铁道牵引供电系统综述(1)

1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流铁道牵引供电系统综述(1).精品文档.高速铁路引供电系统综述张膑侨 陈文卿 黄福万 黄业帆 谢卓林（桂林电子科技大学 机电工程学院·广西 桂林 541004）摘 要：探讨我国高速铁路的牵引供电系统的原理。首先介绍我国高速铁路牵引供电系统的发展历程。然后从供电方式、变压器、牵引变电所以及保护装置4个方面介绍我国高速铁路牵引供电系统现状，接着介绍国外高速铁路牵引供电系统的现状并指出可借鉴之处，最后展望我国高速铁路牵引供电系统的未来发展方向。关键词：中国高铁；牵引供电系统；发展历程；现状Abstract: The principle of

2、 traction power supply system of the railway.At first introducing the traction power supply systems development path. And then making an introduction of traction power supply systems advantages and disadvantages from Power supply,transformer,Traction Substation and protective device. Then introducin

3、g the current situation of foreign high-speed railway traction power supply system and pointing out the advantages which we can learn from.The last having a outlook of high-speed railway traction power supply the future direction of the system.Key words: China Railway; traction power supply system;

4、development path; status quo.1 引言近年来，我国的高速铁路交通建设发展迅猛，取得了一次又一次骄人的成绩。随着我国高速铁路网的逐渐密集，铁道交通相对低廉的价格，速度的提升以及铁路硬件设施的逐渐完善和服务水平的逐渐提高，铁路渐渐成为了我国人们出行的重要工具之一。铁道交通快速发展，给我国人们的生产生活带来了极大的便利，从而促进了地区之间的经济快速发展，文化的交流与传播。同时，作为列车运行能量来源的牵引供电系统，成为了行业研究课题的热点，并在同相供电、牵引变压器的研究中取得丰硕成果。【1】本文将通过供电方式、变压器、牵引变电所以及保护装置4个方面介绍我国高速铁路的详细情况

5、，然后通过与国外一些国家高速铁路的牵引供电系统做出对比并指出我国高速铁路牵引系统的优点与不足，最后展望我国高速铁路牵引系统的发展方向。2 牵引供电系统发展历程牵引供电系统是电力机车的能源系统，主要由牵引变电所和牵引网组成。牵引变压器作为变电所中的核心元件，其作用是将电力系统提供的电能转换并送至牵引网。同时，牵引网电压水平直接受牵引网供电方式影响。因此，本节主要从牵引变压器、牵引网供电方式两个方面依次介绍牵引供电系统技术发展历程。【1】2.1 牵引变压器牵引负荷为单相负荷且具有随机波动的特点，所以对电力系统而言，牵引负荷是不对称负荷，其产生的负序电流将影响电能质量。另外，牵引变压器容量也随着铁路

6、运量与列车速度的增长而不断增加。因此，牵引变压器的技术发展过程是负序抑制效果逐步提高与变压器容量不断增大的过程。铁路运输早期，运输量小，速度慢，对于能量的要求不高，对于牵引变压器的容量要求自然不高，用单相牵引变压器即可满足容量的要求。同时，单相牵引变压器利用率高，造价低，对于工程建设投资低的优点符合当时的国民经济水平状况。因此，单相牵引变压器是早期铁路供电系统中的常见变压器类型。随着国民经济的快速发展，铁路运输量逐渐增大，对列车速度要求的逐渐提高，单相变压器的容量慢慢难以满足列车运行过程中的能量需求。为了满足铁路对大容量变压器的需求，YNd11接线牵引变压器得到广泛采用。YNd11 接线牵引变

7、压器容量较大、结构简单、制造工艺成熟，且其次边仍保持三相，不但能为接触网供电，同时也能为变电所提供三相电源1。文献10分析了其运行特性。YNd11 接线变压器虽满足了对容量的需求，但它对负序电流却没有抑制效果，影响电网电能质量11。为了改善 Ynd11 接线变压器的负序问题，我国1985 年在京秦线上采用了 Scott 接线牵引变压器，此后在大秦线、郑武线等区段上也广泛运用。Scott 接线变压器具有较大的容量与优良的负序抑制效果。众多研究和实际运行结果表明，Scott 接线变压器能很好地抑制负序电流。但 Scott 接线变压器也具有结构复杂、制造难度大、占地面积大、工程建设成本高的缺点。【1

