第一篇：電力牽引系統(tǒng)供電方式對電能質(zhì)量影響的分析研究

電力牽引系統(tǒng)供電方式對電能質(zhì)量影響的分析研究

江海傑

摘 要電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)是一種復雜的單相網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，隨著社會及經(jīng)濟的發(fā)展，追求高速、高密度、重載運輸?shù)哪繕藢﹄姎饣F路建設(shè)提出了更高的要求，也給我們提出了在高速電氣化鐵路中如何選擇供電方式及如何減少單相非線性的電牽負荷影響等課題。

關(guān)鍵詞 電力牽引供電方式

1.引言我國電氣化鐵路起步于20世紀50年代末,經(jīng)過40多年的發(fā)展,電氣化鐵路在數(shù)量和技術(shù)裝備上都有了巨大的變化,電力牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也從單一的供電方式發(fā)展成了多種供電方式。隨著社會及經(jīng)濟的發(fā)展,追求高速、高密度、重載運輸?shù)哪繕艘矊﹄姎饣F路建設(shè)提出了更高的要求,同時也提出如何選擇高速電氣化鐵路的供電方式及如何減少單相非線性的電牽負荷對電能質(zhì)量影響等問題,鑒于此,本文對電力牽引供電系統(tǒng)供電方式及電力牽引負荷對電能質(zhì)量的影響進行了分析和討論

2.電力牽引供電系統(tǒng)供電方式選擇分析

我國最初修建的幾條電氣化鐵路采用的是直接供電方式。后來隨著鐵路電氣化逐漸向繁忙干線發(fā)展，為了減少同學顯露的遷改工程量和降低鐵路電氣化的工程造價，于20世紀70年代中期開始采用吸流變壓器一回流線供電方式。1982年，根據(jù)京秦線運量大、牽引定數(shù)高的特點，首次采用了自偶變壓器AT供電方式，后來大秦線和鄭武線都采用了這種供電方式。根據(jù)我國的鐵路實際情況，依照經(jīng)濟技術(shù)合理的原則，目前，在對沿線通信無特殊防護要求的一般區(qū)段，基本上采用帶回流線的直接供電DN方式，如現(xiàn)正在開工建設(shè)的瀘杭電化等既有鐵路的電化改造工程，而在重載、告訴、大密度的繁忙干線及一次電源設(shè)施薄弱的地區(qū)采用自耦變壓器供電AT方式。

2.1自耦變壓器供電方式（AT供電方式）

AT供電方式是20世紀70年代才發(fā)展起來的一種供電方式。它既能有效地減輕牽引網(wǎng)對通信線的干擾，又能適應(yīng)高速、大功率電力機車試行，故近年來，在我國得到了迅速發(fā)展。這種供電方式是每隔10km左右在接觸網(wǎng)與正饋線之間并聯(lián)接入一臺自耦變壓器，繞組的中點與鋼軌相接。電力機車由接觸網(wǎng)（T）受電后，牽引電流一般由鋼軌（R）流回，由于自耦變壓器的作用，鋼軌流回的電流經(jīng)自耦變壓器繞組和正饋線（F）流回變電所。當自耦變壓器的一個繞組流過牽引電流時，其另一個繞組感應(yīng)出電流供給電力機車，因此實際上當機車負荷電流為I時，由于自耦變壓器的作用，流經(jīng)接觸網(wǎng)（T）和正饋線(F)的電流的二分之一。

自耦變壓器供電方式牽引網(wǎng)阻很小，約為直接供電方式的四分之一，因此電壓損失小，電能損耗低，供電能力大，供電距離長，可達40~50km。由于牽引變電所間的距離加大，減少了牽引變電所數(shù)量，也減少了電力系統(tǒng)對電氣化鐵路供電的工程和投資。但由于牽引變電所和牽引網(wǎng)比較復雜，加大了電氣化鐵路自身的投資。這種供電方式一般在重載鐵路、高速鐵路等負荷大的電氣化鐵路上采用。由于牽引負荷電流在接觸網(wǎng)（T）和正饋線（F）中方向相反，因而對鄰近的通信線路干擾很小，其防干擾效果與BT供電方式相當。

