中鐵十二局集團(tuán)電氣化工程有限公司 張 勇

1.什么是鐵道電氣化技術(shù)以及我國應(yīng)用電氣化鐵道的情況

鐵道電氣化技術(shù)主要是對鐵道電氣化設(shè)備進(jìn)行維護(hù)管理以及應(yīng)用開發(fā)，以適應(yīng)電氣化鐵路供電系統(tǒng)及其裝置的設(shè)計、運輸與施工技術(shù)管理。我國應(yīng)用鐵道電氣化技術(shù)至今已經(jīng)有四十年的歷史，我國電氣化鐵路目前采用的是工頻單相交流電力牽引制，將國家電力系統(tǒng)輸送的電能以電能牽引供電設(shè)備變換為適合電力機(jī)車使用的形式，所以電氣化鐵路的兩大主要裝備就是牽引供電設(shè)備和電力機(jī)車，鐵路上的基礎(chǔ)設(shè)施和其他裝備都是為了配合這兩種設(shè)備的使用。牽引供電系統(tǒng)就是把電力系統(tǒng)的電能傳送給電力機(jī)車的電力裝置，又名電氣化鐵路的供電系統(tǒng)，兩大組成部分是牽引變電所和接觸網(wǎng)。牽引變電所的任務(wù)是將電力系統(tǒng)三相電壓降低，將電力系統(tǒng)輸電線路電壓從110kV（或220kV）降到27.5kV，同時以單相方式饋出將電能送至接觸網(wǎng)，降低電壓是由牽引變壓器來實現(xiàn)的，它是牽引變電所的“心臟”；接觸網(wǎng)是沿鐵路沿線架設(shè)的特殊電力線路，電力機(jī)車升弓后便可通過與之滑動摩擦接觸而取得電能，用以牽引列車。

在供電方式上我國均采用單邊供電方式，主要包括直接供電方式簡稱TR供電方式，目前有BT、AT和DN供電方式；吸流變壓器（BT）供電方式；自耦變壓器（AT）供電方式；直供+回流（DN）供電方式。在復(fù)線區(qū)段還可以提高末端網(wǎng)壓，將上下行接觸網(wǎng)通過分區(qū)亭聯(lián)接，實現(xiàn)“并聯(lián)供電”，如果牽引變電所發(fā)生故障，相鄰變電所還可進(jìn)行“越區(qū)供電”，我國的電氣化鐵路多數(shù)采用可控硅整流器電力機(jī)車，這種機(jī)車不但結(jié)構(gòu)簡單、牽引性能好、運行可靠、維修方便，而且各項經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)較高。目前，國產(chǎn)主型電力機(jī)車為SS（韶山）型，SS1、3、4、6、6B、7和7B型均為客貨兩用型，近年來隨著列車提速和高速鐵路的發(fā)展，研制開發(fā)了SS7C、7D、7E、SS8和SS9型客運電力機(jī)車，以及DJ型（交—直—交）客運電力機(jī)車。此外，我國還先后引進(jìn)過法（6Y、6G、8K）、日（6K）、德（DJ1）和前蘇聯(lián)（8G）等國的電力機(jī)車。

2.鐵道電氣化技術(shù)常見的問題

2.1 電分相方面

(1)由于我國列車速度大幅提高，因此在電氣化鐵路普遍采用的是錨段關(guān)節(jié)式電分相，而不是傳統(tǒng)的器件式電分相，關(guān)節(jié)式電分相的絕緣錨段分為三跨、四跨和五跨三種形式，由于每個關(guān)節(jié)跨距的長短不一樣，因此用來銜接兩個關(guān)節(jié)的布置也不相同，關(guān)節(jié)式電分相也包括了五跨、七跨、八跨等等多種形式，關(guān)節(jié)式電分相的共同特點就是組成部分都是兩個絕緣錨段關(guān)節(jié)和一段接觸網(wǎng)中性區(qū)，電氣絕緣的實現(xiàn)條件是在空氣絕緣間隙實現(xiàn)的，因此列車在運行到關(guān)節(jié)式電分相的時候，乘務(wù)員就必須要將機(jī)車主斷路器斷、合電操作以及將其他受電弓下降，在高速列車運行中需反復(fù)操作，這樣會加強(qiáng)乘務(wù)員的勞動強(qiáng)度，一旦遺忘或疏忽，就會造成接觸網(wǎng)相間短路，形成供電事故，運輸中斷。