8、】2.2 牵引网供电方式【1】牵引网供电方式技术发展过程是牵引网供电能力不断增强与其对通信影响不断减小的技术发展过程。为此，我国电气化铁路牵引供电方式主要经历了3 种供电方式: 直接供电方式、吸流变压器 回流线供电方式、带回流线的直供方式和自耦变压器供电方式。我国最初的电气化铁路广泛采用直接供电方式（如图 1所示），由接触网和轨 地直接构成回路。直接供电方式具有结构简单，投资少，维护方便的优点，适合我国当时铁路运量小，线路少，列车运行速度低的基本情况。随着铁路运输量日趋增大且逐渐向平原经济发达地区和城市延伸，直供方式暴露了其对周围通信线路电磁干扰大的缺点。随着铁路运量不断增大和高速铁路及重载铁

9、路的发展，同时具有一定负序抑制效果及较大容量的 V 型接线牵引变压器在新建工程中得以应用。与 Scott 接线变压器相比，V 型接线牵引变压器具有更高的容量利用率、相对较低的制造成本、更少的占地面积及工程投资等优点，因此，V 型接线牵引变压器在我国电气化铁路广泛应用。图1 直接供电方式简图Fig1 Direct feeding system diagram为了减少对通信的影响，国内部分线路开始采用吸流变压器 回流线供电方式，简称 BT 供电方式。（如图2所示）BT 供电方式通过在牵引网上装设变比为1 1 的吸流变压器，使电流通过回流线流回牵引变电所，从而减少对周围通信的影响。但采用 BT 供电

10、方式，又会造成牵引网阻抗增大、供电距离缩短、工程造价高、易造成火花间隙等缺点，这些缺点限制了 BT 供电方式在我国的广泛应用。图2 BT 供电方式简图Fig2 Boost transformer feeding system diagram考虑到直接供电方式和 BT 供电方式的缺点，我国铁路开始广泛采用带回流线的直供方式和自耦变压器供电方式，简称 DN 供电方式和 AT 供电方式，它们不仅具有较强的供电能力和较小的牵引网阻抗，而且还能减轻对周围通信的影响。并且AT 供电方式因为其供电能力强、供电距离大，牵引网压损、能量损失小的特点，广泛应用于我国高速、重载铁路及客运专线。同时，对 AT 供电方

11、式的改进产生了全并联 AT 供电方式，电压损失相对于普通的 AT 供电方式更小，具有更强的供电能力。2.3 本章小结本章首先根据电力机车能源系统的主要组成成分为牵引变电所和牵引网络，而牵引变压器作为牵引变电所的核心元件，供电方式直接影响牵引网的供电电压水平，因此本章主要以牵引变压器和供电方式的逐渐完善的过程来阐述高速铁路牵引供电系统的历史发展进程。变压器作为电力系统的主要谐波来源及其接线问题产生的负序电流造成的负序作用极大地影响着电力系统的电能质量。供电方式的不恰当会对铁路周围的通信线路产生电磁干扰，而良好的供电方式不但会降低对周围通信线路的电磁干扰，还具有抑制变压器负序效果的能力。本章围绕上

12、述指标来展开对牵引变压器和供电方式的逐步完善的历程。3 牵引供电系统简介牵引供电系统主要由牵引变电所和牵引网组成，其中牵引变电所关心的是牵引变压器类型和牵引变电所接线方式的选择，牵引网的电压水平受供电方式影响。同时，牵引供电系统的可靠运行依赖于电气保护配置。因此，本节分别从高速铁路的供电方式、牵引变压器、牵引变电所接线、保护配置这 4 个方面介绍牵引供电系统。【1】3.1 供电方式【2】全并AT供电系统（如图3所示）广泛应用于高速铁路中，全并联AT网是在复线AT网的基础上将上、下行线路在AT处通过横连线进行并联连接，上下行共用自耦变压器。即在原有 AT供电方式中，将所有 AT 所处的上下行接触

