(tǒng)連接在電網(wǎng)的A相，如此就只能是A相電流方能在牽引系統(tǒng)中運(yùn)行，構(gòu)成均衡電流。進(jìn)行雙邊供電,供電網(wǎng)絡(luò)同牽引供電網(wǎng)均會(huì)產(chǎn)生影響，以往的雙邊供電體系見圖3-1內(nèi)容。雙邊供電與單邊供電比較來說，其供電電壓質(zhì)量較好、電能損耗較小、供電功率較大，可是由于其均衡電流很高，供電網(wǎng)絡(luò)禁止?fàn)恳╇娤到y(tǒng)閉環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。圖3-1雙邊供電系統(tǒng)雙邊供電形式的模型見圖3-1內(nèi)容。雙邊供電與單邊供電比較來說,其供電電壓質(zhì)量較好、電能損耗較小、供電功率較大，可是由于其均衡電流很高，供電網(wǎng)絡(luò)禁止?fàn)恳╇娤到y(tǒng)閉環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。3.1雙邊供電系統(tǒng)模型的構(gòu)成3.1.1外部供電方式外部供電形式所指為供電網(wǎng)絡(luò)與牽引變電站間的連接形式，其決定于牽引負(fù)載用電情況以及供電網(wǎng)絡(luò)的情況?！禩B10009-2005鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確指出“電力牽引為一級(jí)負(fù)荷時(shí)，牽引變電站必須實(shí)施雙路電源供電；如果一路出現(xiàn)問題，另一路必須可以保障持續(xù)供電”。規(guī)定中的兩路電源允許來源于不同的區(qū)域變電站也可以是同一變電站的兩條母線或母線分段。外部供電形式的供電要求包括供電平穩(wěn)可靠、電源容量足夠和良好的經(jīng)濟(jì)性。其主要形式包含：單側(cè)供電型、雙側(cè)供電型、環(huán)閉供電型和放射供電型[14]。倘若臨近的兩個(gè)牽引變電站是由相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)區(qū)域變電站提供電能，則必須連在相同的三相輸電線上，不然極易引起均衡電流過大，以至于行駛安全受到威脅。如果牽引變電站處于供電網(wǎng)絡(luò)末端，均衡電流將降低[23]。因此文章所采用的雙邊供電網(wǎng)絡(luò)模式使用貫通供電線路提供電能，牽引變電站與電力系統(tǒng)末端負(fù)荷相連來確保均衡電流最低，牽引線路的外部供電形式使用多種供電形式的簡化模型，也就是單回路T接形式。3.1.2牽引變電所同相供電技術(shù)牽引變電所采用換相連接和特定形式的牽引變壓器在--定程度上削弱了負(fù)序的影響，可是因?yàn)榻虝r(shí)期高速鐵路的快速發(fā)展，鐵路上行駛的列車成倍增長，大負(fù)荷的負(fù)序電流涌入供電網(wǎng)絡(luò)勢必會(huì)造成三相電壓嚴(yán)重失衡、導(dǎo)致供電網(wǎng)絡(luò)中二次用電設(shè)備無法正常運(yùn)行，也會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)中一次設(shè)備受到影響。所以,負(fù)序的存在制約了中國高鐵在運(yùn)輸能力上的發(fā)展，當(dāng)電力系統(tǒng)短路容量較小時(shí)，會(huì)因?yàn)槿嚯妷翰黄胶舛炔粷M足國家標(biāo)準(zhǔn)要求而不被允許。同相供電網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)變電站都使用單相供電方式，原邊相位不發(fā)生輪換，牽引變電都和分區(qū)亭處接觸網(wǎng)中無需分相絕緣設(shè)備，代替它的是分段絕緣設(shè)備。