高速电气化铁路牵引供电方式的

【摘 要】本文主要对高速铁路牵引供电系统供电方式的类型和牵引变压器的接线形式进行了分析,并对高速铁路的牵引供电系统供电方式和牵引主变压器的接线形式设计提出一些参考性建议.

【关 键 词】高速铁路；供电方式；牵引变压器；牵引供电

与普通铁路一样,高速铁路的牵引供电系统是高速铁路系统的重要组成部分之一.对高速铁路,如何更安全、更可靠地运行,同时满足高速动车组的持续载重运行以及高密度运行的要求,相比普通铁路,需要更多新的观念、新的装备设施和技术.

1.牵引供电系统供电方式的探讨

1.1常用的牵引供电系统供电方式

牵引供电系统的电流制发展经过了直流制、低频单相交流制和工频单相交流制三个阶段.自从1950年法国试建了第一条25kV的单相工频交流电气化铁道以来,由于这种电流制的优越性比较明显,世界大多数国家包括我国的电气化铁路都普遍采用这种电流制.单相工频交流25kV的电气化铁道牵引供电方式主要有直接供电方式、带回流线的直接供电方式、AT供电方式和BT供电方式4种.

1.1.1直接供电方式

直接供电方式是一种最基本最简单最早的供电方式,由于该供电方式具有馈线回路设备简单、投资省、运营维护方便,对简化设备、提高供电可靠性、增强技术指标及使得牵引变电所和牵引网结构简单具有极大的现实意义,因此,在我国电气化铁路干线上得到广泛采用.但是,直接供电方式,对邻近线路的通信干扰严重,钢轨电位比其它方式要高.

1.1.2带回流线的直接供电方式

为了克服直接供电方式通信干扰严重,在结构上增设了与轨道并联的架空回流线,组成带回流线的直接供电方式.这种供电方式,钢轨对地电位和对通信线路的干扰有所改善,同时,牵引网的阻抗降低,牵引网的电压损失减少,供电距离增长.

1.1.3BT供电方式

在牵引网中,每隔1.5～4km设置一台变比为1：1的吸流变压器,吸流变压器的原边绕组串接在接触网中,次变绕组串接在回流线中,在相邻两吸流变压器之间,用吸上线将回流线与钢轨连接起来,这样,牵引电流通过电力机车后从回流线返回牵引变电所,BT供电方式的电磁兼容性好,很好的解决了电磁干扰问题,它曾在我国电气化工程中被采用.但由于在接触网中串接吸流变压器,受电弓在通过接触网关节时易拉弧,而且,当系统过负载时,BT产生的激磁电流会急剧增大,对通信线路造成严重影响,由于吸流变压器的引入,使牵引网阻抗增大,供电臂压降增大,牵引变电所的供电局李缩短,因此BT供电方式在最近十年的电气化铁路建设中已不采用.

1.1.4AT供电方式

牵引变电所二次侧55kV的电压接到接触网和正馈线上,在供电臂中每隔大约10km左右设置一台自耦变压器,自耦变压器的两端分别接在接触网和正馈线上,中点抽头与钢轨相连,正馈线与接触网架设在同一支柱上,机车中流过I大小的电流时,正馈线与接触网中流过大小相等、方向相反的I/2的电流,因此,AT供电方式是电气化铁道减轻对临近通信线路干扰的有效措施.自耦变压器供电方式的牵引网阻抗很小,约为直接供电方式的1/4,因此电压损失小,电能损耗低,供电能力大,供电距离长,可达40～50km.由于牵引变电所间的距离加大,从而减少了牵引变电所数量,也减少了电力系统对电气化铁路供电的工程投资.对牵引供电系统有较好的技术经济指标.它被广泛应用于欧美等先进国家的高速、重载、大电流或繁忙于线中.

随着新世纪高速铁路在中国和世界上不少国家的推广和发展,AT供电方式牵引变电所以其技术经济的整体优势,将得到进一步采用.我国在20世纪80年代初成功的从日本引进AT供电技术,实现了设备成套的国产化,并被成功地应用于石武、京津、京沪、武广、郑西、石太、京石、合武等客运专线、侯月和神朔等重载或繁忙干线,积累了丰富的经验.

1.2国外高速铁路的牵引供电方式

1964年,日本东海道新干线建成世界第一条高速铁路,运行速度达210km/h,高速铁路从无到有.国外高速铁路已有近9200km,列车运营速度已达300km/h以上,其中德国（ICE系列）、法国（T）和日本（新干线）3个高速铁路发达国家代表了当今世界各国的轮轨高速电气化铁路发展的先进模式,他们的牵引供电技术较成熟、可靠.

从国外已经运营和正在建设的高速铁路来看,电力牵引采用工单相工频交流25kV牵引制、最高运行速度为300km/h及其以上的高速铁路中,全部采用的是AT供电方式,这种方式也适合我国的实际情况.

