电气化铁路牵引供电系统技术研究

杨桂林

[摘    要]主要就电气化铁路牵引供电系统展开研究。牵引供电系统目前在设计过程中依然存在较多问题，这些问题若不能有效解决，不仅将会导致供电系统出现运行问题，同时也会干扰其供电效率，威胁电气化铁路运行的可靠性及安全性。通过全新的解决策略，可以更好地对供电系统中存在的谐波、无功等问题提出解决措施，以便能够实现全面调整。解决供电技术问题，并提出合理的改进措施，对铁路牵引供电系统进行深刻分析，以促进我国铁路电气化发展。

[关键词]电气化;牵引供电;谐波

[中图分类号]TM64;U226.5 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）01–0–03

[Abstract]This article focuses on the research of electrified railway traction power supply system. There are still many problems in the design process of traction power supply systems. If these problems are not effectively resolved， they will not only cause operational problems in the power supply system， but also interfere with its power supply efficiency and threaten the reliability and safety of the operation of electrified railways. Through a brand-new solution strategy， it is possible to better propose solutions to problems such as harmonics and reactive power in the power supply system， so as to be able to achieve comprehensive adjustments. Solving power supply technical problems， proposing reasonable improvement measures， and conducting a deep analysis of the railway traction power supply system will provide effective assistance to the development of railway electrification in my country.

[Keywords]electrification; traction power supply; harmonics

電气化铁路牵引供电系统对于铁路的稳定运行具有非常重要的实际作用，通过供电系统的安全运行，不仅能够为电气化系统的运作提供保障，同时还可以解决以往在运行过程中出现的各种问题。在铁路牵引供电系统研究中，牵引供电方式以及电力机车性能不断改善，但仍有一部分问题需要解决。通过现有问题的挖掘以及分析，找出解决方案，保障整个行车的安全性、有效性。

1 电气化铁路牵引供电系统主要运行方式

牵引供电系统是将交流中压电压经降压整流变成27.5 kV交流的电压，为电力机车提供牵引供电。牵引变电所可以分成牵引变电所、分区所、AT所。牵引变电所进线侧配电装置大多数采用室外中型布置，也有少量的采用GIS或PASS（半GIS）设备室内布置，作为试点京雄牵引所采用了GIS布置。

1.1 供电电压

就电气化铁路供电牵引系统进行分析，在供电电压中，需要按照我国电网的基本设定，确保整个电压能够使用50 Hz交流制。一般而言，电网输出110 kV、220 kV、330 kV电压实现变电站供电的目的。此外，在牵引变电站中，还可以利用变压器降压的方式进入铁路系统的接触网，从而为实现电气化铁路提供全新的能源以及基础。供电系统为电气化铁路提供的标准电压为25 kV。显而易见，该电压具备稳定性的优势。在该系统中，使用配套的基础网、电气化铁路等设备标准电压同样设定为25 kV。在以往我国使用的外部电压上限为110 kV，直至哈尔滨至大连铁路修建结束后，我国开始修建220 kV铁路线。因此，我国修建的铁路后续以220 kV外部供电为主。

1.2 接触网

接触网主要为电气化铁路提供相应的电压以及电流，完成交流供电。因此，电气化铁路通过接触网，能够获得其运行的必要能源，接触网供电方式多种多样，包含了直接供电、直供回流以及BT供电等。我国电气化铁路一般采用BT供电，随着越来越多的铁路使用BT供电系统后，我国电气化铁路改为AT供电模式。与BT供电模式相比，AT供电模式更快捷，且供电速度、效率能够符合铁路化电气化发展。

1.3 牵引供电系统模式

在牵引供电系统模式中，我国大部分高速铁路使用的牵引系统一般包含了变电站以及接触网两大部分。二者通过全新的配合进行运作，保障整个供电系统平稳运行。此外，变电站为供电系统提供全新的运行保障，其主要职能将电网中的高压电转化为能与电气化铁路相适应的电压。经过以上操作后，变电站还应将转换过的能源输入接触网，为电气化铁路的运行提供全新动力。对变电站的设备种类进行分析，变电站设备种类极为丰富，例如变压器、继电器等。而牵引系统的供电模式对于电气化铁路的运行速度以及承载能力具有直接联系，可以确保牵引系统稳定供电，保障铁路线路能够精准运行。