13、网、正馈线和钢轨并联连接，并在变电所出口处，上下行线路采用同一馈线供电。图3 全并联AT供电系统示意图Fig. 3 Schematic diagram of all parallel ATpowersupply system图1为全并联AT供电系统的电流分布特性，沿线上的AT将经过钢轨的电流平均分为四部分到上下行正馈线和接触网。正馈线和接触网在电气上具有较强的对称性，因此上行线路和下行线路的电流分布也较为相似。全并联AT供电系统的电流分布可以进一步降低线路中的电流、电压损失和通信线路的电磁干扰。其供电性能优于单线AT供电系统和复线AT供电系统，提高了牵引网的传输线路长度，可以减少线路中的牵引变

14、电所的数量。因此，全并联AT供电方式广泛应用于中国高速铁路。3.2 牵引变压器【1】我国在建和拟建的高速铁路牵引供电系统普遍采用大容量 V/x 接线牵引变压器。V/x 接线牵引变压器接线方式（如图 4 所示），由 2 台单相变压器组合构成，变压器牵引侧一端与接触网相接，另一端与负馈线相接，中间抽头与钢轨相接。V/x接线牵引变压器能够提供一个接地中性点，结构较简单，投资较少，容量利用率高，且对负序电流的抑制效率与 V/v 接线相当，适用于 AT 供电系统。图4 V/x 接线牵引变压器Fig . 4 V /x traction transformer3.3 牵引变电所【1】我国高速铁路供电方式采用

15、大容量 V/x 牵引变电所与 AT 供电方式14（如图 5 所示）。正常运行时，电力系统两路220 kV 进线提供电能，互为热备用。牵引变电所内采用2 台220/2 ×275 kV 牵引变压器，互为备用。图5 高速铁路牵引变电所接线示意图Fig.5 Wiring diagram of high speed railway tractionSubstation3.4 自动保护装置【1】合理的继电保护配置是铁路牵引供电系统安全和稳定运行的保证。高铁的牵引变电所内设置了相同类型的继电保护，只是保护整定值由于牵引网阻抗、机车密度等因素不同而不同。保护的具体配置与电气化铁道所采用供电方式、电气

16、设备、工作环境相关，所以保护种类众多，本节不一一罗列。牵引供电系统与配电网的主要区别在于其单相供电性与负荷波动性，这主要反映在馈线与变压器之上。因此，本节主要介绍电气化保护中的馈线保护与变压器保护。(1) 馈线保护铁路牵引供电系统各个部分的馈线保护配置（如表1 所示）。表1 铁路牵引供电系统馈线保护配置Table 1 Protection relay of railway traction power system牵引变电所馈线设置双重主保护，即阻抗保护和低压启动过流保护; 设置电流增量保护为其近后备保护。同时，馈线的阻抗保护又是越区供电时分区所至相邻变电所之间接触网的远后备保护。AT 分区所

17、设置失压保护的作用是在故障发生时解除接触网馈线与 AT 分区所的电气连接。但是当相邻变电所故障时，即在越区供电下，须在分区所设置段阻抗保护、低压启动过流保护作为越区供电线路的主保护，电流增量保护为其后备保护。AT 所设置失压保护的作用是在故障发生时解除接触网馈线与 AT 所的电气连接。(2) 变压器保护牵引变压器: 设置差动保护作为牵引变压器的主保护，以应对牵引变压器内部绕组相间短路和单相严重匝间短路等内部故障。同时，在变压器一、二次侧设置低压启动过流保护作为变压器的近后备保护，其中二次侧的低压启动过电流保护是27 5 kV 母线的主保护，同时也是馈线保护的远后备保护。牵引变压器还设置了非电量