AT供電方式的特點：（1）AT供電方式中自耦變壓器是并聯(lián)連接在接觸網(wǎng)和正饋線之間的，提高了供電可靠性。采用BT供電回路時，吸流變壓器的一次繞組串接在接觸導線上，所以在每一個吸流變壓器處接觸網(wǎng)都必須電分段。這樣就增加了接觸網(wǎng)的維修工作量和事故率，降低了供電可靠性。AT供電方式是并聯(lián)供電，根本不存在上述問題，所以就特別有利于高速和大功率電力機車運行。（2）減少了對通信線路的干擾。AT供電方式引入了自耦變壓器，在它的作用下，牽引負載電流經(jīng)接觸網(wǎng)和正饋線供給，且由于接觸網(wǎng)和正饋線的電壓為機車電壓的2倍，在功率相同的情況下，經(jīng)接觸網(wǎng)和正饋線的電流只是機車負載電流的一半，且接觸網(wǎng)和正饋線是同桿架，兩個方向相反的電流對外界的電磁干擾已基本抵消，所以對通信線路的干擾大大降低了。（3）AT供電方式的饋電電壓高，所以供電能力大，電壓下降率小。當自耦變壓器繞組接至接觸導線與鋼軌間的匝數(shù)和接至正饋線與鋼軌間的匝數(shù)相等時，AT供電方式的饋電壓為BT方式的兩倍。同時對相同的列車牽引負荷而言，AT回路的電壓下降率（電壓降與饋電電壓之比值）僅為BT回路的四分之一。從而牽引變電所的間距可增大4倍。不過實際上由于供電區(qū)段的加長，區(qū)段上同時運行的列車增多，負荷將增大，因此AT供電回路的牽引變電所的間距只能比BT供電方式間距增大2~3倍，牽引變電所的數(shù)目可減少，從而節(jié)省投資。

2.2 帶回流線的直接供電DN方式

DN供電方式的構(gòu)成是由接觸網(wǎng)、鋼軌、沿全線架設(shè)與軌道并聯(lián)的負饋線NF維護方便的優(yōu)點，通過優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和參數(shù)能保證較好的屏蔽效果，相對DN供電方式，AT供電方式的缺點主要是結(jié)構(gòu)比較復雜，如變配電裝置除了結(jié)構(gòu)比較復雜的牽引變電所外，還有開閉所、分區(qū)所和自耦變壓器所等，牽引網(wǎng)中除了接觸懸掛和正饋線外，還有保護線PW、橫向聯(lián)接線、輔助聯(lián)接線CPW、橫向聯(lián)接CB、放電器SD等，特別在多隧道區(qū)段應(yīng)用更為困難。但AT供電方式也有比較大的優(yōu)點，特別在告訴電氣化鐵路的應(yīng)用上，它無需提高牽引網(wǎng)的絕緣水平即可將供電電壓提高一倍。在相同的牽引負荷條件下，接觸懸掛和正饋線中的電流大致可減少一半。AT供電方式牽引網(wǎng)單位阻抗約為DN供電方式牽引網(wǎng)單位阻抗的三分之一左右。從而提高了牽引網(wǎng)的供電能力，大大減少了牽引網(wǎng)的電壓損失和電能損失。其牽引變電所的間距比DN供電方式增加近一倍，不但牽引變電所數(shù)量可以減少，而且相應(yīng)的外部高壓輸電線數(shù)量也可以減少，如果采用中性點抽出的單相變壓器則無需在牽引變電所出口處設(shè)置電分段，大大減少了電分相的數(shù)目，有利于列車的安全和高速運行。在干擾方面，AT供電方式對鄰近通信線路的綜合防護效果要優(yōu)于DN供電方式，減少了防護工程投資。

