福州—长乐机场城际铁路同相供电方案研究

侯 峰

0 引言

电气化铁路存在的过分相和电能质量问题不仅严重限制了城际铁路的发展，同时引起了地方供电公司和城际铁路建设方在电能质量问题上的分歧。该分歧导致地方供电与城际铁路之间互相影响制约，对双方的发展均不利，同时大大影响了地方经济的发展。

针对上述问题，借助现代电力电子技术和控制理论，实现城际铁路同相供电及更高层次的贯通供电是较为理想的解决方案。

1 存在问题

我国现行电气化铁路供电系统及其技术在实现高速、大功率电力牵引时存在以下突出问题[1]： （1）过分相问题。牵引供电系统中牵引变电所和分区所均设电分相，变电所处为异相过分相，分区所处为同相过分相。过分相机电过程复杂，自动过分相装置结构复杂、动作频繁、寿命短、可靠性低，其依然是目前需要攻克的技术难题之一。同时，牵引变电所处自动过分相失败会造成异相短路。 （2）电分相造成的列车速度和牵引力损失问题。受列车速度、长大编组双弓受流影响，高速铁路中性段长度增加到1 km左右，约5%的供电线路属于无电区，严重影响牵引供电系统整体性能。特殊情况下，如在大坡道上设置电分相，容易造成重载列车坡停。电分相成为高速、大功率牵引供电系 统中最薄弱的环节。

（3）以负序为主的电能质量问题。目前电气化铁路牵引供电系统运行方式主要由牵引变压器接线方式决定，除单相接线外，其他均为两相（异相）供电，相对三相电力系统而言，牵引负荷具有不对称性。

2 同相供电方案研究

2.1 同相供电发展现状

2.1.1 贯通式同相供电技术

对于同相供电技术，其本质是一种对称补偿技术，作用是在牵引变电所进行负序和无功的综合补偿，能够实现牵引网使用单一相位电压供电[2]，其实现方法主要采用无源对称补偿技术[3～5]。文献[6，7]详细介绍了新一代牵引供电系统，即贯通式同相供电系统，其主要包含三大关键技术：

（1）组合式同相供电技术，即采用单相变压器配合最小容量补偿装置的一种同相供电技术，能够在对负序和无功进行治理的同时取消牵引变电所出口处的电分相。

（2）新型双边供电技术，能够取消分区所处的电分相，为了减小均衡电流的大小，可以串联电抗器，使其对电力系统的影响降至最低。

（3）牵引网分段供电与测控技术，对牵引网进行分段，同时运用同步测控技术，能够更及时、更准确地判断出故障类型及故障位置，使牵引网安全稳定运行，提高可靠性。

贯通式同相供电系统示意如图1所示。

图1 贯通式同相供电系统示意图

2.1.2 全交直交同相供电技术

基于德国单相低频交流制实现的全交直交同相供电模式，可构造单相工频模式的同相供电系统。该系统由牵引变电所和牵引网构成，牵引网仍采用50 Hz工频供电，全线贯通，牵引变电所由三相（降压）变压器和三相/单相交-直-交变流器（也称潮流控制器PFC）串联而成，如图2所示。显然，牵引网全线贯通可以取消电分相，而牵引变电所的三相/单相交-直-交变流器可以实现负序电流为零、功率因数为1的控制，同时将谐波控制在允许范围内，从而在根本上解决电能质量问题。

图2 单相工频同相供电牵引变电所结构

牵引馈线分上下行两组，分别设置断路器及相关保护，两组断路器分别用于上下行区间供电，也便于故障切除和缩小故障范围；分区所的断路器闭合，以实现牵引网贯通供电。牵引变电所取电于三相电力系统，经三相变压器降压后连接三相/单相交直交变流器，其中直流储能环节一路经逆变环节送出牵引电压，当电力电子器件集成后经济耐受电压足够时，可省去图2中虚线框中单相升压变压器，直接输出额定值为27.5 kV、50 Hz的馈线电压，另一路经逆变输出三相四线制电源，供所内自用电[2]。

该同相贯通供电系统牵引馈线输出的电压可视为电压源，其大小、相角均可自行控制，如图3所示[2]。

图3 牵引网各馈线电压调整示意图

全交直交同相供电系统的巨大优势是对电力系统不产生过度干扰，且牵引网的电压、潮流可自行调整，并可通过优化牵引负荷潮流将同相贯通供电系统的牵引变电所的容量降到最低，从而大幅节约投资成本，提高系统经济性。

2.2 过分相技术

2.2.1 电力电子过分相技术

国内既有的过分相技术分为车载过分相和地面自动过分相。地面自动过分相装置可以采用真空开关，也可采用电力电子开关。

真空开关属于具有动作机构的物理开关，开关分合闸时刻精确控制较为困难，分合闸过程的过电压和过电流明显，并且存在可靠性不高的问题。

电力电子开关（晶闸管阀组）可代替传统机械开关，可有效解决真空开关带来的问题。由于晶闸管在电流过零时关断，可消除分闸时的截断过电压；晶闸管的导通相位可以控制，可以很好地抑制合闸过电压和过电流，并且晶闸管开关的关断次数几乎不受限制，相对真空断路器而言具有较长的使用寿命。电力电子过分相装置的拓扑结构如图4所示。主要设备构成及用途：