18、保护，如瓦斯保护、温度保护。此外，在一次侧进线还设置失压保护，以应对电力系统向牵引变电所两路进线电源出现故障。自耦变压器: 设置差动保护为自耦变压器主保护，设置低压启动过流保护为后备保护。同时，自耦变压器还设置了瓦斯保护、温度保护等非电量保护。此外，自耦变压器设置碰壳保护，以应对变压器高压套管绝缘损坏以及引出线碰到变压器外壳上所造成的单相接地故障。3.5本章小结本章通过供电方式、牵引变压器、牵引变电所、自动保护装置对我国铁道牵引供电系统进行了较为详细的阐述。从高速铁路的发展历程中积累经验，目前我国高铁的主要供电方式为全并联AT供电；牵引变压器广泛使用V/X接线变压器；牵引变电所采用220KV两

19、路进线互为热备用，两台牵引变压器互为备用，可靠性高；牵引供电系统的自动保护装载与配电网的不同之处主要在馈线与变压器的保护上是，故本章主要介绍了馈线与变压器的保护配置。馈线采用双重主保护变压器主要采用差动保护。4 国外牵引供电系统4.1 德国【3,4】绝大多数国家的电气化铁路均取电于公用电网，电气化铁路用电都存在电能质量问题而受到电力系统的限制。由于历史的原因，德国高速铁路采用15kV、16 2/3Hz供电，铁路有自营的专用单相15kV、16 2/3Hz的发电厂，给牵引变电所供电，也有部分采用公共电力系统，经电气化铁路的变频站供给牵引网。汉诺威一维尔茨堡高速线由个既有线和个新建的牵引变电所供；电

20、曼海姆一斯图加特高速线由2个既有和3个新建牵引变电所供电。在新建和既有线的联结处，设有分区亭。为高速线供电的既有线牵引供电设备都根据负荷的增加和短路功率的提高进行了加强和现代化的改造。高速线上的新建牵引变电所和配电所都是统一规格的。每个牵引变电所都装有2台15MVA的变压器，实行双边供电，变电所间距约为30km。德国牵引供电系统的模式虽然使用范围有限，但在技术上不失为一种“理想牵引供电系统”，值得借鉴并加以发展，可作为我国的远期规划而加以研究。4.2 日本5,6日本年东海道新干线开通时，采用BT供电方式，变电所间隔20km左右，最大供电电流1000A。但BT供电方式存在很多问题，如在通过接触网

21、电分段时产生很大的电弧，极易烧坏滑板及接触导线，加之牵引网单位阻抗很大，在大负荷情况下磨损很大，牵引网电能损失很大。1972年山阳新干线正式采用日本铁道研究所开发的AT供电方式，在这之后的其他新干线均采用AT供电方式，变电所间距约60km左右，最大供电电流20003000A。无功、负序、谐波的存在是从三相电力系统取电的电气化铁路单相交直系统所固有的三大技术问题。日本的研究和应用较为全面，如可调无功补偿及滤波，三相单相对称变换系统。2002年还投运了基于现代电力电子技术的电压波动补偿装置（Railway Static Power Conditioner，简记RPC）。此外，在高速铁路的运营和管理

22、方面，日本新干线也走在了世界的前列，成功经验值得我国学习和借鉴。4.3 法国7法国TGV高速铁路在东南线第一次采用AT供电方式，运行速度为270km/h，而后大西洋高速线、北方高速线等高速铁路均采用AT供电方式，运行速度均为300km/h。AT变电所间平均距离为90km左右，AT主变压器二次侧绕组中点引出并接地（钢轨），这样可不必在变电所馈线上安装AT，简化了变电所的接线。为了限制电铁对电力系统的负序影响，法国采取了如下措施：（1）牵引变电所由225kV供电，以确保变电所与系统联点有足够的短路容量；（2）所有牵引变电所通过相序轮换接入电力系统；（3）在电力系统薄弱、大密度行车时，单相负荷对系统