2 电气化铁路牵引供电系统的特征

2.1 系统特殊性

在系统特殊性中，包含了系统自身特殊性以及系统安全管理。

例如，在系统特殊性中，电气化铁路牵引系统可以将三相电力设备输入电能耗，利用变压换流等方法，为电气化铁路提供稳定的电能，确保电气化铁路设备能够发挥自身的基本作用。在单向交流模式中，我国电气化铁路牵引系统使用较为广泛，从系统的特殊性分析，可以包含以下内容。

（1）电气化铁路牵引系统原为单相，但公路电力为三相。因此，这就要求变电站具备非对称的特性。

（2）牵引供电系统的方式与机械设备的类型较多，在该条件下，等效的供电模型则较不适用。

（3）牵引系统中钢轨不仅能够为电气化列车提供全新能源，还能够有回流线并联，实现导电的目的。在供电系统中，由于其运行处于多样化的环境，因此这就要求通用的求解模式能够适应于多样化的环境。但一般的求解模式无法套用，这就导致供电系统存在一定的特殊性。

（4）而在系统安全管理中，在一般情况下电气化牵引供电系统在运行过程中若产生问题，将会对列车日常运行以及乘客的安全造成严重影响。为了避免问题发生，导致铁路出现运行风险，就需要对系统进行安全管理。

例如，列车运行速度通常为200 km/h，这就很容易导致电气系统故障出现。因此，为了避免出现不可挽回的后果，我国电气化铁路使用无人值班的方式，结合智能性以及自动性。但无人值班若出现牵引供电系统故障，或在特殊情况下，有可能对故障无法进行及时修复调整。因此，通过数据分析可以发现系统中的部分故障，不仅由于设备自身不足，还有可能由设备过度使用所造成。因此，完善电气化铁路管理体系，对相关人员进行集中培训，采用人工+智能的方式，可以避免系统出现故障，保障乘客生命安全。因此，加固系统的安全管理具有非常重要的实际作用。

2.2 高次谐波对于供电系统的影响

（1）对于设备部件会造成一定程度的损耗，影响电网正常运行。在部分情况下，甚至会对设备造成严重的负面影响。

（2）高次谐波还会对设备的自动性以及继电保护产生一定的干扰。例如，会导致继电保护造成误动，影响电网的安全性与稳定性。

（3）高次谐波会对电气测量仪表的精准度造成干扰，影响设备自身的容量、能量。此外，对于变压器的运行还会导致电网的波动，铁路部门相关技术人员必须降低高次谐波对于供电系统功能的影响。

3 电气化铁路牵引供电系统常见问题分析

3.1 无功功率

无功功率是牵引供电系统的常见问题，由于电力机车属于一个随机变化特性的感性负载。因此，它的基波电流会滞后，使电压存在一定的滞后性。无法及时、精准地进行反馈，由于变电器牵引电机设备、非线性电子电力器件非线性调节作用，会导致机车电流中包含大量的不对称分布，这些不对称分布为谐波成分。牵引负载功率较大、时间以及空间分布性较强、三相不对称等特点，均有可能导致牵引供电系统成为电力系统中的无功源。且供电系统中的无功功率对供电线路、变电设备以及其他设备而言，会导致发热程度增加。而对于无功功率，会使电流增大的问题，也会导致发电机变压器等其他设备出现一系列的运作问题，导致送电设备出现一系列的问题。

3.2 负序电流

在负序电流中，我国电气化铁路通过三相电力系统，经牵引将变压器设定为110 kV，电压降低至27.5 kV，在牵引网以及电力机车中进行单向供电。因牵引电变压器不对称的固定方式，会对整个电压系统造成负序电流冲击，从而使整个供电设备产生一系列的危害。例如，会导致发电机转子升温，引起一系列的问题，如振动变压器能耗损失增多等，对于铁心磁路会产生附加发热、输电线路能量损失增多等问题。降低线路的输送能力，继电器保护与自动装置负序参量启动元件物动作增多等。

