2014年第21期（总第300期）

NO.21.2014

( CumulativetyNO.300 )

电气化铁路牵引供电系统的研究与分析

马向平

（中国神华神朔铁路分公司河西运输段，陕西 榆林 719311）

摘要：由于电气化铁路不但运输能力大、行驶速度快、工作条件好，而且运营成本低、能源消耗少、自然条件影响小，已经成为了我国铁路运输的主要发展方向。电力机车的大量使用给电力系统的供电负荷带来很大的问题。由于电气化铁路本身具有移动性和波动性，因此对整个电网的接入点造成了一定的影响。文章首先分析了电气化铁路负荷的特点，然后对电气化铁路对电网产生的影响进行了剖析，并就此提出了几点可行性的解决措施。

关键词：电气化铁路；牵引；负荷；供电系统；接触网；供电电压

中图分类号：TM714　　　　　文献标识码：A　　　　　文章编号：1009-2374（2014）21-0112-03DOI:10.13535/http://ki.11-4406/n.2014.21.055

世界上第一条电气化铁路是由西门子和哈尔斯克公司于1879年在德国柏林世界贸易博览会上展出的，虽然很小，但却是电气化铁路的先驱。世界上第一条运行的高速铁路于1964年诞生于日本。由于高速铁路不仅综合能效高，而且运输量大、乘车环境舒适，因此受到全球很多国家的重视，高速铁路已经成为了铁路运输的主要方向之一。继日本之后，法国的TGV高速铁路和德国的ICE高速铁路业相继建成并投入运营。随着大量电气化机车投入使用，其对电网稳定运行的影响逐渐受到铁道部门和电力部门的关注。随着人们生活质量的提高，人们对于供电的要求也相应提高。然而电力机车在运行中产生的谐波和负序对电力系统的稳定性产生了很大的影响。因此研究电气化铁路牵引负荷产生的谐波和负序对电力系统的影响，并提出相应的解决措施是一项十分有意义的工作。

电模块使用。因此高速铁路的运行速度受接触网的电力负荷的影响很大，对铁路运行的稳定性有一定的威胁。为了提高接触网的可靠性，在设计的时候要满足电力机车弓网耦合条件，尽量减少运行中接触网和弓网之间的机械振动和冲击。

接触网是连接变电站和电力机车的枢纽，主要有接触悬挂部分、支持装置部分、定位装置部分以及支柱和基础部分。其中接触悬挂部分主要由接触线、选调机构组成；支持装置部分是一种连接装置，支撑部分通常会被设计成接触悬挂和支柱的形式，主要有横跨类结构和腕臂支持两类；定位装置部分保证了接触线的稳定和弓网良好的耦合，其一般情况下位于接触线和滑板有效接触的地方，定位的零部件有定位管、定位器、连接件等等；支柱和基础部分主要起承受载荷的作用，载荷一般来自自然界的风、冰以及系统自身的接触悬挂装置、支持装置以及附加导线等等，与此同时还可以对附加导线和接触悬挂部分起到固定的作用。

1　电气化铁路和供电方式

当前世界上的高速铁路的供电牵引系统主要由两个部分组成，即变电站和接触网。变电站和接触网需要协调运作才能确保电气化铁路牵引供电系统的变电、配电和送电的工作。变电站作为牵引供电系统的一个核心部分，主要的工作任务是将国家电网输入的三相高压转化为与电力机车输入端相相吻合的电能。除此之外，变电站还要将转换之后的电能输入到接触网中，从而电力机车供电模块就可以随意调用。虽然变电站的职责简单明了，但是其包含了多种电器元件，包括变压器、接地开关、隔离开关、电压互感器、断路器、电流互感器等。

接触网作为连接牵引变电机构和电力机车供电系统的枢纽，能够使经变电站转换之后的电能被电力机车供- 112 -

2　供电电压

当前我国电气化铁路牵引系统采用的是单相50Hz交流制，为牵引变电站的供电电压为110kV或220kV。电压经过牵引变电站变压器降压之后的将输入到铁路上方的接触网中，从而为电力机车提供能源。经变电系统之后，电力机车的母线额定电压为25kV，因此与之相关的动力机车和基础网的额定电压也为25kV。我国外部电源使用最多的还是110kV，然而待哈尔滨到大连的高速铁路建成之后，220kV外部供电电压逐渐在我国出现。

