電氣化鐵路供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)石昭監(jiān)中鐵十九局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司北京100026摘要:鐵路和電力同為國家的重要基礎(chǔ)設(shè)施，電氣化鐵路的發(fā)展與其供電系統(tǒng)密不可分。電氣化鐵路是電網(wǎng)的重要用電負(fù)荷，同時(shí)對電力系統(tǒng)運(yùn)行也帶來一-些新的問題。本文首先分析了電氣化鐵路供電系統(tǒng)的構(gòu)成，并對電力牽引的特點(diǎn)和優(yōu)越性進(jìn)行了說明，其次分析了電氣化鐵路供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問題，最后重點(diǎn)論述了電氣化鐵路供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。關(guān)鍵詞:電氣化鐵路;供電系統(tǒng);設(shè)計(jì);牽引供電;供電方式Abstract: the railways and power as a national important foundation failities, isclosely related to development of electrified railway and power supply system.The electrified railway is the important power grid electricity load, but alsobrings some new problems to power system operation. This paper firstanalyzes the structure of electrified railway traction power supply system ofelectric traction, and the characteristics and advantages are described,followed by analysis of the design of electrified railway traction power supplysystem in question, finally discusses the key points in the design of powersupply system of electric railway.Keywords: electric railway; power supply system; design; traction powersupply; power supply中圖分類號(hào): U22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文 章編號(hào): 2095- 2104 (2013)一、電氣化鐵路供電系統(tǒng)的構(gòu)成電氣化鐵道供電系統(tǒng)由一-次供電 系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)組成。電氣化鐵道供電系統(tǒng)的簡單構(gòu)成如圖1所示。豐21↑圖1 電氣化鐵路供電系統(tǒng)構(gòu)成1一區(qū)域變電站或發(fā)電廠2- - 1 10K三相交流高壓輸電線3一牽引變電所4一饋電線5- -接觸網(wǎng)6-軌道、地7一鋼軌回流電8一電力機(jī)車(一)一次供電系統(tǒng)一次供電系統(tǒng)是指電力系統(tǒng)向電氣化鐵道的供電部分。在我國，電力系統(tǒng)通常以110kV的電壓等級(jí)向電氣化鐵道供電。圖1中，1為區(qū)域變電站或發(fā)電廠，2為三相交流高壓輸電線，這兩部分即為電氣化鐵道的--次供電系統(tǒng)。(二)牽引供電系統(tǒng)完成對電力機(jī)車供電的屬于鐵路部門管轄的裝置稱為電氣化鐵道的牽引供電系統(tǒng)。如圖1，它由牽引變電所3、饋電線4、接觸網(wǎng)5、鋼軌6和鋼軌回流線7等組成。二、電力牽引的特點(diǎn)及優(yōu)越性電氣化鐵路的供電系統(tǒng)是由發(fā)電廠集中提供電能，經(jīng)變電站，通過高壓輸電線(110kV) 傳輸給牽引變電所，轉(zhuǎn)變成電壓27.5kV或55kV送到接觸網(wǎng)上，供給沿線運(yùn)行的電力機(jī)車。而牽引供電是指電力系統(tǒng)從鐵路牽引變電所開始，向牽引接觸網(wǎng)的供電。電力牽引是-種新型有軌運(yùn)輸牽引動(dòng)力形式。