通過牽引變電站，110千伏三相供電網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變成單相27.5千伏牽引供電網(wǎng)絡(luò)為列車供電。全部的變電站所提供電壓的相位一致。因?yàn)樾枰獙?duì)供電網(wǎng)絡(luò)一端開展電流均衡補(bǔ)償，以及諧波和無功功率補(bǔ)償，所以需要在變電站內(nèi)加設(shè)平衡變換器BCD(簡稱平衡器)。通過牽引變電站，110千伏三相供電網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變成單相27.5千伏牽引供電網(wǎng)絡(luò)，變電站出口端分別連接到接觸網(wǎng)(T)、鐵軌(R)以及正饋線(F)。正饋線與接觸網(wǎng)間的電壓差55千伏，接觸網(wǎng)與鐵軌間的電壓差27.5千伏。全部的變電站所提供電壓的相位一致。因?yàn)樾枰獙?duì)供電網(wǎng)絡(luò)一端開展電流均衡補(bǔ)償，以及諧波和無功功率補(bǔ)償，所以需要在變電站內(nèi)加設(shè)平衡變換器。1988年，西南交通大學(xué)率先提出同相供電而且在2010年在眉山變電站設(shè)立了試驗(yàn)點(diǎn),可是此項(xiàng)試驗(yàn)采用的平衡變壓設(shè)備必須進(jìn)行特特殊處理，而且在完成同相供電時(shí)牽引變壓器與同相補(bǔ)償器在容量上相互制約，影響經(jīng)濟(jì)性。2013年，西南交通大學(xué)在原有試驗(yàn)的條件下將設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，推出了組合式同相供電形式。單相組合式同相供電形式牽引變電站的構(gòu)造見圖3-2內(nèi)容，牽引變壓器TT與輸電變壓器HMT組成非等邊Scott網(wǎng)絡(luò)，也就是組成了一種供電功率不一樣、電壓大小不一樣、電壓相位相互垂直的特殊三相-兩相平衡變壓設(shè)備。單三相組合式同相供電模式牽引變電站的構(gòu)造見圖3-3內(nèi)容，供電變壓器TT與輸電變壓器HMT構(gòu)成Ynvd連接網(wǎng)絡(luò)。圖3-2單相組合式同相供電方案圖3-3單三相組合式同相供電方案單相組合式同相供電模式對(duì)于單相牽引變壓器同補(bǔ)償器實(shí)施一體結(jié)構(gòu)非常有利，完成了牽引變壓器、同相補(bǔ)償器同電力規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值的完美結(jié)合，性價(jià)比顯著提升，更適合用于新線路的設(shè)計(jì)使用。單三相組合式同相供電模式依然采用Vx線網(wǎng)中的一臺(tái)單相牽引變壓器，配以補(bǔ)償裝置，更適用于既有所改造?？偟膩碚f，同相供電形式不但能夠從本質(zhì)上克服電分相和電能質(zhì)量的缺陷，還能夠提升電網(wǎng)供電性能、提升鐵路的運(yùn)送能力、提升電網(wǎng)供電的可靠性以及平穩(wěn)性，大大提高了鐵路運(yùn)輸?shù)男省Ｋ?，文章的雙邊供電模式模型使用變壓器高壓端與同相供電網(wǎng)絡(luò)相連，也就是假定兩牽引變電站電壓相位一致，對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量影響不大。3.1.3牽引變壓器接線方式牽引變壓器的常用連接方式包含YNd11連接、Scott連接、單相連接、Vv連接、Vx連接等，也可以按線電壓型和相電壓型來加以區(qū)分，能與單相變壓器構(gòu)成同相供電的就稱為線電壓型，如Vv和Vx接線變壓器。