3　接触网

接触网实际上就是一个供电网络，服务对象是动力

机车。动力机车通过介质受电弓能够与电网接触，从而获得所需要的能源。在电气化铁路牵引供电系统中，接触网的应用形式多变，一般有直接供电方式以及允许回流的直接供电模式等等。以前我国的电气化铁路牵引系统主要使用的是溪流变压器供电方式，然而随着应用实践的增加，发现其达能的损耗非常大，因而当前的主要供电方式已经转化为了自耦变压器供电方式。

引出的线接到电力系统的两相，另一条变压器的原边绕组一端引出线接到电力系统的另一相。这种接线方式的优点有：一是只要两臂负荷大小和功率因数相等，电力系统的三相负荷是对称的；二是方便供应变电所内和地区的三相用电；三是变压器容量的利用率高；四是能够实行双边供电。缺点有：一是接线很复杂，所涉及的设备很多，占地面积大，工程造价高；二是系统的维护和检修工作复杂，费用高；三是对牵引变电所绝缘器的绝缘性要求很高；四是可能会引起电力系统的零序电流保

护误动作。

4　牵引变压器接线方式

牵引变压器的连接方式主要有单相接线、阻抗匹配平衡接线、SCOTT接线法、YN/D11接线法和单相V/V接线法几种类型，而SCOTT接线法和阻抗匹配平衡接线都是平衡变接线。由于单相变压器接线方法具有可靠性高、利用率高以及简单明了等特点，再配合上自耦变压器的供电方式，在我国电气化铁路系统中广受欢迎。这种搭配方式可以在一定程度上增加电气化铁路牵引供电的半径，从而降低了铁路的运行成本。其他的供电方式的单相变供电系统出现负序电力的概率很大，给电力系统带来的负面影响非常大。

单相V/V接线方式是由两组单相变压器组成的一个开口三角形，其接线原理如图1所示。这种接线方式的优点有：一是容量利用率达到了100%；二是变电所所需设备数量比较少，因而成本较低；三是可以实现牵引网的双边供电；四是可以实现供变电所内自用电和三相负荷。缺点有：电力系统的三相负荷不对称，不对称系数

是0.5，对系统能够产生一定的负序影响。

图2　三相YN/D11接线原理图 图3 SCOTT接线原理图

阻抗匹配平衡接线的原理如图4所示。通过改变阻抗的匹配方式，在三相YN/D11接线变压器的基础上实现三相到两相的变换。这种接线方式的优点有：一是只要两臂负荷大小和功率因数相等，电力系统的三相负荷是对称的；二是变压器容量利用率高；三是可以获得对称的三相电压，满足牵引变电所自用电和地区三相用电；四是牵引网可以实行双边供电。缺点有：一是工程造价高，变压器的结构复杂；二是对牵引变电所出口相绝缘

器的绝缘性要求高。

图1　单相V/V接线原理图

三相YN/N11接线牵引变压器的接线原理图如图2所示。这种接线方式的优点有：一是供电安全、可靠性高，三相变压器技术运用成熟；二是采用的中性点接地方式能够很好地满足电力系统的需求；三是方便供应变电所内和地区的三相用电；三是能够实行双边供电。缺点有：一是电力系统的三相负荷不对称，不对称系数为0.5，；二是接线很复杂，所涉及的设备很多，占地面积大，工程造价高；三是系统的维护和检修工作复杂，费用高；四是变压器的容量利用率很低。

SCOTT接线变压器的接线原理如图3。这种接线方式是由两台单相变压器组成，一台单相变压器的绕组两端

图4　阻抗匹配平衡接线原理图

5　电气化铁路对电网的影响

5.1　谐波的危害和影响

理想的电网提供的电压幅值和频率应该是固定的，因此谐波电流和谐波电压的出现对于电网是有一定影响的，容易给用电设备带来损害，同时给通信系统也带来

- 113 -

了很大的危害。谐波对电网的影响主要表现在以下几个方面：

5.1.1　谐波会造成电网中各电气设备的异常运行。谐波不仅会使电气设备产生噪音、机械振动以及过电压，还会增加元件的附加电能损耗。通常会使电容器和电缆等设备产生过热、绝缘老化的现象，从而大大降低了使用寿命，损坏设备。

5.1.2　谐波会使线路发生过热的现象，严重时可能发生火灾。谐波的存在增加了电网中各元件的谐波损耗，从而降低了发电、输电和用电设备的效率。当中线中流过大量的三次谐波时可能会引发线路的火灾事故。