在干線鐵路、城市軌道交通運(yùn)輸和工礦運(yùn)輸中有著廣泛的作用。電力牽引是利用電能作為牽引動(dòng)力，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)鐵路列車、電動(dòng)車組和城市軌道交通車輛等有軌運(yùn)輸工具運(yùn)行的- -種運(yùn)輸形式。電力牽引按其牽引網(wǎng)供電電流制式不同，分為工頻單相交流制、低頻單相交流制和直流制。我國電氣化鐵路采用工頻單相交流制電力牽引，直流制電力牽引僅用于城市軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)和工礦運(yùn)輸系統(tǒng)。我國電力牽引供電系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有以下幾方面:①電力機(jī)車是單相移動(dòng)性隨機(jī)負(fù)荷，是一一種負(fù)序源。②非線性整流器機(jī)車，成為-一種諧波源，并從電力系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)獲取無功。③供電方式及設(shè)備種類多樣化,有直接供電方式、帶回流線的直接供電方式、串聯(lián)吸流變壓器、BT 供電方式、自耦變壓器AT供電方式，這些供電方式的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)特性有較大的差異。對牽引變壓器，有單相、YN， d11 接線、斯科特接線、伍德橋接線、阻抗匹配平衡型、三相不等容量型等形式，它們具有不同的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)。由于供電方式不同，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)類型也較多。④牽引供電系統(tǒng)和電力機(jī)車在電氣上是一個(gè)連續(xù)的整體，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和信息化管理。電力牽引的優(yōu)越性主要有以下幾點(diǎn):①電力牽引的動(dòng)力大，生產(chǎn)效率高電力牽引的能量取于強(qiáng)大的電力系統(tǒng)，牽引動(dòng)力大，能最大限度適應(yīng)鐵路運(yùn)輸多拉快跑的需要。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，電力牽引的生產(chǎn)效率比內(nèi)燃機(jī)車的生產(chǎn)效率高50%以上,對于客貨運(yùn)輸繁忙的鐵路干線,電力牽引的這種優(yōu)越性尤為顯著。②電力牽引節(jié)省能源，經(jīng)濟(jì)效益好- -方面電力機(jī)車本身的電能轉(zhuǎn)換效率高;另一方面， 電力的生產(chǎn)能夠高效率地綜合利用各種廉價(jià)的自然能源，這對于節(jié)約國家有限的煤炭、石油資源，提高鐵路運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益十分有利。③有利于優(yōu)化生態(tài)環(huán)境，改善勞動(dòng)條件電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生有害氣體，對鐵路沿線的居民和列車乘客不會(huì)造成危害，特別是在多隧道的山區(qū)線路，這種無有害氣體產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)更為可貴。電力機(jī)車的司乘人員工作條件好，維護(hù)檢修工作量小，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。三、電氣化鐵路供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問題(一)牽引變壓器的選型問題鐵路部門從經(jīng)濟(jì)性考慮，在牽引變壓器選型方面大多會(huì)采用V/V (V/X)接線變壓器，會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的三相功率不平衡問題。而可大大減少對電力系統(tǒng)負(fù)序影響的阻抗平衡牽引變壓器或Scott牽引變壓器，由于造價(jià)相對較高，往往不被選用。特別是220kV三相平衡牽引變壓器，鐵路部門認(rèn)為目前尚無可靠制造和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，廣泛推廣面臨困難。