QS2：有列车通过时处于闭合状态；

QS3：有列车通过时处于闭合状态，高压晶闸管阀组SCR-V2检修时处于断开状态；

QF1：正常状态闭合，当高压晶闸管阀组SCR- V1或QF2拒分时动作，分断电路；

QF3：正常状态闭合，当高压晶闸管阀组SCR- V2或QF4拒分时动作，分断电路；

QF2：高压晶闸管阀组SCR-V1故障时备用； QF4：高压晶闸管阀组SCR-V2故障时备用。

图4 电力电子过分相装置

采用电力电子过分相装置可以实现列车不降速、安全平缓通过分相区，特别是对于长大坡道区段，可以明显提高列车的通过能力，避免发生坡停，保证线路上列车安全运行。

新型浸梗机中烟梗由刮板式输送机构强制阻挡，从而前进速度缓慢可调，使除去杂质后的烟梗在40℃～80℃循环水中强制浸泡20～120s(可调)。浸泡后烟梗温度与水温能达到较好的平衡，同时烟梗含水率达到36.02%，能满足后续加工要求，增温增湿能力较强。表1为传统的水洗梗和新型的浸梗机应用后梗丝质量的对比分析。

2.2.2 柔性过分相技术

柔性过分相技术也称无断电过分相技术[8]，能够实现电力机车不断电地以额定牵引功率全速或以额定功率运行于再生制动工况通过电分相环节。

电气化铁路不断电过分相系统简化示意如图5所示。电力系统三相电压经牵引变压器后变为两相电压UA和UB，分别接入Alpha相和Beta相（以下简称为A相和B相）两牵引供电臂。对于不同接线方式的牵引变压器，UA和UB之间的相位差可能是60°或90°。两牵引供电臂之间存在一个无电中性段，供电臂与中性段之间通过空气绝缘锚段关节MDA和MDB实现电气绝缘。3个位置传感器分别位于两供电臂及中性段中间位置对应地面，从而检测机车所处位置。

图5 不断电过分相系统结构

3 福州—长乐机场城际铁路同相供电方案

福州—长乐机场城际铁路全线长62.4 km，共设置主变电所3座（东升主变、首占主变、大鹤主变），分区所3座，分区所同车站降压所合设，分别位于福州火车站、祥谦站和滨海新城站。

与普通交流电气化铁路相比，该城际铁路具有站间距短、站间距不均匀、列车启动与制动频繁的特点，若采用传统牵引供电系统供电，其电分相的设置将严重影响列车运行，列车通过电分相时断电，失去牵引力，影响运行速度。若列车初速度过低将导致无法靠惯性通过电分相，从而造成停车等事故。

鉴于目前国内尚无全交直交同相供电成熟应用案例，贯通式同相供电等效全线同相，满足列车全线不断电运行功能，以及从设备发展成熟度的角度考虑，本工程采用贯通式同相供电技术。具体来讲，在牵引所采用单相组合式同相供电技术，分区所采用地面电子开关过分相技术。

3.1 单相组合式同相供电

如图6所示，牵引变压器TT与高压匹配变压器HMT构成不等边SCOTT连接组，即构成一种供电容量不等、电压幅值不等、电压相位垂直的特殊三相-两相平衡变压器。正常运行时，牵引变压器TT及同相供电装置CPD为牵引网负荷供电，TT担负主要供电任务，CPD担负次要供电任务及三相电压不平衡度的调整。

图6 单相组合式同相供电原理

单相组合式同相供电可取消牵引变电所出口处电分相，从技术上可解决该处电分相问题。

3.2 地面电子开关过分相

全线设置3座分区所，保留电分相，采用地面电子开关自动过分相系统。拓扑结构如图4所示。

本工程在所间分区所和首占站设置接触网地面电子开关过分相装置，共计3套。

4 同相供电可靠性分析

4.1 主变电所同相装置拓扑结构

本工程在东升和首占主变电所设置单相组合式同相供电系统，牵引变压器采用SCOTT接线，同相供电装置容量为5 MW。下文以东升主变电所为例进行分析。

东升主变电所设置2套2.5 MW同相装置并列运行，每套包含2组1.25 MW变流器（IGBT采用3 300 V/1 500 A方案），近期正常运行为4组变流器（某一组变流器故障退出不影响其他变流器运行），总容量5 MW。同相供电系统中，变压器绕组的变比为10/1 kV、1/27.5 kV，直流侧电压为1 000 V。