(2)在機(jī)車高速運行的過程中，升降受電弓會對接觸網(wǎng)的安全運行造成威脅，發(fā)達(dá)國家以增加高速機(jī)車的中性區(qū)長度來解決這個問題，整列電動車組兩手電弓的距離小于允許多弓運行的最小距離。但我國由于路網(wǎng)不發(fā)達(dá)，客貨混運、高低速列車混跑的情況并不少見，如果采用較長的電分相中性區(qū)，會同時影響高低速列車的運行速度，而且，即使采用較長的電分相中性區(qū)，有時也會發(fā)生電力機(jī)車停在分相無電區(qū)的情況。

2.2 供電方式方面

(1)我國應(yīng)用最廣泛的供電模式是自耦變壓器(AT)供電模式，受列車運行位置影響，為了降低絕緣標(biāo)準(zhǔn)，從55kV降低到27.5kV，這種供電模式雖然省卻了一套設(shè)備容量，卻失去了牽引網(wǎng)的供電能力和防護(hù)干擾能力。AT模式的導(dǎo)線截面相同而且邊界為最大載流，假設(shè)日本模式供電能力為1，直供方式為0.5，而AT模式則介于二者之間，一個供電臂中的AT段越少，供電能力損失越顯著。

(2)當(dāng)發(fā)生接觸網(wǎng)T與負(fù)饋線F短路，如果牽引變電所出口的接觸網(wǎng)斷路器與負(fù)饋線斷路器也是聯(lián)動的而不是同時跳開，在短時間內(nèi)，先跳開的斷路器就會承受55kV電壓。如果另一個出口斷路器拒動，那么，另一個斷路器就會長時間的承受55kV電壓。而且為了適應(yīng)AT模式的軌一地接線要求，牽引變壓器次邊不但需要引出中間抽頭，而且兩組繞組還需要進(jìn)行特殊設(shè)計和容量優(yōu)化，設(shè)計制造難度和造價都增加了。

2.3 牽引供電系統(tǒng)方面

(1)由于變壓器、牽引電機(jī)以及電力電子器件的非線性和非線性調(diào)節(jié)，同時電力機(jī)車的基波電流滯留后電壓一定的角度，因此機(jī)車的電流中有大量的諧波成分，這些諧波在三相供電系統(tǒng)中不對稱分布，時間性和隨機(jī)性很強(qiáng)，導(dǎo)致了無功功率和諧波電流的存在，使得變壓器、電力線路以及旋轉(zhuǎn)電機(jī)的附加損耗加大，引起局部過熱，金屬疲勞和機(jī)械損壞，縮短設(shè)備的使用壽命，在串聯(lián)和并聯(lián)諧波比例比較高的牽引變電站附近發(fā)生電網(wǎng)和電容器組的并聯(lián)諧振，造成電容器組的損壞，使得繼電器出現(xiàn)頻繁發(fā)動，誤動、拒動等現(xiàn)象，為了彌補(bǔ)無功功率對電力系統(tǒng)的損失，鐵道部門每年都要支付大量的額外費用給電力部門。

(2)牽引變電所采用單向聯(lián)接、單相V形聯(lián)接和Y，d-11這三種基本接線方式時，會在三相電力系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)序電流，除了會產(chǎn)生無功功率，還會降低變壓器的額定輸出功率，運行效率低，引起旋轉(zhuǎn)電機(jī)的附加發(fā)熱和振動，對安全運行造成危害，而且負(fù)序電流流過電力系統(tǒng)時，不僅占用輸電系統(tǒng)的容量，還會造成電能損失，電氣化鐵道產(chǎn)生的大量負(fù)序侵入時會導(dǎo)致以負(fù)序電流或負(fù)序電壓為動作條件的繼電保護(hù)裝置的誤動作，引起供電中斷。