(二)系統(tǒng)短路容量問題從保證高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的電壓水平、確保動(dòng)車組穩(wěn)定正常運(yùn)行的角度出發(fā)，要求在牽引變電站進(jìn)線處外部配套電源的系統(tǒng)短路容量--般不小于特定數(shù)值。目前給牽引變電站供電的110kV電源，鐵路方面提出的系統(tǒng)短路容量大都低于1000MVA，相當(dāng)多的牽引變電站短路容量在500 MVA以下，有的甚至只有200、300 MVA， 按此標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)電氣化鐵路供電工程，將導(dǎo)致系統(tǒng)壓降很大。從供電安全可靠性考慮，要達(dá)到這個(gè)要求供電部門有一-定困難。因此為保障電氣化鐵路的安全供電，要加強(qiáng)對電氣化鐵路短路容量問題的合理性研究。(三)負(fù)序諧波治理問題近年來電氣化鐵路大量投運(yùn)，現(xiàn)有電氣化鐵路仍有部分線路存在著負(fù)序、諧波超標(biāo)等問題。隨著電氣化鐵路運(yùn)力的不斷提高，三相不平衡、諧波以及短路電流過大等問題會(huì)更加突出。由于鐵路部門在設(shè)備選取時(shí)注重經(jīng)濟(jì)性因素，電氣化鐵路對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響愈加突出。以大秦鐵路湖東牽引站為例，需要采用SVC實(shí)現(xiàn)諧波、負(fù)序治理，但鐵路部門反映設(shè)備占地面積大、不實(shí)用，新型、有利于治理負(fù)序和諧波的技術(shù)難以推廣。四、電氣化鐵路供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)(一)牽引供電設(shè)備應(yīng)滿足的要求1、應(yīng)保證不間斷行車可靠供電，牽引供電設(shè)備能力應(yīng)與線路運(yùn)輸能力匹配,并留有余地;2、為了滿足規(guī)定的列車重量、密度和速度的要求，接觸網(wǎng)最高工作電壓為27. 5kV,瞬時(shí)最大值為29kV;最低工作電壓為20kV,非正常情況下不得低于19kV;3、牽引變電所需具備雙電源、雙回路受電;4、雙線電氣化區(qū)段應(yīng)具備反方向行車條件; ;5、接觸網(wǎng)的分段應(yīng)檢修方便和縮小故障停電范圍，樞紐及較大區(qū)段站應(yīng)設(shè)開閉所，樞紐及較大區(qū)段站的負(fù)荷開關(guān)和電動(dòng)隔離開關(guān)應(yīng)納入遠(yuǎn)動(dòng)控制。(二)接觸網(wǎng)導(dǎo)線在最大弛度時(shí)距鋼軌頂面應(yīng)保持的高度接觸網(wǎng)導(dǎo)線在最大弛度，至鋼軌頂面的高度不超過6500mm，在區(qū)間和中間站不少于5700mm (舊線改造不少于5330mm)。在編組站、區(qū)段站和個(gè)別較大的中間站站場不少于6200mm，客運(yùn)專線為5300~ 5500mm，站場與區(qū)間宜取-致。(三)架空線路與接觸網(wǎng)的垂直距離的規(guī)定架空電線路(包括通訊線路)跨越接觸網(wǎng)時(shí)，與接觸網(wǎng)的垂直距離: 110kV及其以下電線路，不少于3000mm; 220kV電線路， 不少于4000mm; 330kV電線路，不少于5000mm; 500kV電線路， 不少于6000mm。以防止相互間的電磁干擾，保證接觸網(wǎng)與架空電線路的安全。為避免低壓線路跨越高壓線路，便于設(shè)備維修管理，10kV及其以下的電線路，盡量由地下穿過鐵路。(四)牽引供電方式交流電力牽引供電系統(tǒng)因牽引網(wǎng)對抑制通信干擾采取的技術(shù)措施不同而采取不同的供電方式。牽引供電系統(tǒng)的供電方式主要包括直接供電方式、帶回流導(dǎo)線的供電方式、帶吸流變壓器(BT) 供電方式，以及2X25kv自耦變壓器(AT)供電方式。1、直接供電方式(TR供電方式)直接供電方式是在牽引網(wǎng)中不斷增加特殊防護(hù)措施的一種供電方式， 是結(jié)構(gòu)最簡單的-種。電氣化鐵路最早大都采用這種供電方式，它的一-根饋線接在接觸網(wǎng)(T)上，另一根饋線接在鋼軌(R). 上，如圖2所示。這種供電方式結(jié)構(gòu)簡單，投資最省，牽引網(wǎng)阻損較小，能耗也較低。供電距離單線-般為30km左右，復(fù)線一般 為25km左右。電氣化鐵路是單相負(fù)荷，機(jī)車由接觸網(wǎng)取得電流經(jīng)鋼軌流回牽引變電所。