3.3 谐波电流

在谐波电流中，谐波电流对于整个电力系统所产生的问题已然引起我国铁路重视。例如，其主要出现在以下方面。

（1）谐波会导致公共网络中的元件损耗加剧，降低用电、输电、发电设备的效率。此外，斜波还会导致线路过热，引发火灾。

（2）谐波会导致各种电气设备无法正常运作，对电机造成影响。此外，除增加损耗外，还会引起机械振动、噪声以及电压，使变压器电缆等电力设备产生过热、绝缘、老化等影响。

（3）谐波会使整个公共电网中产生的局部谐振与串联谐振结合，从而使谐波放大，危害更加突出。

4 电气化铁路牵引供电系统问题对策

4.1 无功功率解决方案

（1）提高机车的功率因数。在机车上，配备正确的功率运输装置并进行校准。

（2）在交、直、交机车上，整个环节流程采用四象限整流器PWM，可以使机车输入电流机波以及电压相同，消除整個功率因素问题。

（3）对于机车产生的无功功率，可以采用就近补偿的方法，通过牵引变电将有源、无源二者结合，通过混合补偿的方式完成调整。

4.2 负序电流解决方案

（1）通过全新的补偿方法，如通过STATCOM补偿方式，对负序电流系统进行调整。与常规的补偿方式相比，STATCOM补偿方式速度极快，且工作效率较高，谐波输出含量较小。在应用过程中，可以有效适应负荷率要求，具备极佳的应用效果。在两相结构的STATCOM中，可以实现有功功率、无功功率四象限控制，对变电的两供电臂进行无功动态补偿，调节两供电臂的有功潮流，使负荷能够实现动态平衡。

（2）针对于牵引变电所的电源，对其电源等级进行统一设定。例如，对整个电源等级统一采用220 V，且220 V由于电网供电能力较高，负序电流的问题可以得到有效缓解。

（3）对牵引变电所进行换向连接，减轻进入电力系统的负序分量，不同阶段的牵引变电所可以实现换向连接。

（4）对变电站安装同期调相机，整个调相机可以承受较大的负蓄电流，使复续抗阻较低，具备良好的防震性。

4.3 谐波电流解决方案

（1）避免电容器放大谐波。可以有效改变电容器中的串联电抗器，将电容器组的支路改为滤波器，可以对电容器的投入量进行有效限定，防止电容器在运行过程中对谐波进行放大，保证电容器组的有效运行。

（2）对于谐波源的配置以及工作方法。若装置对于谐波具备互补性，可以对谐波进行集中，否则应将其分散或交替使用。对于产生大量谐波的工作方式，应适当限制。

（3）运用多种化技术，完成交流器的联合使用，使用多个方波进行叠加，以消除低频率谐波。

（4）谐波叠加注入，可以利用三次倍数的谐波与外部具备三次倍数的谐波源，将整个谐波叠加至矩形谐波上，可有效降低出现的谐波，解决谐波出现的危害，使铁路运行系统能够更加高效。

4.4 三相平衡解决方案

根据三相平解决方案进行分析，很多问题由牵引供电系统三相不平衡导致。要想缓解这些关键问题，可以采用相序轮换三相轮换技术，确保牵引供电系统公共接入点能够完成三相平衡。在此方案的基本解决思路中，可以沿铁道线路，将接触网分为若干供电区域，并通过各自组成部分以及电力系统三相供电体系，实现负载平等。且由于功率因数相等，电力系统的三相电流便可以达到平衡状态。因此，通过对电力铁路供电系统相关问题进行分析，并提出解决方案，可以解决目前铁路牵引供电问题并实现合理的改进。通过多样性的解决措施，解决目前出现的不足，完成更新探索。在我国铁路未来发展中，通过人员技术强化、新设备、新技术的引进，铁路电气化会积累更多的经验，找出发展途径。

5 结束语

电气化牵引供电系统是铁路电气化运行的动力，因此其运行情况在一定程度上不仅决定着铁路电气化的走向，同时还对于电车的运行稳定性以及安全性有直观作用。在研究中，技术人员应增强铁路电气化牵引供电系统的分析研究，并通过必要措施，对牵引供电系统进行管理，提升工作人员的专业水准。使用新型技术与理论，使整个供电系统达到安全性、稳定性，进一步促进电气铁路化系统的高效发展以及进步。

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