交流電氣化鐵路牽引供電分析

1、<p>　　交流電氣化鐵路牽引供電分析</p><p>　　摘要：鐵路和電力同為國家的重要基礎(chǔ)設(shè)施，電氣化鐵路的發(fā)展與其供電系統(tǒng)密不可分，尤其是在高速鐵路中，重視鐵路牽引供電技術(shù)及應(yīng)用對于現(xiàn)實(shí)生活中具有重要的意義。本文就此闡述交流電氣化鐵路牽引供電。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：電氣化；交流；鐵路；牽引供電 </p><p>　　中圖分類號(hào)： F407

2、文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： </p><p>　　1、牽引供電系統(tǒng)概述 </p><p>　　1.1牽引供電系統(tǒng)能量來源 </p><p>　　我國電氣化鐵路取電于國家公用電網(wǎng)，外部電源是高速列車所需能量來源，它在牽引變壓器作用下實(shí)現(xiàn)了將電力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)變成牽引供電能量。一般普通鐵氣化路，牽引變壓器工作電壓為110KV，但高速鐵路牽引變電所需要外部電源電壓為220K

3、V，目的是使高速鐵路在供電電能提供上有安全可靠外電網(wǎng)保障。 </p><p>　　1.2牽引供電系統(tǒng)核心 </p><p>　　對于整個(gè)牽引供電系統(tǒng)來說，牽引變電所作用如同人的心臟。牽引變電所把電力系統(tǒng)傳送來的電能，根據(jù)對電壓和電流不同要求，轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用于電力牽引的電能，再分別饋送到鐵路軌道上空架設(shè)的接觸網(wǎng)上，列車通過受電弓取電而產(chǎn)生牽引動(dòng)力。在一條電氣化鐵路沿線上有多個(gè)牽引變電所，它們之間

4、距離大約為40Km到50Km，并且每個(gè)牽引供電所設(shè)置二臺(tái)牽引變壓器，采用雙電源供電，提高了供電可靠性。牽引變電所中，最主要設(shè)備當(dāng)屬牽引變壓器，因牽引供電需要，牽引變壓器與一般變壓器有較大差別，采用接線方式有三相Yd11接線、單相V/V接線、三相-兩相斯科特接線等。牽引變壓器將電力系統(tǒng)高電壓降低至適合列車運(yùn)行的電壓等級，還起著將三相電轉(zhuǎn)換為單相電功能。牽引變電所除了牽引變壓器之外，還包括與牽引變壓器配套的其它設(shè)備，如高壓斷路器、隔離開關(guān)、

5、電壓電流互感器、高低壓開關(guān)柜、全封閉組合電器、電容補(bǔ)償裝置等。 </p><p>　　2、電氣化鐵路電能質(zhì)量問題 </p><p>　　由于牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特殊性和負(fù)荷在時(shí)間、空間上分布隨機(jī)性，造成了電力系統(tǒng)三相嚴(yán)重不平衡。電氣化鐵路普遍存在著電能質(zhì)量問題，因而受到電力系統(tǒng)限制。電氣化鐵路影響電力系統(tǒng)主要電能質(zhì)量指標(biāo)有：諧波電流、功率因數(shù)、負(fù)序電流。高速鐵路動(dòng)車組采用大功率交直交牽引傳動(dòng)系

6、統(tǒng)，性能良好，功率因數(shù)大幅提高，接近1。諧波電流含量也下降較大，可等同為在既有交直牽引供電系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了高效有源電力濾波器。但高速動(dòng)車組列車由于牽引電機(jī)功率大幅增加，負(fù)序電流更為明顯。 </p><p>　　3、理想牽引供電系統(tǒng) </p><p>　　理想牽引供電系統(tǒng)是電氣化鐵路在從電力系統(tǒng)取電同時(shí)，把其產(chǎn)生的對電力系統(tǒng)干擾隔離出來，也就是說，該系統(tǒng)要把電能質(zhì)量控制在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)允

7、許范圍內(nèi)。為使電能質(zhì)量達(dá)標(biāo)，可考慮在牽引變電所內(nèi)采取措施，解決負(fù)序電流問題，同時(shí)在鐵路牽引網(wǎng)使用統(tǒng)一電壓供電且取消接觸網(wǎng)電分相。 </p><p>　　3.1理想牽引供電系統(tǒng)構(gòu)成 </p><p>　　時(shí)代進(jìn)步造就了大功率電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，而且由于功率半導(dǎo)體器件集成水平、容量大幅提高，同時(shí)價(jià)格不斷下降，這就為解決電力系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)在電能質(zhì)量上存在的矛盾與鐵路自身電分相提供了新思路，

8、同時(shí)在裝備與技術(shù)方面提供了可能。我們可借鑒一下德國模式，在牽引變電所通過三相交流與直流和單相交流全變換方式下實(shí)現(xiàn)同相供電，利用直流環(huán)節(jié)隔離與轉(zhuǎn)換作用，構(gòu)造獨(dú)立于公用電網(wǎng)的供電網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)椴捎萌儞Q，并且三相負(fù)荷平衡，并不存在著負(fù)序問題，而且鐵路供電臂取消了電分相，變電所之間能進(jìn)行潮流調(diào)度，變壓器負(fù)荷率和容量利用率都能得到極大提高。牽引變電所取電是在三相電力系統(tǒng)，牽引饋線要增加斷路器和一些相關(guān)保護(hù)，我們可仿單相牽引變電所饋線來實(shí)現(xiàn)，各個(gè)斷路

