接觸網(wǎng)電分相兩側(cè)電壓相位分析及運(yùn)用探討

陳 昱，張 裔

0 引言

在單相交流牽引供電系統(tǒng)中，電力機(jī)車是由單相電供電的，為了平衡電力系統(tǒng)的A、B、C 各相負(fù)荷，一般要實(shí)行三相輪流供電，所以各相之間要分開(kāi)，被稱之為電分相。在接觸網(wǎng)電分相結(jié)構(gòu)處，為防止兩側(cè)相間短路，各相間利用空氣間隙或絕緣元件分割。電力機(jī)車通過(guò)接觸網(wǎng)電分相結(jié)構(gòu)時(shí)，必須按照《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》的要求，分?jǐn)鄼C(jī)車主斷路器，惰性通過(guò)。如果操作不當(dāng)，就會(huì)造成拉弧灼傷接觸網(wǎng)、供電臂跳閘、甚至斷線等故障，這將大大影響重載運(yùn)輸?shù)男屎透咚龠\(yùn)行的安全。

在實(shí)際應(yīng)用中，如能既考慮牽引變電所（下文簡(jiǎn)稱“牽引所”）上級(jí)電力系統(tǒng)三相負(fù)載的平衡，又能合理地對(duì)牽引變壓器（下文簡(jiǎn)稱“牽引變”）二次側(cè)接線進(jìn)行調(diào)整，使電分相兩側(cè)電壓相位角差達(dá)到最小，甚至相位一致，則可以降低電分相處電器設(shè)備承受的壓差，延長(zhǎng)電器壽命。如果相位角一致的話，還能避免電分相兩側(cè)發(fā)生相間短路故障，甚至可以對(duì)電分相處結(jié)構(gòu)或運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)整，取消無(wú)電區(qū)。在電分相處設(shè)備故障的應(yīng)急處理過(guò)程 中，還可以提供多樣的運(yùn)行方式調(diào)整，減少對(duì)行車的影響。

1 接觸網(wǎng)分相處電壓相位分析與優(yōu)化

上海鐵路局管內(nèi)，京滬高鐵、滬寧城際、滬杭客運(yùn)專線等高速鐵路，牽引所采用單相V，x 接線牽引變；京滬線、隴海線、蕭甬線和京九線等普速鐵路，牽引所采用三相-二相的阻抗匹配式平衡牽引變；滬昆線牽引所采用單相和三相V，v 接線的牽引變。

由于電氣化鐵道是單相移動(dòng)牽引負(fù)荷，會(huì)造成電力系統(tǒng)三相負(fù)荷的不平衡，為了盡量減少牽引負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)序影響，目前電氣化鐵路普遍采用牽引所電源換相連接的供電方式，輪換接入電力系統(tǒng)中的不同相。針對(duì)不同接線型式的牽引變，綜合考慮電源換相連接，并通過(guò)牽引變二次側(cè)接線的調(diào)整，可將分相兩側(cè)電壓相位角差進(jìn)行優(yōu)化。

1.1 三相-二相阻抗匹配式接線牽引變壓器

三相-二相阻抗匹配式牽引變二次側(cè)繞組端的電壓相位角差為90°（牽引變端子標(biāo)志及電壓向量圖略）。

當(dāng)二次側(cè)2 個(gè)繞組中的負(fù)荷電流相等時(shí)，一次側(cè)三相電壓平衡，所以牽引所間不需要進(jìn)行換相連接（圖略）。當(dāng)每間隔一個(gè)牽引所，只要將牽引變二次側(cè)接線進(jìn)行一次交叉，就使得在分區(qū)所分相處同是α相（或者β相），那么分相兩側(cè)電壓相位就相同。而在牽引所分相處仍是α相與β相間的90°的壓差約38.8 kV。

1.2 單相接線牽引變壓器

單相牽引變端子標(biāo)志及接線見(jiàn)圖1，牽引變低壓側(cè)端子a 與高壓側(cè)端子A 為同名端，相位相同。

圖1 單相變壓器端子標(biāo)志及接線圖

如果牽引所Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ只是簡(jiǎn)單地分別以正相序接入電力系統(tǒng)中的AB 相、BC 相、CA 相，形成一個(gè)均衡的循環(huán)。接觸網(wǎng)的對(duì)地電壓如圖2所示，分別記為Uab、Ubc、Uca，則在分區(qū)所分相兩側(cè)電壓相位角差為120°，承受的電壓可達(dá)47.7 kV，空載時(shí)甚至更高。

圖2 電壓向量圖

為了降低分區(qū)所分相兩側(cè)的電壓相位角差，可以通過(guò)如圖3所示的調(diào)整，采用每間隔一個(gè)牽引所，以逆相序接入的方法，每6 個(gè)牽引所一個(gè)循環(huán)接入電力系統(tǒng)，對(duì)于電力系統(tǒng)仍然是每3 個(gè)牽引所形成對(duì)稱連接。