2.牵引变压器接线形式的探讨

2.1牵引变压器的接线型式

牵引变压器是牵引变电所里的关键设备,它的接线型式比较多,如纯单相接线、单相V,v接线的单相牵引变压器、三相YN,d11接线的三相牵引变压器,斯科特接线和阻抗匹配平衡接线的三相—两相牵引变压器等.牵引变压器类型的选择应综合考虑电力系统容量、安装容量与基本电价、牵引负荷对电力系统的负序影响、以及容量利用率等因素.

2.1.1单相牵引变压器

纯单相接线：牵引变压器的原边跨接于三相电力系统中的两相；副边一端与牵引侧母线连接,另一端与轨道及接地网连接.牵引变压器的容量利用率为100%,但其在电力系统中单相牵引负荷产生的负序电流较大,对接触网的供电不能实现双边供电.所以,这种结线只适用于电力系统容量较大,电力网比较发达,三相负荷用电能够可靠地由地方电网得到供应的场合

单相V,v接线：将两台单相变压器以V的方式联于三相电力系统.两变压器次边绕组,各取一端联至牵引变电所两相母线上.而它们的另一端则以联成公共端的方式接至钢轨引回的回流线.这时,两臂电压相位差60o接线,电流的不对称度有所减少.这种接线即通常所说的60o接线.它的容量利用率为100%,在正常运行时,牵引侧仍为三相,可以供给所内自用电以及地区三相负荷,变电所的设备少、投资省,牵引网看我实现双边供电.2.1.2YN,d11接线的三相牵引变压器

三相YN,d11接线牵引变压器的高压侧通过引入线按规定次序接到110kV或220kV的三相电力系统的高压输电线上；变压器低压侧的一角c与轨道,接地网连接,变压器另两个角a和b分别接到27.5kV的a相和b相母线上.由两相牵引母线分别向两侧对应的供电臂供电,两臂电压的相位差为60o,也是60o接线.因此,在两个相邻的接触网区段间采用分相绝缘器.容量利用率为75.6%,原边采用YN接线,中性点接地方式与电力系统相适应,变压器结构简单,造价低,运用技术成熟,供电安全、可靠,牵引侧仍为三相,可以供给所内自用电以及地区三相负荷,牵引网看我实现双边供电.

2.1.3三相—两相牵引变压器

斯科特接线：实际上也是由两台单相变压器按规定连接而成.一台单相变压器的原边绕组两端引出,分别接到三相电力系统的两相,称为M座变压器；另一台单相变压器的原边绕组一端引出,接到三相电力系统的另一相,另一端到M座变压器原边绕组的中点O,称为T座变压器.这种结线型式把对称三相电压变换成相位差为90o的对称两相电压,用两相中的一相供应一边供电臂；另一相供应另一边供电臂.

阻抗匹配平衡接线：副边绕组三角形结线结构即在非接地相增设两个外移绕组.内三角形接线的一角c与轨道,接地网连接.两端分别接到牵引侧两相母线上.由两相牵引母线分别向两侧对应的供电臂牵引网供电.

2.2高速电气化铁路牵引变压器的接线型式选择

在高速铁路牵引变压器接线形式选择方面,日本国内五条新干线均采用三相——两相平衡变压器,法国国内四条高速铁路主要采用纯单相牵引变压器,部分采用单相V,v变压器,德国国内两条高铁也采用纯单相牵引变压器.

3.我国高速铁路供电系统可选择方案

3.1我国高速铁路牵引供电方式的选择

高速铁路与常规电气化铁路相比,主要有两个方面的不同：一是列车速度高,本线设计速度最高为350km/h；另一方面是列车电流大,为维持列车的高速运行,列车必须具备较大的牵引功率及牵引电流.

在高速铁路采用AT供电方式,不仅很大程度减少了电分相的数量,保证列车的高速运行,而且可在一定程度上降低对接触网载流量的要求和减轻牵引网电流密度,有利于接触网的轻型化和系统匹配的设计.

因此,参考国外高速铁路的牵引供电方式,从统一技术的角度考虑,我国高速铁路的正线采宜用AT供电方式,枢纽地区内的中高速联络线、动车组的走行线、动车段采用带回流线的直接供电方式或直接供电方式.

3.2我国高速铁路的牵引变压器接线形式建议

我国高速铁路负荷特点主要体现为：机车功率越来越大,时速350km/h机车功率可达20000kW；行车密度越来越高,最小行车间隔已达3分钟；牵引供电质量要求越来越严,牵引电压范围为22.5kV～27.5kV；机车运行带电率高,几乎达0.9.了满足高铁的供电要求,要求牵引变压器有足够大的安装容量,纯单相接线已经不能满足要求,可以考虑线单相V,v变压器、斯科特变压器、阻抗匹配平衡变压器.三相YN,d11接线由于容量利用率低,过载能力小,为满足高铁负载的要求,必须增大安装容量,造成运营费用增加,一般不作为高铁牵引变压器.