高鐵牽引供電系統(tǒng)

張明銳，同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院教授

王靖滿，鐵道第三勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)公司蘇皖地區(qū)項(xiàng)目部總工程師、教授級(jí)高級(jí)工程師。

張永健，上海鐵路局供電處處長2100433B

本書為“中國高鐵叢書”中的一種。高速動(dòng)車組的牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所、接觸網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)三大部分組成。本書是依據(jù)高速鐵路主要行車工種的崗位標(biāo)準(zhǔn)和培訓(xùn)規(guī)范，結(jié)合鐵路現(xiàn)代化發(fā)展的實(shí)際而編寫。

牽引供電系統(tǒng)是將交流中壓電壓經(jīng)降壓整流變成直流1 500 V或直流750 V的電壓，為電動(dòng)列車提供牽引供電。它包括牽引變電所與牽引網(wǎng)。

牽引變電所可以分成正線牽引變電所、車輛段或停車場牽引變電所，正線牽引變電所義分為車站牽引變電所和區(qū)間牽引變電所。牽引變電所一般采用設(shè)備安裝在建筑物內(nèi)的形式，另外也有少量的箱式牽引變電所。作為試點(diǎn)，上海軌道交通5號(hào)線工程采用了箱式牽引變電所。

牽引網(wǎng)包括接觸網(wǎng)與回流網(wǎng)。接觸網(wǎng)有架空接觸網(wǎng)和接觸軌兩種懸掛方式。大多數(shù)工程利用走行軌兼作回流網(wǎng)，少數(shù)工程單獨(dú)設(shè)置回流軌。 2100433B

牽引供電是指拖動(dòng)車輛運(yùn)輸所需電能的供電方式。牽引供電系統(tǒng)是指鐵路從地方引入220（110）KV電源，通過牽引變電所降壓到27.5KV送至電力機(jī)車的整個(gè)供電系統(tǒng)。

例如城市電車，地鐵等，我們主要研究的內(nèi)容是電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)。在我們這里簡稱牽引供電系統(tǒng)。

電力牽引供電系統(tǒng)是指從電力系統(tǒng)或一次供電系統(tǒng)接受電能，通過變壓、變相或換流（將工頻交流變換為低頻交流或直流電壓）后，向電力機(jī)車負(fù)載提供所需電流制式的電能，并完成牽引電能傳輸、配電等全部功能的完整系統(tǒng)。牽引供電系統(tǒng)的性能直接影響列車牽引功率的發(fā)揮和牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)的性能。

工頻交流單相電力牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所、牽引網(wǎng)、分區(qū)所、開閉所等部分組成。

電力牽引供電系統(tǒng)牽引變電所

直流制牽引變電所用主變壓器降壓并把三相交流電變換為6相或12相,然后用整流器整流。工頻單相交流制在牽引變電所只進(jìn)行降壓，主要設(shè)備是降壓變壓器，稱為主變壓器。牽引變電所按主變壓器繞組接線方式，分為三相、單相和三相-二相牽引變電所。

三相牽引變電所

它的主變壓器結(jié)構(gòu)與一般三相電力變壓器相同,只是次邊額定電壓為27500伏。繞組通常采用 Y/△接線。用兩臺(tái)主變壓器并聯(lián)運(yùn)行。原邊Y形繞組接連電力系統(tǒng)的高壓母線,次邊△線繞組一端接地,另兩端分別向兩邊的接觸網(wǎng)供電(圖1)。三相牽引變電所的優(yōu)點(diǎn)是主變壓器價(jià)格低廉，配電設(shè)備簡單,可在27500伏側(cè)用電力變壓器降壓至 10000伏向鄰近地區(qū)和鐵路的三相負(fù)荷供電。缺點(diǎn)是主變壓器容量利用率較低，三相繞組中有一相達(dá)不到額定負(fù)荷。另外，牽引變電所對(duì)電力系統(tǒng)形成不對(duì)稱負(fù)荷，通常須將各個(gè)牽引變電所的兩個(gè)重負(fù)電荷相輪換接入電力系統(tǒng)中的三相。中國和蘇聯(lián)的工頻單相交流制電氣化鐵路大都采用三相牽引變電所。

單相牽引變電所

采用單相雙繞組主變壓器。有兩種接線方式:簡單單相接線（圖2）和V/V接線（圖3）。V/V接線是將兩臺(tái)主變壓器的原邊接在高壓母線不同的兩相間，次邊分別以不同的相電壓向兩邊接觸網(wǎng)供電。簡單單相接線設(shè)備簡單、經(jīng)濟(jì)，主變壓器容量利用率高。但是由于牽引變電所對(duì)電力系統(tǒng)構(gòu)成單相負(fù)荷，即使將各個(gè)牽引變電所輪換接入電力系統(tǒng)中的三相，在局部系統(tǒng)中仍將產(chǎn)生大量負(fù)序電流，所以只適宜于在電力系統(tǒng)容量較大的地區(qū)采用。單相V/V接線在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的負(fù)序電流和三相牽引變電所產(chǎn)生的相同，比簡單單相接線產(chǎn)生的要小。這種接線也可在 27500伏側(cè)應(yīng)用降壓變壓器供應(yīng)地區(qū)三相負(fù)荷。但是兩臺(tái)主變壓器不是并聯(lián)，操作手續(xù)和設(shè)備比較復(fù)雜。法國、英國、印度的工頻單相交流制電氣化鐵路普遍采用單相牽引變電所，而且多采用簡單單相接線。中國只在個(gè)別線路上采用單相V/V接線。