由于鋼軌與大地是不絕緣的，一部分回流電流由鋼軌流入大地，因此對通信線路產(chǎn)生較大電磁干擾。這是直接供電方式的缺點(diǎn)，它- -般采用在鐵路沿線通信線路已改用地下屏蔽電纜的區(qū)段。接觸網(wǎng)T27.5KV鋼軌bdodR圖2直接供電方式原理圖2、吸流變壓器供電方式(BT供電方式)BT供電方式是在牽引網(wǎng)中架設(shè)有吸流變壓器一回流線裝置的一種供電方式。與直接供電方式相比，是在系統(tǒng)中增加了吸流變壓器設(shè)備。此種方式目前在我國電氣化鐵路上采用較廣。吸流變壓器是變比為1: 1的變壓器，它的一次繞組串接在接觸網(wǎng)(T)上，二次繞組串接在專為牽引電流流回牽引變電所而特設(shè)的回流線(NF) 上，所以也稱吸流變壓器一-回流線供電方式，如圖3所示。吸流變壓器(BT)回流線. NFwmmm.T吸上線27. 5kV00106，R圖3 BT供電方 式原理圖吸流變壓器供電方式的工作原理是，由于吸流變壓器的變比為1: 1,當(dāng)吸流變壓器的-次繞組流過牽引電流時(shí)，在其二次繞組中強(qiáng)制回流通過吸上線流入回流線。由于接觸網(wǎng)與回流線中流過的電流大致相等，方向相反,因此對鄰近的通信線路的電磁感應(yīng)絕大部分被抵消，從而降低了對通信線路的干擾。這種供電方式由于在牽引網(wǎng)中串聯(lián)了吸流變壓器，牽引網(wǎng)的阻抗比直接供電方式約大50%，能耗也比較大，供電距離也較短，單線一般 為25km左右，復(fù)線一般為20km左右，投資也比直接供電方式大。3、自耦變壓器供電方式(AT供電方式)AT供電方式是20世紀(jì)70年代才發(fā)展起來的一種供電方式。它既能有效地減輕牽引網(wǎng)對通信線的干擾，又能適應(yīng)高速、大功率電力機(jī)車運(yùn)行，故近年來在我國得到了迅速發(fā)展。這種供電方式是每隔10km左右在接觸網(wǎng)與正饋線之間并聯(lián)接入一臺(tái)自耦變壓器，繞組與鋼軌相接。自耦變壓器將牽引網(wǎng)的供電電壓提高- -倍，而供給電力機(jī)車的電壓仍是25kv,其工作原理如圖4所示。電力機(jī)車由接觸網(wǎng)(T)受電后，牽引電流一般由鋼軌(R) 流回，由于自耦變壓器的作用，鋼軌流回的電流經(jīng)自耦變壓器繞組和正饋線(F) 流回變電所。當(dāng)自耦變壓器的一個(gè)繞組流過牽引電力時(shí)，其另一個(gè)繞組感應(yīng)出電流供給電力機(jī)車，因此實(shí)際上當(dāng)機(jī)車負(fù)荷電力為I時(shí)，由于自耦變壓器的作用，流經(jīng)接觸網(wǎng)(T) 和正饋線(F) 的電流為I/2。白隅交壓器(AT)接觸網(wǎng)T|55kVbdod鋼軌正饋線.\F圖4 AT供電方式原理圖自耦變壓器供電方式牽引網(wǎng)阻抗很小，約為直接供電方式的1 / 4,因此電壓損失小，電能損耗低，供電能力大，供電距離長，可達(dá)40~50km。由于牽引變電所間的距離加大，減少了牽引變電所數(shù)量，也減少了電力系統(tǒng)對電氣化鐵路供電的工程和投資。但由于牽引變電所和牽引網(wǎng)比較復(fù)雜，加大了電氣化鐵路自身的投資，這種供電方式- -般在重載鐵路、高速鐵路等負(fù)荷大的電氣化鐵路上使用。由于牽引負(fù)荷電流在接觸網(wǎng)(T) 和正饋線(F) 中方向相反，因而對鄰近的通信線路干擾很小，其防干擾效果與BT供電方式相當(dāng)。結(jié)語我國電氣化鐵道已運(yùn)營了幾十年，在實(shí)踐中積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，但與鐵路電氣化發(fā)達(dá)國家相比，在技術(shù)及裝備上仍有較大的差距。特別是在面臨高速、重載和擴(kuò)能要求下，電氣化鐵道供電系統(tǒng)中更有許多技術(shù)難題需要解決。因此我們應(yīng)認(rèn)真研究電氣化鐵路供電特點(diǎn)，加強(qiáng)對關(guān)鍵技術(shù)的研究，增強(qiáng)電氣化鐵路安全、可靠供電的技術(shù)保障。參考文獻(xiàn)[1]孫珂，李勇.電氣化鐵路供電工程建設(shè)中存在的問題及相關(guān)建議[J].能源與電力工程，2010. 2.[2]李勇，黃寶瑩，孫珂.京滬高鐵供電工程統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)問題探討[J].電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2009. 2. .[3]李彥哲,王果,張蕊萍,胡彥奎.電氣化鐵道供電系統(tǒng)與設(shè)計(jì)[M].蘭州:蘭州大學(xué)出版社，2006.