淺析電氣化鐵路供電系統(tǒng)

【摘要】電氣化鐵路有著速度快、運量大、運費低、能耗較低、污染少等多種優(yōu)勢，經(jīng)濟和社會效益顯著，是目前鐵路發(fā)展的新趨勢。本文從電氣化鐵路的發(fā)展入手，對電氣化鐵路的牽引供電原理、牽引變電站及接觸網(wǎng)、其對電力系統(tǒng)的影響進行了探討，提出現(xiàn)階段國內(nèi)外應采取的措施，文章具有一定的指導意義。

【關(guān)鍵詞】電氣化鐵路;接觸網(wǎng);牽引變電站

自1879年世界第一條電氣化鐵路在德國柏林建成以來，電氣化鐵路發(fā)展迅速。1961，年我國第一條電氣化鐵路寶成線的寶雞至鳳州段建成，電氣化鐵路發(fā)展五十多年。隨著大批客運專線、煤運通道、城際鐵路等項目的開工，現(xiàn)代鐵路對電氣化的要求越來越高，預計到2020年，中國鐵路電氣化率可達60%。電氣化鐵路有著節(jié)省能源、運輸功率大、運輸成本低、車輛周轉(zhuǎn)快、維修成本低、以及耗能少污染少等多方面的優(yōu)點，同時，也存在移動性和波動性大、負序及諧波電流影響電能質(zhì)量導致三相電壓不平衡、波形畸變及電壓閃變等問題需要解決。

1.電氣化鐵路概述

1.1 電氣化鐵路牽引供電原理

與傳統(tǒng)鐵路不同，電氣化鐵路運行的動力不是自帶能源機車，而需牽引供電系統(tǒng)送電以提供動力。鐵路沿線有若干個牽引變電站，經(jīng)降壓器降壓至27.5kV，再通過牽引網(wǎng)向電力機車供電，牽引變電站采用雙線雙變供電以保證供電的可靠性，兩路供電互為熱備用。機車一般為25kV單相工頻交流電壓，行駛在架空接觸導線與鋼軌之間。電氣化鐵路的牽引變壓器一般為單相，從電網(wǎng)兩相受電。牽引供電系統(tǒng)一次側(cè)包括牽引變電站及接觸網(wǎng)。每個牽引變電站有兩個供電臂，當牽引變電站停電時，兩接觸網(wǎng)臂便可經(jīng)倒閘由相鄰兩牽引變電站供電。

1.2 牽引變電所

牽引變電所是牽引供電系統(tǒng)的心臟， 是電氣化鐵路的核心。牽引變電所的主要任務是將由電力系統(tǒng)接入的三相高壓電變?yōu)榭晒╇娏C車使用的單相交流電。

一般來說，牽引變電所內(nèi)設備分為一次和二次設備，其中一次設備主要功能為完成電能的輸送、變換、分配等，包括接觸高壓電氣設備如母線、避雷器、互感器等;二次設備則要求智能化與集成化，形成牽引變電所系統(tǒng)，為變電所的遠動控制提供可能。牽引變電所接入國網(wǎng)側(cè)為220kv或入110kv的三相交流電，將其轉(zhuǎn)變?yōu)樵磳?7.5kv的單相交流電電氣列車使用。除此而外，牽引變電所還起著控制電氣設備、提高供電質(zhì)量、以及降低電力牽引負荷對電網(wǎng)影響的作用。同時，為保證牽引供電所可靠供電，牽引供電系統(tǒng)均采用“雙備份”模式通過切換設備互為備用。

1.3 接觸網(wǎng)

接觸網(wǎng)是電氣化鐵路的動脈，是牽引供電系統(tǒng)主要的供電設備。我國電氣化鐵路接觸網(wǎng)額定電壓為25kV，牽引變電站內(nèi)變壓器二次側(cè)為27.5kV或55kV。電氣化鐵路接觸網(wǎng)常用的供電方式有直接供電方式、帶回流線直接供電方式、吸流變壓器供電方式（ 即BT供電方式） 以及自耦變壓器供電方式（即AT供電方式）幾種 ，其中BT制電壓為27.5kV，AT制電壓為55kV。我國傳統(tǒng)電氣化鐵路主要采用BT供電，目前普速電氣化鐵路的主要供電方式為帶回流線式直接供電，而由于AT制供電臂較長的原因，客運專線等高速電氣化鐵路均采用AT供電方式。接觸網(wǎng)屬露天設施，不僅受到外界環(huán)境的影響，還會受到機車行走帶來的動力，再加之接觸網(wǎng)沒有備用設置，所以其工作環(huán)境十分惡劣，因此，必須保證接觸網(wǎng)有耐用的結(jié)構(gòu)。

2.電氣化鐵路對電網(wǎng)的影響

2.1 對旋轉(zhuǎn)電機的影響

發(fā)電機轉(zhuǎn)子為電機的敏感部件，主要原因是轉(zhuǎn)子的諧波和負序溫升都大于定子，存在著局部突出的高溫部位，在國內(nèi)，就有過由于向電氣化鐵路供電的發(fā)電機轉(zhuǎn)子局部過熱而導致事故。同時，如果有負序電流流過發(fā)電機時，會伴隨產(chǎn)生負序旋轉(zhuǎn)磁場，進而產(chǎn)生負序同步轉(zhuǎn)矩，導致發(fā)電機產(chǎn)生附加振動。諧波也是引起發(fā)電機振動并發(fā)出噪聲的原因，若發(fā)電機長時間的振動，則會引起金屬疲勞以及機械損壞。對于電氣距離遠離電源卻與牽引變電所相鄰的異步電動機而言，其敏感部件為定子繞組。電動機中會產(chǎn)生一個反向的旋轉(zhuǎn)磁場，對電動機轉(zhuǎn)子而言，該反向磁場起制動作用，影響轉(zhuǎn)子的出力。