前文提到的單相組合式同相供電模式更加適用于單相連接牽引變壓器，單三相組合式同相供電也比較適合適用Vx連接牽引變壓器，所以本設(shè)計(jì)重點(diǎn)針對(duì)單相連接和Vx連接變壓器此類線電壓形式變壓器進(jìn)行分析。單相連接和Vx連接變壓器的連接方式見圖3-4內(nèi)容。單相連接變壓器線路比較簡潔、電能使用率高，所以被廣泛用于組合式同相供電網(wǎng)絡(luò)中，來消除牽引變壓器出口端的電分相。Vx連接變壓器是2組單相變壓器的組合構(gòu)成，由于其繞組的特殊構(gòu)造使其運(yùn)用于AT供電方式時(shí)，不需要另外在牽引變電所處單獨(dú)設(shè)置AT變壓器。圖3-4單相接線和Vx接線變壓器3.1.4牽引供電方式當(dāng)前牽引電網(wǎng)的供電形式重點(diǎn)包含直接式供電、BT供電、CC供電方式以及AT供電等形式。以這些主要供電方式為基礎(chǔ)而進(jìn)行延展的還包括附帶回流線的直接式供電、附帶加強(qiáng)線的直接式供電，55千伏的自耦變壓器供電模式、2x27.5千伏的自耦變壓器供電方式以及全新的自耦變壓器新型模式。另外還有通過多種供電方式綜合組成的柔性供電模式以及混合式供電模式等。前文提到的單相連接變壓器重點(diǎn)使用在直接式的供電網(wǎng)絡(luò),Vx連接變壓器重點(diǎn)使用在自耦變壓器式供電網(wǎng)絡(luò)（40)，所以文章重點(diǎn)針對(duì)直接式供電方以及自耦變壓器式供電進(jìn)行研究。直接式供電的供電網(wǎng)絡(luò)其結(jié)構(gòu)較為簡便，重點(diǎn)包括承力索、接觸線以及鐵軌構(gòu)成，主要用于速度不是很高的普速列車。自耦變壓器式供電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)主要包括承力索、接觸線、鐵軌、正饋線以及自耦變壓器等,相較于直接式供電網(wǎng)絡(luò)，自耦變壓器供電網(wǎng)絡(luò)具備電網(wǎng)自身阻抗低、電壓降較小、可遠(yuǎn)距離輸電、對(duì)外干擾低等優(yōu)勢，主要應(yīng)用在高速鐵路上。3.1.5分區(qū)所接線方式實(shí)施雙邊供電，取消了分區(qū)所處的電分相，整條線路節(jié)省了一半的自動(dòng)過分相裝置投資，供電穩(wěn)定性和列車速度也大大提高，在構(gòu)造上表現(xiàn)為變換了分區(qū)處在的供電臂的位置，使其由原來的供電臂終端變成了臨近兩供電臂的中間位置，分區(qū)所的接線方式是研究雙邊供電繼電保護(hù)裝置接線不可或缺的一部分。圖3-5雙邊供電系統(tǒng)在單線區(qū)段的分區(qū)所接線單邊供電時(shí)，沒有分區(qū)所斷路器DL5，位于中性段的隔離開關(guān)G3合上、G4斷開。雙邊供電時(shí)，分區(qū)所處斷路器DL5合上，通過分區(qū)所母線將相鄰供電臂連通。開關(guān)DL5進(jìn)行修理維護(hù)時(shí)，只要切斷兩端兩臂的常閉母排隔離開關(guān)G1、G2便可，這時(shí)的牽引電網(wǎng)能否實(shí)現(xiàn)雙邊供電只要開合電分段隔離開關(guān)G3、G4即可完成。圖3-6雙邊供電系統(tǒng)在復(fù)線區(qū)段的分區(qū)所接線雙邊供電時(shí),分區(qū)所在開關(guān)DL5處于分位,位于上行中性段的隔離開關(guān)G5閉合、G6分開，位于下行中性段的隔離開關(guān)G7閉合、G8分開。合閘開關(guān)DL9進(jìn)行維護(hù)修理時(shí)，只需切斷兩端兩臂的閉合母排隔離開關(guān)G2和G3便可，這時(shí)的牽引網(wǎng)能否實(shí)現(xiàn)雙邊供電就只需操控電分段隔離開關(guān)G5-G8的閉合即可完成。