三相－二相牽引變電所

主變壓器一般采用斯科特接線。 其原邊有兩個(gè)繞組，匝數(shù)比為1:3,短繞組（稱為高繞組）接于長繞組（稱為底繞組）的中點(diǎn)，三個(gè)出線端接高壓母線的三相，形成“T”形接線(圖4)。次邊兩個(gè)繞組輸出對(duì)稱二相電壓，分別向兩邊接觸網(wǎng)供電。斯科特接線的優(yōu)點(diǎn)是,當(dāng)兩邊接觸網(wǎng)負(fù)荷相等時(shí),主變壓器從電力系統(tǒng)取用對(duì)稱三相電流。缺點(diǎn)是要求特制的主變壓器。另外，和簡單單相接線一樣,在27500伏側(cè)不能供應(yīng)地區(qū)三相負(fù)荷。三相-二相牽引變電所在日本應(yīng)用最為廣泛。

電力牽引供電系統(tǒng)分區(qū)所

交流電氣化鐵路上為了增加供電的靈活性，提高運(yùn)行的可靠性，在兩個(gè)牽引變電所的供電區(qū)中間常加設(shè)分區(qū)所，分區(qū)所的作用可簡述如下。

（1）可以使兩相鄰的供電區(qū)段實(shí)現(xiàn)并聯(lián)工作或單獨(dú)工作。當(dāng)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)工作時(shí)，分區(qū)所的斷路器閉合，否則打開。

（2）當(dāng)相鄰牽引變電所發(fā)生故障而不能繼續(xù)供電時(shí)，可以閉合分區(qū)所的斷路器，由非故障牽引變電所實(shí)行越區(qū)供電。

（3）雙邊供電的供電區(qū)內(nèi)發(fā)生牽引網(wǎng)短路事故時(shí)，可由分區(qū)所的斷路器切除事故點(diǎn)所在處的一半供電區(qū)，非事故段仍可照常工作。

電力牽引供電系統(tǒng)開閉所

交流電力牽引系統(tǒng)開閉所，實(shí)際上是起配電作用的開關(guān)站，一般在下面兩種情況或系統(tǒng)中設(shè)置。

一種情況是在離牽引變電所較遠(yuǎn)的鐵路樞紐地區(qū)，由于站線多，接觸網(wǎng)相應(yīng)復(fù)雜，客貨運(yùn)交會(huì)、編組和機(jī)車整備作業(yè)繁忙，致使該地區(qū)故障幾率增多，為保證樞紐地區(qū)供電的可靠性，縮小事故范圍，一般將接觸網(wǎng)橫向分組及分區(qū)供電，由開閉所的多路饋線向接觸網(wǎng)各分組和分區(qū)供電。

另一種情況是在AT供電方式的復(fù)線牽引網(wǎng)供電臂中間設(shè)置開閉所，由于AT供電方式供電電壓增高（2×25kV），供電臂距離增長，可達(dá)40～50km，為提高供電靈活性（如接觸網(wǎng)停電檢修等），縮小事故停電范圍，故需在牽引變電所與分區(qū)所之間設(shè)置開閉所。

電力牽引供電系統(tǒng)自耦變壓器站

工頻單相交流電氣化鐵路如采用自耦變壓器（AT）供電方式時(shí)，在沿線需每隔10～15km設(shè)置一臺(tái)自耦變壓器。應(yīng)盡量把自耦變壓器設(shè)于沿鐵路的各站場上，大致和鐵路區(qū)間的距離一樣。同時(shí)，應(yīng)與分區(qū)所、開閉所合并，以便于運(yùn)行管理。

電力牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)

接觸網(wǎng)是 沿電氣化鐵路架空敷設(shè)的輸電網(wǎng)，它和電力機(jī)車受電弓的滑動(dòng)接觸將牽引變電所送來的電流送給電力機(jī)車。