5.1.3　谐波会造成电网中局部的并联谐振和串联谐振，谐波也会因此被放大，从而使得谐波的危害 更大。

5.1.4　谐波会对继电保护和自动控制系统造成一定的影响，致使它们发生错误的动作。除此之外，还大大影响了电气测量仪器的准确性。

5.1.5　谐波会对电网周围的通信系统造成一定的影响，一般都会降低通信质量。严重的时候会使通信系统崩溃，使其无法工作。5.2　负序的危害和影响

5.2.1　对发电机的影响。当负序电流通过发电机定子绕组时，将会感应出很大的附加电流，从而导致转子表面的温度升高。与此同时，还会增加转子的脉动转矩，产生发电机的附加振动，这对发电机的正常运行十分不利。另外，由于发电机是向不对称的负荷供电，因此当其中最大的一相电流达到额定值时，其他两相还未达到额定值，也会在一定程度上降低发电机出力。

5.2.2　对感应电动机的影响。负序电压在一定程度上减小了正序电压，从而降低了电动机的出力。另外负序分量的存在会产生负序旋转磁场，直接限制了电动机的出力，大大地降低了电动机的运行效率。

5.2.3　对电力变压器的影响。为了保证电力变压器的安全运行，每相中的电流都不能超过额定电流或者允许的过载值。负序的存在使得三相电流不再对称，因此当最大相的电流达到额定电流或者允许的过载值时，其他两相还未达到额定电流或者允许的过载值，因而大大降低了变压器容量的利用率。

5.2.4　对输电线路的影响。由于负序电流的存在造成了附加的能量损失，因此大大影响了输电线路的正常输电。

5.3　谐波和负序的改善措施

5.3.1　谐波的改善措施。减小谐波的影响有两个

基本思路：一是通过装设谐波补偿装置来补偿谐波；二是通过改造电力电子装置，使其不产生谐波。具体的做法有以下四种：一是在电力机车上安装并联的补偿滤波装置；二是可以在牵引变电站安装物攻补偿滤波装置，从而抑制谐波的产生；三是调整电力系统的运行方式以及增大其容量，从而加强系统抗谐波干扰的能力；四是改进电力机车，降低谐波的含量，笔者认为可以采用功率较大的交流传动电力机车。

5.3.2　负序的改善措施。对于电力系统来说，首先可以在发电厂或者变电所安装特殊的同步调相机。同步调相机不仅可以吸收高次的谐波电流，还可以承受较大的负序电流，且负序阻抗很小，吸收电流的时候不会有相位选择的问题。虽然使用同步调相机的效果很明显，但是这种措施的投资很大，且占地面积也很大。其次，如果系统中的负序电流是临时性的，可以停止变压器、电抗器或者某些线路的运行，从而可以改变负序的电流的分配情况，达到减小负序对承受能力较弱设备影响的目的。最后，在局部地区可以采用限制供电臂机车负荷的方式来减小负序电流的影响。电力系统中每个点对负序电流影响的承受能力是有限的，因此需要合理计算出各个点所能承受的最大负序百分数，在电力机车运行的过程中，只要将负序控制在这个值之下，就不会对电力系统造成明显的影响。对于牵引供电系统来说，笔者认为要选择合适的牵引变压器，最重要的是产生负序的分量要小，比如Scott牵引变压器、阻抗匹配平衡变压器。除此之外，牵引供电系统要采用换相的连接方式，从而可以使三相牵引负荷尽量达到平衡，减小负序的影响。换相连接是指将电气化铁路沿线各个牵引变电所的牵引变压器轮换使用，分别接到电力系统的不同 相上。

参考文献

[1]　 王晓东，张洪斌．城市轨道交通直流牵引供电系统的

仿真研究[J]．系统仿真学报，2002，（12）．[2]　 刘海东，何天健，袁振洲，等．城市轨道交通直流

牵引供电系统的研究[J]．系统仿真学报，2004，16 （9）．[3]　 姚宗溥，侯世英，祝石厚．电气化铁路牵引负荷对固

原电网的影响[J]．电网技术，2007，（S1）．[4]　 杜习周，陈栋新，余晓鹏，等．电气化铁路负荷对电

网电能质量的影响[J]．华中电力，2010，（6）．

作者简介：马向平（1975-），男，陕西神木人，中国神华神朔铁路分公司河西运输段供电综合检修队队长，研究方向：交通运输。

- 114 -