3.鐵道電氣化技術(shù)常見問題解決方案

3.1 電分相問題的解決方案

通過研究法國、日本德國的電氣化鐵路運行，我們可以知道四跨、五跨絕緣錨段關(guān)節(jié)都可以滿足列車的高速運行，因此要在200m的范圍內(nèi)布置三個絕緣錨段關(guān)節(jié)，跨距長度為31m，采用四跨絕緣關(guān)節(jié)，4#，6#支柱采用兩根支柱，錨段關(guān)節(jié)隔斷絕緣子采用直徑小的有機(jī)絕緣子，移至跨中距定位點10m處，將5#支柱處的錨段設(shè)計成小錨段，做成硬錨，在電分相區(qū)域以外的錨段另一端安裝補(bǔ)償裝置，采用三跨絕緣錨段關(guān)節(jié)方式布置，轉(zhuǎn)化跨長度大于45m以保證受電弓高速取流的穩(wěn)定，控制轉(zhuǎn)化跨距內(nèi)接觸線的坡度。

3.2 供電方式問題的解決方案

對接觸網(wǎng)設(shè)置加強(qiáng)導(dǎo)線提高供電能力。當(dāng)一個供電臂中的AT段較少時，為了避免AT供電方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜的固有缺點，可以適當(dāng)考慮采取直供+加強(qiáng)線或直供+加強(qiáng)線+回流線方式，也可以利用新提出的AT供電模式，牽引變電所內(nèi)不設(shè)AT，把AT布置在線路上，從而簡化系統(tǒng)，節(jié)約投資，牽引變壓器也不需中間抽頭，可很大程度簡化牽引變壓器的制造難度，同時，省去了牽引變電所的軌一地回流線布置，增加供電能力，延長供電臂，減少電分相數(shù)目。出于安全考慮，出口斷路器絕緣仍應(yīng)采用55kV的電壓絕緣等級設(shè)計。斷路器斷口電壓問題也可以得到很好地避免。開關(guān)的絕緣等級更高，但工作電流比AT模式小，在相同的供電能力下，新模式要求牽引變電所的母線、饋線的導(dǎo)線截面更小，有助于省掉設(shè)置于大運量線路首個AT段的加強(qiáng)線，更有利于接觸網(wǎng)懸掛的輕型化。

3.3 牽引供電系統(tǒng)問題解決方案

(1)改善機(jī)車的性能，盡量減少諧波，配備用來校正功率因數(shù)的裝置，在“交-直-交”和“交-直”機(jī)車上是機(jī)車的輸入電流的基波與電壓同相位，在牽引變電所采用同相供電系統(tǒng)與對稱補(bǔ)償技術(shù)或同相貫通供電技術(shù)對機(jī)車產(chǎn)生的諧波電流和無功功率就近補(bǔ)償，也可以采用SVC和APF補(bǔ)償。SVC是解決電鐵負(fù)序補(bǔ)償.并兼顧濾除高次諧波的理想方式。不僅可以改善電氣化鐵道對電網(wǎng)綜合電能質(zhì)量的影響。提高電氣化鐵道本身的供電質(zhì)量，還能獲得經(jīng)濟(jì)效益。同時為了整體減輕進(jìn)入電力系統(tǒng)的負(fù)序分量，各種接線的牽引變電所應(yīng)輪換接入電力系統(tǒng)的不同相。還可在電力系統(tǒng)變電站安裝承受負(fù)序電流的能力大、負(fù)序阻抗較低且防震性能良好的特殊的同期調(diào)相機(jī)。

(2)牽引變電所采用220kV高電壓大容量的電源對機(jī)車供電，提高電網(wǎng)的供電能力，緩解三相電壓不平衡即負(fù)序電流問題。采用阻抗匹配平衡變壓器、斯科特變壓器等三相-兩相平衡牽引變壓器，國內(nèi)比較常用的是Scott接線、三相V/V接線牽引變壓器(AT供電方式)。也可以采用相序輪換技術(shù)來實現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)公共接入點的三相平衡，雖然可以降低整個系統(tǒng)的不對稱系數(shù)，但這種技術(shù)會增加機(jī)車操作的復(fù)雜性，增加了安全隱患，給列車運行帶來負(fù)面影響。

(3)科學(xué)鋪畫列車運行圖，合理安排列車運行方式，采用綜合天窗，使日單相負(fù)載均衡分配在電氣化鐵道沿線。

4.結(jié)束語

本文通過結(jié)合個人在工作中的實際，針對鐵道電氣化技術(shù)中電分相、供電方式以及牽引供電系統(tǒng)中存在的問題加以分析和研究，從而得出解決對策，為實際工作中這些問題的解決提出解決途徑，促進(jìn)我國鐵道電氣化技術(shù)的發(fā)展。

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