23、影响可能超标的牵引变电所，变电所按可以单相与“V”接相互转换设计；（4）电网短路容量不足的地区，牵引变电所设置补偿装置。法国高铁牵引供电系统的特点是设计简化、投资费用较低，我国京津城际客运专线就借鉴了法国模式，实现了最高运行速度350km/h。4.4 西班牙8西班牙电气化铁路牵引供电系统设计中力求尽量简单，牵引变电所的高压输电线路较短，除必要的预留外，变电所的结构简化，接触网结构也采取轻量化，最终确定了带回流线的直接供电方式，主变压器采用单相接线，因为沿线有较密集的国家高压电网，这就为直接供电方式提供了很好的外部电源条件。马德里一塞维利亚高速铁路采用了Re250型接触网，通过车站和变电所附近的

24、隔离开关实现并联供电。由于上下行负荷随坡度和加减速度频度的不同而有很大差别，并联运行不仅使牵引网电能损耗和压降达到最小，并能充分利用接触网的热容量。由于西班牙AVE型列车采用了交一直一交传动方式，采用0.98的平均功率因数可得出28km的最大供电臂长度。由于牵引变压器采用单相接线，必然会对电力系统造成一定的不平衡影响。西班牙规定电压不平衡度长期不大于1.5%，短时不超过2%。4.5 韩国【9】韩国京釜高速铁路全长412km，设计最高速度为350公里/小时，运营的最高速度为300公里/小时。牵引供电系统采用AT供电方式，设有牵引变电所、自藕所、开闭所和分区所，各所均与电力配电所合建，不设独立的所

25、用变压器。全线共设有9个牵引变电所，牵引变电所、分区所、AT所均设AT，AT变间距810km。变电所实行牵引供电与电力供电合建形式，设三绕组变压器，变压器安装容量为2x(120+4)MVA，近期单台运行，100%备用，在相邻所故障解列情况下，可实现两台主变压器的并联运行。牵引变电所预留位置，远期可增设第三台主变压器。牵引变电所采用154KV两路电源进线，牵引变压器容量为120MVA，Scott。接线，高压进线及馈线侧154kV和55kV开关设备均采用室外高压组合电器(GIS)设备，采用无人值班方式。4.6 本章小结本章介绍了国外一些发达国家的牵引供电方式，并总结了一些值得我国借鉴之处。德国高速

26、线牵引变电所与配电所规格一致，两台变压器双边供电，值得作为我国远期规划的研究方向；日本采用的AT供电方式具有一定的局限性，但其对于高速铁路的运营管理方式值得学习；法国采用高电压供电并通过变电所相序轮换接入系统等方式来抑制负序影响，设计简单，投资低；西班牙牵引供电系统较为简答，密集的国家电网线为其直接供电方式带来方便；韩国牵引变电所采用无人值班模式是未来我国研究的重要方向。5 总结与展望5.1 总结铁路运输量与列车运行速度的不断上升，线路建设逐步延生至中小城市，对铁路牵引供电系统也提出更高要求。【1】如何让铁路牵引供电系统达到一个更高的要求已经成为了研究的热点问题。研究的方向涉及很多方面，比如：

27、耐磨性能更强，导电能力更好的接触线和受电弓材料，减少受电弓的频繁的更换；变电所接线更为简单，使用变压器台数更少，电分段、电分相更少的供电方式；同相供电系统中的无缘对称补偿技术和基于有源滤波器的平衡变换技术。4.2 展望目前，全球许多国家都在研究开发无线电力传输技术，探索无线电力传输系统在不同领域的应用，致力于将其实用化。【12】无线电力传输技术作为新兴的科技产物，慢慢地融入了人类生产生活的各个领域。在铁道牵引供电系统中，无线电力传输技术具有很有的潜力。其物理结构的非接触性可以让高铁牵引供电系统的很多问题迎刃而解，如：接触线与受电弓的接触问题，由摩擦带来的损耗问题，受电弓经常更换的成本问题等等。因此，无线电力传输技术是很有前景的新技术，将会给高速铁路牵引供电技术带来一次全新的开始。参考文献：1 何洋阳.轨道交通牵引供电系统综述A2016年2月第13卷第二期.铁道科学与工程学报.2 钱清泉.中国高速铁路牵引供电关键技术A2015年第17卷第4期.中国工程科学.