接觸網(wǎng)主要由接觸懸掛及其支柱組成。常用的有簡單彈性懸掛和單鏈形懸掛。

簡單彈性懸掛只有一根接觸導(dǎo)線，用彈性吊弦掛在支柱上（圖5 ）。彈性吊弦可以緩和受電弓對(duì)懸掛點(diǎn)的沖擊。這種懸掛可適應(yīng)70～90公里/小時(shí)運(yùn)行速度。接觸導(dǎo)線彈性較好的，可適應(yīng)100公里/小時(shí)以上的速度。接觸導(dǎo)線材料具有耐磨、耐腐蝕、抗拉強(qiáng)度高和導(dǎo)電性能好等特點(diǎn)。多數(shù)國家主要采用銅導(dǎo)線和鎘銅導(dǎo)線。中國廣泛應(yīng)用鋼鋁雙金屬導(dǎo)線。為了使接觸導(dǎo)線有必要的張力，接觸網(wǎng)每隔一定長度設(shè)置一個(gè)錨段，將接觸導(dǎo)線一端下錨，另端吊掛一個(gè)載重體，稱為補(bǔ)償器。補(bǔ)償器在季節(jié)變化引起接觸導(dǎo)線冷縮熱脹時(shí)自動(dòng)上下移動(dòng)，使接觸導(dǎo)線張力保持不變。

單鏈形懸掛加用一根承力索，將接觸導(dǎo)線用吊弦均勻地吊掛在承力索上（圖6 ）。對(duì)承力索采取補(bǔ)償措施的稱為全補(bǔ)償單鏈形懸掛。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是接觸導(dǎo)線平直，接觸懸掛彈性均勻，因此受電弓和導(dǎo)線有較好的接觸，受流較好，適用于運(yùn)行頻繁、運(yùn)行速度較高的線路。直流制電氣化鐵路接觸網(wǎng)普遍采用兩根接觸導(dǎo)線和單鏈形懸掛。交流制接觸網(wǎng)采用一根接觸導(dǎo)線和單鏈形懸掛或簡單彈性懸掛。中國主要采用單鏈形懸掛，但也開始采用簡單彈性懸掛。還有一種復(fù)鏈形(雙鏈形、三鏈形)懸掛(圖7)，是在單鏈形懸掛的承力索和接觸導(dǎo)線之間加設(shè)一條輔助承力索,用吊弦掛在承力索上,再把接觸導(dǎo)線掛在輔助承力索上。這種結(jié)構(gòu)使接觸懸掛彈性更加均勻，適應(yīng)更高的運(yùn)行速度。日本東海道新干線采用彈性雙鏈形懸掛。

早期的接觸網(wǎng)大都使用金屬支柱，后來改用鋼筋混凝土支柱。這種支柱省鋼材，耐腐蝕，造價(jià)較低。接觸懸掛掛在支柱的金屬腕臂上，用定位器來固定接觸導(dǎo)線的水平位置，使接觸導(dǎo)線沿線路成“之”字形走向，以免運(yùn)行中的電力機(jī)車受電弓集中在一點(diǎn)被接觸導(dǎo)線擦傷。

供電方式

直流制電氣化鐵路接觸網(wǎng)普遍采用兩邊供電方式，在相鄰的兩個(gè)牽引變電所供電的接觸網(wǎng)中間設(shè)置分區(qū)亭，將接觸網(wǎng)連通。運(yùn)行中的電力機(jī)車由兩邊的牽引變電所同時(shí)供電。這種供電方式可降低接觸網(wǎng)中的電能損失，減小接觸網(wǎng)的電壓降，一個(gè)牽引變電所停電時(shí)，電力機(jī)車運(yùn)行不致中斷。交流制電氣化鐵路則常采用一邊供電方式，接觸網(wǎng)在分區(qū)亭處斷開，分區(qū)亭只在一邊牽引變電所停電時(shí)接通，由另一邊牽引變電所越區(qū)供電，同時(shí)分 區(qū)亭還有上下行末端并聯(lián)的功能。

防干擾設(shè)施

為了減少接觸網(wǎng)電流的電磁感應(yīng)對(duì)沿線通信電路的干擾，在交流制電氣化鐵路鄰近城鎮(zhèn)的區(qū)段將接觸網(wǎng)每2～4公里劃成一個(gè)吸流分段，設(shè)置回流線和吸流變壓器。這時(shí)，電力機(jī)車的電流沿回流線流回牽引變電所，從而沿軌道和大地流回的電流很少?；亓骶€和接觸網(wǎng)的電流近似相等，方向相反，這就大大減輕了電氣化鐵路對(duì)沿線通信電路的干擾。這種方式的缺點(diǎn)是吸流變壓器串接在電路中，加大了接觸網(wǎng)阻抗。日本新建設(shè)的工頻單相交流制電氣化鐵路采用了自耦變壓器方式，沿鐵路每10公里左右設(shè)置一臺(tái)自耦變壓器。自耦變壓器中性點(diǎn)接地，一端接接觸網(wǎng)，另一端接回流線，稱為正饋（電）線。正饋線和接觸網(wǎng)電流大小相等，方向相反，同樣起著減小對(duì)通信電路干擾的作用。另一方面，由于接觸網(wǎng)和正饋線之間電壓為二倍接觸網(wǎng)電壓，沿接觸網(wǎng)電壓降便大大減小。