分別將牽引所Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ接入電力系統(tǒng)中的AB 相、AC 相、BC 相、BA 相、CA相、CB 相，參照?qǐng)D2所示的向量圖。這樣，就可以使分區(qū)所分相兩側(cè)電壓相位角差降低為60°，承受相電壓為27.5 kV。在牽引所分相處，因是同一母線饋出的電壓，所以兩側(cè)電壓相位完全相同。

圖3 單相變壓器全序列相位圖

1.3 三相V，v 接線牽引變壓器

三相V，v 接線牽引變?yōu)榱撕?jiǎn)化牽引變高壓側(cè)線路接線，避免高壓側(cè)線路交叉，牽引變高壓側(cè)B端子一般為公共端子。Vv0 接線方式時(shí)，牽引變低壓側(cè)T1 端子與高壓側(cè)A 端子、低壓側(cè)T2 端子與高壓側(cè)C 端子為同名端，相位相同。牽引變端子標(biāo)志及接線如圖4所示。

如果只是按照牽引變低壓側(cè)X1 端子和X2 端子始終接地（Vv0 連接組），牽引所Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ換相連接后，分別接入電力系統(tǒng)的ABC 相、CAB相、BCA 相，形成一個(gè)均衡的循環(huán)。將牽引變二次接線交叉后。可知，牽引所與分區(qū)所的分相兩側(cè)電壓相位角均相差 60°，承受相電壓 U 均為 27.5 kV。

為了進(jìn)一步降低分區(qū)所電分相兩側(cè)電壓相位角差，可以通過(guò)如圖5所示的調(diào)整，采用每6 個(gè)牽引所一個(gè)循環(huán)接入電力系統(tǒng)。

圖4 三相V，v 變壓器端子標(biāo)志及接線圖

其中，將牽引所Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ牽引變低壓側(cè)T1端子和T2 端子接地（Vv6 連接組），牽引所Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ分別接入電力系統(tǒng)中的ABC相、BCA 相、CAB 相、ABC 相、BCA 相、CAB相，對(duì)于電力系統(tǒng)仍然是每3 個(gè)牽引所形成對(duì)稱連接。調(diào)整后，分區(qū)所分相兩側(cè)的電壓相位相同，牽引所分相兩側(cè)電壓相位角仍差60°，承受相電壓U為27.5 kV。

圖5 三相V，v 變壓器全序列相位圖

1.4 AT單相牽引變壓器

目前高速鐵路普遍采用AT 供電方式，牽引變采用單相或單相V，x 接線，牽引所出口不設(shè)AT自耦變壓器。AT 單相牽引變端子標(biāo)志及接線如圖6所示，牽引變低壓側(cè)端子a 與高壓側(cè)端子A 為同名端，相位相同。

圖6 AT 單相變壓器端子標(biāo)志及接線圖

1.4.1 AT供電方式單相接線牽引變

AT 單相牽引變與前述1.2 節(jié)中單相牽引變的換相連接方式一樣，仍采用每間隔1 個(gè)牽引所以逆相序接入電力系統(tǒng)的方法，這樣牽引所分相兩側(cè)電壓同相位，分區(qū)所分相兩側(cè)電壓相位角差60°，承受相電壓U 為27.5 kV。

1.4.2 AT供電方式單相V，x 接線牽引變

按照牽引變低壓側(cè)a 端子始終與接觸網(wǎng)（T 線）相接、x 端子始終與正饋線（F 線）相接、0 端子接地的方式。牽引所Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ換相連接后，分別接入電力系統(tǒng)的ABC 相、BCA 相、CAB 相，形成一個(gè)均衡的循環(huán)?？芍?，牽引所與分區(qū)所的分相兩側(cè)電壓相位角均相差60°，承受相電壓U 為 27.5 kV。

為了進(jìn)一步降低分區(qū)所電分相兩側(cè)電壓相位角差，可以通過(guò)如圖7所示的調(diào)整，采用每6 個(gè)牽引所一個(gè)循環(huán)接入電力系統(tǒng)。

圖7 V，x 變壓器全序列相序圖

將牽引所Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ分別接入電力系統(tǒng)中的ABC 相、CAB 相、BCA 相、ABC 相、CAB 相、BCA 相，對(duì)于電力系統(tǒng)仍然是每3 個(gè)牽引所形成對(duì)稱連接。調(diào)整后，分區(qū)所分相兩側(cè)的電壓相位相同，牽引所分相兩側(cè)電壓相位角仍差60°，承受相電壓U 為27.5 kV。