9、器對應(yīng)著不同故障區(qū)間，分區(qū)所斷路器一般都是閉合的，這樣可以實(shí)現(xiàn)牽引網(wǎng)貫通與供電。 </p><p>　　3.2理想牽引供電系統(tǒng)限制因素與解決方案 </p><p>　　限制理想牽引供電系統(tǒng)因素是國外電力電子器件依舊比較昂貴，而且經(jīng)濟(jì)性也較差，但隨著國產(chǎn)化進(jìn)程和技術(shù)迅速發(fā)展，元器件成本將會(huì)大幅下降?，F(xiàn)在按照同相供電裝置容量折算為1000元/KVA來計(jì)算，每20MVA變電所需要增加2000萬元

10、。推廣理想供電系統(tǒng)的一些建議：首先，我們應(yīng)通過工作備用，而節(jié)省不必要場地所需及固定備用設(shè)備投資；其次，因避免了電分相從而使列車運(yùn)行變得更平滑，同時(shí)節(jié)省了自動(dòng)過分相日常維護(hù)費(fèi)用和一次投資；再者，因牽引變電所容量降低可節(jié)省固定容量電費(fèi)，按每個(gè)月固定容量電費(fèi)為15元/kvar來計(jì)，降低一個(gè)容量等級而節(jié)省電費(fèi)數(shù)目是很可觀的；然后，電子器件（如IGBT、IGCT）和集成產(chǎn)品越來越普及，尤其是國產(chǎn)化后，它們單價(jià)會(huì)大幅度下降，會(huì)更有助于理想牽引供電系

11、統(tǒng)推廣；最后，可以減少鐵路部門由于電能質(zhì)量問題與公共電網(wǎng)運(yùn)營商產(chǎn)生糾紛或受罰。當(dāng)前被罰款主要原因是功率因數(shù)問題，不過今后也很難排除會(huì)由于諧波干擾、負(fù)序電流而造成電能質(zhì)量罰款事件。 </p><p><b>　　4、同相供電系統(tǒng) </b></p><p>　　為降低負(fù)序電流影響，要把供電臂相位依次接入電力系統(tǒng)三相中的某一相，也就是換相，這樣沿線供電臂將使用不同相位電壓進(jìn)

12、行供電，在分區(qū)所處需設(shè)置電分相裝置。電分相是列車運(yùn)行、尤其是高速列車運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)，完成同相供電是提高列車平穩(wěn)舒適性和安全性的有效方法?，F(xiàn)行供電方式存在問題的最有效解決方法就是在牽引變電所采取以負(fù)序、無功補(bǔ)償為核心的對稱補(bǔ)償技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)同相供電，也就是全線用同一相位單相電壓來供電。它與單相牽引變壓器有一點(diǎn)是一樣的，可以避免在牽引變電所出口使用電分相?？紤]到同一電力系統(tǒng)不同進(jìn)線處系統(tǒng)短路容量也不同，進(jìn)而承受負(fù)序電流能力也不同。為了減少不

13、必要的設(shè)備浪費(fèi)和投資，可將同相供電系統(tǒng)中的變電所分成三種:不補(bǔ)償，僅僅用牽引變壓器；半補(bǔ)償，對于補(bǔ)償負(fù)序要有適度要求；全補(bǔ)償，要求實(shí)現(xiàn)對稱補(bǔ)償，尤其對負(fù)序有較強(qiáng)抑制能力。 </p><p>　　根據(jù)不同接線，在變電所進(jìn)行對稱補(bǔ)償時(shí)，有一些技術(shù)上難度。按理論上，當(dāng)功率因數(shù)是1，同時(shí)只補(bǔ)償負(fù)序的時(shí)候，最小全補(bǔ)償容量與牽引負(fù)荷功率相等。實(shí)現(xiàn)對稱補(bǔ)償方式有兩種:一種是無功補(bǔ)償方式，它既可以無源（SVC裝置）同時(shí)也可以有源

14、（SVG裝置），主要采用平衡變壓器進(jìn)行最優(yōu)補(bǔ)償，如Scott接線方式，同日本不等邊Scott接線方式不同，這種變壓器次級繞組匝數(shù)n1與變壓器次級繞組匝數(shù)n2相等，當(dāng)全補(bǔ)償時(shí)，負(fù)序電流為0，取消變電所出口電分相。它的缺點(diǎn)是電力系統(tǒng)任一相電壓或線電壓無法與供電臂電壓U同相，也就是無法與相鄰變電所對應(yīng)相電壓(如YN，vd接線)或線電壓(如單相接線、V/V接線)的供電臂實(shí)現(xiàn)同相，供電臂有再生反饋電流通過之時(shí)補(bǔ)償要反性。此種補(bǔ)償對每種接線方式能不

15、能適用要做具體分析；另一種為有源補(bǔ)償模式，采用變電所平衡接線變壓器與潮流控制器(PFC)相配合。當(dāng)功率因數(shù)為1時(shí)，PFC提供一半牽引負(fù)荷有功功率即可消除負(fù)序。它的優(yōu)點(diǎn)是供電臂電壓可與電力系統(tǒng)相電壓或線電壓設(shè)置成同相，也就是可以與其他V/V接線或單相變電所實(shí)現(xiàn)輸出電壓同相。供電臂有再生反饋電流時(shí)，PFC向電力系統(tǒng)發(fā)送一半再生功率。當(dāng)所有牽</p><p><b>　　結(jié)束語 </b></

16、p><p>　　當(dāng)前，我國正在全力以赴地進(jìn)行快速鐵路相關(guān)技術(shù)的研究開發(fā)和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。相信隨著我國快速鐵路建設(shè)的發(fā)展和自主創(chuàng)新力度的加大，我國電氣化鐵路的牽引供電技術(shù)一定會(huì)有更快更大的發(fā)展，達(dá)到更新更高的水平。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　?。?］李群湛，賀建閩．牽引供電系統(tǒng)分析［M］．成都:西南交