单套2.5 MW同相装置内部接线如图7所示。分析系统拓扑结构可知：系统正常运行时，2套同相装置并列运行，4组同相补偿变流器（ADA）必须同时正常运行才可达到5 MW容量，以满足系统近期正常运行需求。每组同相供电装置内的变流器1、变流器2采用单相两电平拓扑结构，每个桥臂采用2台IGBT并联以达到分流的目的。

图7 同相装置内部接线

同相装置的一组变流器容量S1为1.25 MW，选用3 300 V/1 500 A的IGBT构成单台最大容量为3 300×1 500/2/3 = 0.825 MW。

两电平拓扑结构中，IGBT承受的反向电压为直流侧电压，IGBT在正常工作中承受的反向电压不能超过其额定值的1/2[9]，因此选取直流侧电压Ud= 1 000 V＜3 300/2 V，低压侧绕组额定电压UN2= 1 000 V；低压侧绕组额定电流为IN2=S1/UN2=1 250 A。

在正常工作中，IGBT流过的电流不能超过其额定值的1/3[9]，每个IGBT的可用电流I1= 1 500 /3 = 500 A；每个单元各桥臂需要并联IGBT数目表示大于等于a的最小整数。

因此，当低压侧绕组额定电压UN2= 1 000 V时，系统正常运行需要3个IGBT同时正常工作才可保证同相供电装置的正常运行。

4.2 同相装置可靠性评估

本工程东升、首占主变电所的主接线从进线电源到牵引母线之间均相同，均为2个主变压器共用1套同相补偿装置，区别在于牵引变电所从牵引母线引出的馈线数量不同。鉴于此，将牵引变电所进线电源到牵引母线部分称为变电所模块，将牵引母线到接触网之间的馈线部分称为馈线模块，每个牵引变电所均由变电所模块和馈线模块串联组成。

根据东升牵引变电所的主接线示意图绘制其变电所模块的详细电气主接线如图8所示。1#进线和2#进线均为110 kV进线电源，互为备用，以满足主变电所的供电连续性；正常工作时，两组进线、主变压器均一主一备投入运行，隔离开关G7、断路器DL5均断开；当外部电源故障时，隔离开关G7、断路器DL5合闸，由另一回外部电源供电。

主变电所通过牵引母线引出馈线为接触网供电，此处定义图8所示部分正常工作的条件是馈线可从牵引母线正常取电。

图8 东升变电所模块主接线

根据图8画出对应的GO图如图9所示。图9中各操作符的说明如表1所示。

表1 东升变电所主接线GO图操作符说明

图9 东升主变电所GO图

查阅文献[10～12]可以得到主变电所内主要电气设备的可靠性数据如表2所示。对于主变电所内其他设备如避雷器等，其故障率相比其他设备要低很多，可以认为其完全可靠，计算简化。

表2 主变电所内基本元件可靠性参数

主接线图中将主变压器和高压匹配变压器作为一个整体考虑，因此在GO图中，用操作符9、10表示主变压器T和高压匹配变压器HMT组合而成的一个模块，这两个模块分别由T1、HMT1、DL3、LH3、G3、DL6、LH5和T2、HMT2、DL4、LH4、G4、DL7、LH6串联组成，二者组成元件、结构、参数均相同。考虑部件停工相关性，经过计算可得操作符9、10的等效可靠性参数如表3所示。

表3 操作符9、10等效可靠性参数

操作符15和16代表的是ADA模块，操作符15由DL8、LH7、BLG、TMTT、DL9、LH8、G8串联构成，考虑停工相关性，经计算可得操作符15的等效可靠性参数如表4所示。操作符16的等效可靠性参数与操作符15的相同。

表4 操作符15、16等效可靠性参数

根据GO法的计算法则，代入表2、表3和表4的数据，可以计算得到变电所的可靠性特征量。针对传统的牵引变电所，当系统未采用同相供电装置的情况下，采用上述分析法，可得出牵引变电所的可靠性特征量。两者结果对比如表5所示。

表5 可靠性特征量结果对比

本工程贯通供电系统采用分布式供电，且变电所部分馈线结构较复杂，因此计算系统可靠性时采用了分块计算的方法，降低了计算难度。对比贯通供电系统牵引变电所和传统供电系统牵引变电所的可靠性计算结果可以看出，组合式同相供电系统的牵引变电所可靠性比传统牵引变电所稍高。

5 结论

（1）全交直交方案是典型的串联系统，主变低压侧三相中的每一相又分成若干组，每组绕组或其相连的变流器故障将导致整个系统故障。该系统物理上为并联结构，逻辑上为串联，其可靠性大大降低。

（2）组合式同相供电方案的主变与同相补偿装置（交直交变流器）为并联系统，同相补偿装置故障在短时间内不影响正常供电。同相补偿装置容量按补偿超标的那一部分负序容量设置，由于交直交变流器几乎没有过负荷能力，须按95%概率值甚至最大负荷需求设计其容量，其总容量远大于组合式同相供电的交直交变流器容量。

（3）采用了组合式同相供电系统的牵引变电所可靠性比传统牵引变电所稍高。