為了簡(jiǎn)化牽引變高壓側(cè)線路接線，避免高壓側(cè)線路交叉，可以將牽引變低壓側(cè)a、x 端子交叉與接觸網(wǎng)（T 線）和正饋線（F 線）相接，0 端子接地，仍是采用每6 個(gè)牽引所一個(gè)循環(huán)接入電力系統(tǒng)，如圖8所示。

圖8 單相V，x 接線AT 牽引變?nèi)蛄邢嘈蚪泳€優(yōu)化圖

2 分相處相位關(guān)系總結(jié)

依據(jù)以上的相位分析和接線調(diào)整，結(jié)合上海鐵路局普速鐵路、高速鐵路牽引所實(shí)際選用的牽引變類型，如果在實(shí)際運(yùn)行管理中，能夠科學(xué)周密地進(jìn)行優(yōu)化，各分相兩側(cè)電壓相位會(huì)達(dá)到表1的效果。

表1 上海鐵路局管內(nèi)各鐵路線別分相處相位優(yōu)化效果列表

3 實(shí)際應(yīng)用中的探討

（1）由于接觸網(wǎng)分相結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)作業(yè)時(shí)，不僅安全防護(hù)措施嚴(yán)密，而且調(diào)整時(shí)的技術(shù)要求也很高，一直是接觸網(wǎng)作業(yè)中的難點(diǎn)。采用三相-二相阻抗匹配式牽引變、三相V，v 接線牽引變或單相V，x 接線AT 牽引變時(shí)，無(wú)論在正常單邊供電或越區(qū)供電方式下，其分區(qū)所分相兩側(cè)電壓相位始終相同。綜合考慮供電臂空載和滿載情況下引起的電壓波動(dòng)，在電分相兩側(cè)壓差允許的情況下，將電分相中的接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)采用常閉的運(yùn)行方式，或?qū)㈦姺窒嘟Y(jié)構(gòu)，改為絕緣錨段關(guān)節(jié)形式，取消無(wú)電區(qū)。在京滬高鐵測(cè)速試驗(yàn)期間，為了減少電分相無(wú)電區(qū)對(duì)動(dòng)車行駛時(shí)的速度損失，就臨時(shí)采用電分相處接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)閉合的越區(qū)供電方式，減少了試驗(yàn)區(qū)段電分相無(wú)電區(qū)的數(shù)量。

（2）當(dāng)電力機(jī)車意外停在電分相無(wú)電區(qū)時(shí)，在救援過(guò)程中，列車調(diào)度員需要安排行駛方向后方供電單元內(nèi)電力機(jī)車停車，接觸網(wǎng)停電，然后再閉合分相處接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)，進(jìn)行救援。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每次救援過(guò)程需要15 min 左右，若接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)控失敗的話，安排非電力機(jī)車救援，那時(shí)間將更長(zhǎng)。如果電分相處兩側(cè)電壓相位相同，則可以直接通過(guò)分區(qū)所越區(qū)開(kāi)關(guān)，采取短時(shí)的雙邊供電方式，在無(wú)需后方單元停電的情況下，閉合分相處隔離開(kāi)關(guān)，把電送到無(wú)電區(qū)，進(jìn)行救援。這樣，就不會(huì)影響其他電力機(jī)車的正常行駛，能更好地維護(hù)運(yùn)輸秩序的暢通。

（3）按照行車組織規(guī)定，列車調(diào)度員必須提前2 個(gè)車站發(fā)布限速或者降弓命令，機(jī)車方可駛?cè)腙P(guān)系區(qū)間。在運(yùn)營(yíng)期間，發(fā)生過(guò)分相處隔離開(kāi)關(guān)誤動(dòng)閉合的現(xiàn)象。因在緊急狀況下，可能無(wú)法及時(shí)限制電力機(jī)車降弓通過(guò)。如果分相兩側(cè)電壓相位相同，即使司機(jī)按照過(guò)分相時(shí)的正常規(guī)定行駛，也不會(huì)造成兩供電單元間短路跳閘或灼傷接觸網(wǎng)導(dǎo)線。

4 結(jié)語(yǔ)

接觸網(wǎng)電分相兩側(cè)電壓相位一致，是雙邊供電方式的必備條件之一，同時(shí)給調(diào)整牽引供電系統(tǒng)靈活多樣的運(yùn)行方式、優(yōu)化分相處接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)提供了技術(shù)支持。接觸網(wǎng)分相兩側(cè)電壓相位角差的分析，以及牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行方式的調(diào)整，是一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)管理工作，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)管理中，值得深入研究和探討。

[1]電氣化鐵道設(shè)計(jì)手冊(cè)[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，1988.

[2]新建時(shí)速300-350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定（上、下）[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

[3]鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.