2.3 直接供電方式

直接供電方式是在牽引網(wǎng)中不增加特殊防護措施的一種供電方式，是結(jié)構(gòu)最簡單的一種。電氣化鐵路最早大都采用這種供電方式，它的一根饋線接在接觸網(wǎng)（T）上，另一根饋線接在鋼軌（R）上，這種供電方式結(jié)構(gòu)簡單，投資最省，牽引網(wǎng)阻損較小，能耗也較低。供電距離單線一般為30Km左右，復線一般為25km左右。電氣化鐵路是單相負荷，機車由接觸網(wǎng)取得的電流經(jīng)鋼軌流回牽引變電所。由于鋼軌與大地是不絕緣的，一部分回流電流由鋼軌流入大地，因此對通信線路產(chǎn)生較大電磁干擾。這是直接供電方式的缺點。它一般采用在鐵路沿線通信線路已改用地下屏蔽電纜的區(qū)段。

2.4吸流變壓器供電方式（BT供電方式）

BT供電方式是在牽引網(wǎng)中架設(shè)有吸流變壓器一回流線裝置的一種供電方式。與直接供電方式相比，是在系統(tǒng)中增加了吸流變壓器設(shè)備。此種方式目前在我國電氣化鐵路上采用較廣。吸流變壓器是變化為1:1的變壓器，它的一次繞組串接在接觸網(wǎng)（T）上，二次繞組串接在專為牽引電流流回牽引變電所而特設(shè)的回流線（NF）上，所以也稱吸流變壓器—回流線供電方式。吸流變壓器供電方式的工作原理是，由于吸流變壓器的變比為1:1，當吸流變壓器的一次繞組流過牽引電流時，在其二次繞組中強制回流通過吸上線流入回流線。由于接觸網(wǎng)與回流線中流過的電流大致相等，方向相反，因此對鄰近的通信線路的電磁感應(yīng)絕大部分被抵消，從而降低了對通信線路的干擾。這種供電方式由于在牽引網(wǎng)中串聯(lián)了吸流變壓器，牽引網(wǎng)的阻抗比直接供電方式約大50%,能耗也較大，供電距離也較短，單線一般為25km左右，復線一般為20km左右，投資也比直接供電方式大。

2.5 同軸電力電纜供電方式（CC供電方式）

CC供電方式是一種新型的供電方式。同軸電力電纜沿鐵路線路敷設(shè)，其內(nèi)部芯線作為饋電線與接觸網(wǎng)連接，外部導體作為回流線與鋼軌相接。每隔5~10km作一個分段，由于饋電線與回流線在同一電纜中，間隔很小，而且同軸布置，使互感系數(shù)增大，所以同軸電力電纜的阻抗比接觸網(wǎng)和鋼軌的阻抗小得多，牽引電流和回流幾乎全部經(jīng)由同軸電力電纜中流過。因此電纜芯線與外部導體電流相等，方向相反，二者形成的磁場相互抵消，對鄰近的通信線路幾乎無干擾。由于阻抗小，因而供電距離長。但由于同軸電力電纜造價高，投資大，現(xiàn)僅在一些特別困難的區(qū)段采用。電力牽引負荷對電能質(zhì)量影響分析

3.1負序影響

相對三相系統(tǒng)而言，牽引負荷具有隨機性，單相獨立的牽引負荷也獨立地在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生負序，負序在電力系統(tǒng)中會造成額外占有系統(tǒng)及其設(shè)備容量，造成附加網(wǎng)損，引起系統(tǒng)電壓不對稱、降低發(fā)電機、電動機出力等不良影響。為使電力系統(tǒng)經(jīng)濟運行和提高電能質(zhì)量，盡可能地降低負序是十分必要的。

不同結(jié)線型式的牽引變會使單相工頻交流牽引負荷對電力系統(tǒng)的負序影響不一樣。假設(shè)牽引變一次側(cè)三相電壓對稱，二次側(cè)兩供電臂功率因數(shù)相等。當采用單相接線牽引變壓器時，其牽引負荷在220kV電網(wǎng)中引起的負序電流與正序電流相等。