2.2 對電力變壓器的影響

諧波電流會在變壓器繞組中產(chǎn)生相當大的附加損耗。除此之外，諧波還會引起變壓器外殼、外層硅鋼片以及某些緊固件發(fā)熱，并導致局部過熱，很大程度地加速變壓器的老化，影響其使用壽命。同時，負序電流造成三相電流不對稱，會導致變壓器的額定出力減少，降低變壓器的容量利用率。

2.3 對輸電線路的影響

諧波使電力系統(tǒng)網(wǎng)損增大，如果發(fā)生了系統(tǒng)諧振或諧波放大，諧波產(chǎn)生的網(wǎng)損可能會非常大。當負序電流流過輸電線路時，并不會做功，但是會降低電力輸電線路的輸電送電能力。

2.4 對繼電保護和自動裝置的影響

諧波會對負序或基波量產(chǎn)生干擾，如對以負序濾波器為啟動元件的保護裝置產(chǎn)生干擾。因為該類保護裝置按負序或基波量進行整定，動作值小、靈敏度高。但當諧波存在時，會引起以下幾類保護裝置的誤動：

（1）發(fā)電機的負序電流保護誤動;

（2）母線差動保護負序電壓閉鎖元件誤動;

（3）輸電線路相差高頻保護誤動;

（4）引起自動故障錄波裝置負序啟動元件誤動，發(fā)生無故障記錄，浪費記錄膠卷。

2.5 其他影響

諧波注入電力系統(tǒng)后，如果發(fā)生了系統(tǒng)諧振或諧波放大，會造成過壓、過流、過負荷或過熱，這都有可能對電容器以及串聯(lián)電抗器造成損壞，進而使得無功補償裝置無法正常投入運行。

3.應對措施及建議

3.1 國外提高電能質(zhì)量的措施

世界各國對減小電鐵對電網(wǎng)的影響、改善電能質(zhì)量都十分重視。日本為減少對電力系統(tǒng)的影響，花了很高的代價研制設備來解決電能質(zhì)量的問題。德國通過自建電網(wǎng)實現(xiàn)同相供電，滿足高速鐵路本身的電能質(zhì)量要求，對電力系統(tǒng)的影響很小，但成本很高。法國通過接入強大的外部電源來解決電能質(zhì)量問題。

3.2 我國電鐵路系統(tǒng)應采取的措施

借鑒國內(nèi)外電氣化鐵路牽引供電的經(jīng)驗，對電氣化鐵路產(chǎn)生的諧波和負序分量必須采取相應的應對措施，主要包括優(yōu)化牽引供電方式和應用無功補償裝置兩類。

（1）優(yōu)化牽引供電方式

除了接入系統(tǒng)時采用“雙備份”模式外，鐵路部門還應將牽引系統(tǒng)接入強大的外部電源，以充分利用外部電網(wǎng)的電能質(zhì)量承受能力，減少電鐵對系統(tǒng)及用戶的不利影響。若電鐵的負序電流發(fā)生臨時性或過渡性的增大，電網(wǎng)側(cè)可采取臨時方式，如臨時投入或退出某些線路、變壓器，改變系統(tǒng)中負序電流的分配。電網(wǎng)側(cè)應在外部電源的變電站處裝設電鐵的線路保護裝置，這類保護可利用負序和零序電流為啟動元件，并針對電氣化鐵路的特點，將快速復歸功能應用于距離保護的振蕩閉鎖，當有沖擊負荷時，可使保護裝置迅速復歸，不進入振蕩狀態(tài)，避免距離保護失去快速保護作用的可能性。

（2）應用無功補償裝置

電氣化鐵路牽引變電站的無功需求波動較大，當無機車通過時，電鐵會向電網(wǎng)反送無功。因此，電氣化鐵路的無功應該實行動態(tài)補償，與此同時，應將無功補償和諧波治理結(jié)合起來。目前，可以運用的無功補償裝置主要有以下幾類：單相固定補償兼濾波裝置、單相自動跟蹤補償兼濾波裝置、三相動態(tài)無功補償兼濾波裝置（ 三相SVC） 或靜止無功發(fā)生裝置（ SVG） 等。

4.結(jié)語

電氣化鐵路作為電力系統(tǒng)的用電大戶，是至關(guān)重要的用電需求增長點。同時，電力系統(tǒng)也是保證電氣化鐵路運輸可靠性、安全性、和經(jīng)濟性強大后盾。雖然治理負序電流及諧波需要投入大量的成本，但減少及避免電氣化鐵路對系統(tǒng)的不利影響，提高電能質(zhì)量是電氣化鐵路與電網(wǎng)用戶的共同目標，合理的成本投入才能得到長期的效益及共贏。

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作者簡介：王沛宇（1981一），男，內(nèi)蒙古赤峰人，現(xiàn)供職于神華包神鐵路集團有限責任公司供電段，從事電氣化鐵路供電工作。