如果供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，首先斷開分區(qū)所斷路器DL5，使系統(tǒng)解列為單邊供電，通過牽引供電系統(tǒng)各部分相互配合和自動(dòng)重合閘功能，實(shí)現(xiàn)故障隔離，恢復(fù)非故障線路供電，最后斷開分區(qū)所處的隔離開關(guān)G5、G6或G7、G8。雙邊供電的分區(qū)所構(gòu)造保留了單邊供電的所有特性，在故障情況F也可以通過開關(guān)切換恢復(fù)到單邊供電方式。綜上，對(duì)于組成雙邊供電體系模型的五個(gè)構(gòu)成部件展開研究，把上述構(gòu)成部分進(jìn)程結(jié)合后便可獲得文章所介紹的雙邊供電體系，其簡易模型見圖3-7內(nèi)容。牽引電網(wǎng)的外部電源形式使用多種供電形式的簡化模型，也就是單回路T連接模式，使用貫通的供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行供電，并且牽引變電站與電力系統(tǒng)末端負(fù)載相連，以確保均衡電流無限小。圖3-7雙邊供電系統(tǒng)簡化模型上圖所示，PCCk與PCCk+1表示牽引變電站同外供電網(wǎng)絡(luò)的接點(diǎn)，SSk與SSk+1表示包括同相供電設(shè)備的牽引變電站，TNk與TNk+1表示供電臂，SP為分區(qū)所，分區(qū)所斷路器將左右兩供電臂連通。本文所研究的雙邊供電系統(tǒng)在牽引變壓器TTk和TTk+1二次側(cè)出口處串聯(lián)電抗器Lk和Lk+1。第4章雙邊供電系統(tǒng)性能分析電氣化軌道采用了雙邊供電方式后，將取消了分區(qū)所電分段，此時(shí)牽引網(wǎng)成為電力系統(tǒng)的支路，將分區(qū)所兩側(cè)供電臂聯(lián)通，相當(dāng)于電力系統(tǒng)中的低壓電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，雙邊供電示意圖如下4-1所示，電力系統(tǒng)負(fù)荷將會(huì)在牽引網(wǎng)中形成“均衡電流”，即便牽引網(wǎng)空載，牽引網(wǎng)中也會(huì)有均衡電流存在，雙邊供電產(chǎn)生的均衡電流相對(duì)較大，因此可能會(huì)影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，不會(huì)被電力系統(tǒng)所接受。圖4-1雙邊供電示意圖4.1均衡電流影響因素4.1.1牽引供電系統(tǒng)外部供電方式牽引供電網(wǎng)絡(luò)的外部電源模式包含單側(cè)雙回路供電模式、雙側(cè)雙回路供電模式、環(huán)路供電模式以及放射性供電模式等。非單一牽引變電站由同一區(qū)域變電站提供電能或兩牽引變電所連接在同一條三相輸電線上的供電方式稱為第一類供電方式，單側(cè)雙回路供電方式、環(huán)形供電方式、放射供電方式等都屬于其中。還有一類供電方式為兩相鄰牽引變電所電源來自不同的變電站，被稱為第二類供電方式，其示意圖如圖4-2所示牽引變電所3的電源來源不同于牽引變電所4，不是同一個(gè)區(qū)域變電站。圖4-2第二類供電方式示意圖4.1.2均衡電流出現(xiàn)均衡電流的主要原因是牽引電網(wǎng)與外供電電網(wǎng)形式并聯(lián)回路，單側(cè)雙回路供電模式、環(huán)路雙回路供電模式下的雙邊供電方式可等同為如圖4-2所示電路。圖4-3單側(cè)雙回路供電方式等效電路圖圖-2所示，Zd為供電網(wǎng)絡(luò)三相輸電線總阻抗，Zq為牽引網(wǎng)絡(luò)總阻抗(包含進(jìn)線阻抗、變壓器內(nèi)阻抗、牽引網(wǎng)阻抗)，如果臨近兩牽引變電站變比相同，則有:|Iq/Id|=|Zd/Zq|(4-1)放射供電模式下的雙邊供電系統(tǒng)可等效為如圖4-3所示圖4-4放射