當電力機車采用交直交機車時，諧波含量會大大降低，對電力系統(tǒng)影響較小。我國對交直交機車基本上采用的是電壓型變流器供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由網(wǎng)側(cè)四象限脈沖整流器、中間直流環(huán)節(jié)、PWM電壓源逆變器和異步電動機組成，其中電壓型PWM技術(shù)轉(zhuǎn)換器中每相變換橋臂由高壓大功率GTO器件串聯(lián)而成，多電平是由中間直流環(huán)節(jié)的電容器串聯(lián)對直流電壓進行分壓，再由二極管按一定規(guī)則鉗位連接。在多電平的各個GTO的開關(guān)狀態(tài)基礎(chǔ)上進行脈寬調(diào)劑PWM，這不僅使線電壓輸出波形進一步接近正弦基波，更重要的是使輸出的電流波形為正弦基波，減少高次諧波，輸出電流波形非常接近于光滑的正弦波形。同時中間直流環(huán)節(jié)儲能電容器的濾波作用，也能減少電網(wǎng)的高次諧波作用。

3.2 諧波影響

電氣化鐵路的電力牽引單相整流機車使牽引變壓器27.5kV側(cè)電流以及電壓發(fā)生畸變，所產(chǎn)生的大量高次諧波分量通過牽引變壓器的高壓側(cè)注入電力系統(tǒng)，并與系統(tǒng)“背景負荷“產(chǎn)生的負序源兩者疊加，使系統(tǒng)內(nèi)部電網(wǎng)的3次、5次諧波在諧振時嚴重放大

電力機車是一個很大的諧波源，機車類型不同，波形畸變不同，諧波含有率也不同，根據(jù)資料統(tǒng)計，交直電力機車韶山4型主要含有3、5次諧波。諧波電流大小與基波電流有關(guān)，基波電流決定于牽引負荷，其經(jīng)牽引變引入的相序有關(guān)。為了減少對電力系統(tǒng)的不對稱影響，除合理安排列車方式，使單相負荷均衡分配在電鐵沿線外，采用相序輪換接入是一種有效的措施，兩個三相YNd11接線或單相VV接線的牽引變電所間，兩供電臂一般考慮為同相，以便實現(xiàn)并聯(lián)供電，并減少接觸網(wǎng)的分相電分段數(shù)量，相鄰供電臂若不同相，則其間電壓應(yīng)避免出現(xiàn)根號三倍的牽引網(wǎng)電壓值，有利于高速行車。

在諧波治理方面，目前采用的方法是分別在電力機車變壓器一次的調(diào)壓繞組間，加裝并聯(lián)補償濾波裝置，部分地濾去3、5、7次牽引諧波電流，實踐證明這是一個有效的方法。為提高牽引網(wǎng)的功率因數(shù)而在牽引變電所牽引側(cè)裝設(shè)的并聯(lián)電容補償裝置，其可利用自身產(chǎn)生的反向負序功率與牽引負荷產(chǎn)生的負序功率相平衡，來實現(xiàn)單相牽引負荷反映在電力系統(tǒng)三相中的對稱性，同時當并聯(lián)電容器組串入電抗器后，通過正確選擇電容器和電抗參數(shù)，還兼有很好的三次諧波濾波效果

4結(jié)束語

AT供電方式供電電壓高，因此供電能力強，牽引變電所的間距大，可減少接觸網(wǎng)電分相和電力系統(tǒng)投資。在電磁兼容方面，由于AT供電方式是平衡回路，因此對通信線的危險影響和雜音影響具有較好的屏蔽作用。直接供電方式牽引網(wǎng)系統(tǒng)簡單，能適應(yīng)目前一般既有電氣化鐵路牽引供電的需要，在電磁兼容方面防干擾效果不如AT方式。此外，電氣化鐵路對電力系統(tǒng)的影響不但與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、容量大小關(guān)系較大外，而且還與鐵路運量的增長運行、方式及牽引變壓器的接線方式有一定的關(guān)系。

參考文獻譚秀炳，交流電氣化鐵道供電系統(tǒng)成都：西南交大出版社賀威俊電力牽引供電系統(tǒng)技術(shù)及裝備成都：西南交大出版社陳海軍電力牽引供變電技術(shù)北京：中國鐵道出版社馬軍電氣化鐵路對電力系統(tǒng)的影響西安：西安理工大學學報