何洋陽，黃康，王濤，張葛祥

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

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軌道交通牽引供電系統(tǒng)綜述

何洋陽，黃康，王濤，張葛祥

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

摘要:探討普速鐵路、高速鐵路及地鐵三者牽引供電系統(tǒng)的聯(lián)系與區(qū)別。首先從供電方式、變壓器、牽引變電所接線及保護(hù)配置4個方面介紹普速鐵路、高速鐵路和地鐵的牽引供電系統(tǒng)，然后綜述其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展歷程，并在此基礎(chǔ)上分析總結(jié)三者牽引供電系統(tǒng)的聯(lián)系與區(qū)別。最后指出牽引供電技術(shù)未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：牽引供電系統(tǒng)；軌道交通；普速鐵路；高速鐵路；地鐵；變壓器

近年來，我國軌道交通建設(shè)成績斐然。根據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，至2020年全國鐵路運營里程將達(dá)12萬 km以上，電氣化率將達(dá)60%以上。城市軌道交通建設(shè)快速發(fā)展，據(jù)國家發(fā)改委統(tǒng)計，截至2014年5月，全國已有36座城市的軌道交通建設(shè)計劃獲批[1-2]。軌道交通系統(tǒng)主要由列車、車站、線路、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等組成，其中牽引供電系統(tǒng)作為其重要組成部分，為軌道交通的運營提供安全、優(yōu)質(zhì)、可靠的電能。因此，牽引供電系統(tǒng)的研究一直是軌道交通領(lǐng)域的研究熱點[3-6]，并在同相供電、牽引變壓器的研究中取得豐碩成果。但卻鮮有研究關(guān)注牽引供電系統(tǒng)在普速鐵路、高鐵、地鐵之間的聯(lián)系與區(qū)別。為了明確將普速鐵路、高鐵、地鐵牽引供電系統(tǒng)區(qū)分與聯(lián)系起來，本文首先從供電方式、變壓器、牽引變電所接線、保護(hù)配置4個方面介紹普速鐵路、高速鐵路和地鐵的牽引供電系統(tǒng)，然后介紹牽引供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展歷程，最后給出3類牽引供電系統(tǒng)的聯(lián)系與區(qū)別。

1牽引供電系統(tǒng)簡介

牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所和牽引網(wǎng)組成，其中牽引變電所關(guān)心的是牽引變壓器類型和牽引變電所接線方式的選擇，牽引網(wǎng)的電壓水平受供電方式影響。同時，牽引供電系統(tǒng)的可靠運行依賴于電氣保護(hù)配置。因此，本節(jié)分別從普速鐵路、高速鐵路、地鐵三者的供電方式、牽引變壓器、牽引變電所接線、保護(hù)配置這4個方面介紹牽引供電系統(tǒng)。

1.1供電方式

1.1.1普速鐵路供電方式

我國電氣化普速鐵路采用多種供電方式，包括直接供電方式(Ii)、帶回流線直接供電方式(DN)、吸流變壓器供電方式(BT)、自耦變壓器供電方式(AT)，其中應(yīng)用最為廣泛的是帶回流線直接供電方式(DN)，如圖1所示。DN供電方式的電流回路由接觸網(wǎng)、鋼軌和沿線架設(shè)并聯(lián)于鋼軌的吸流線組成。采用DN供電方式，一部分電流可由吸流線返回牽引變電所，減少鋼軌電流與回路阻抗，并且能夠減少對通信的干擾。同時，這種供電方式在穩(wěn)定接觸網(wǎng)電壓、增加供電臂距離方面也有明顯優(yōu)勢，且具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于維護(hù)的優(yōu)點。

圖1　帶回流線的直接供電方式Fig.1 Direct feeding system with return wire

1.1.2高速鐵路供電方式

我國高速鐵路采用AT供電方式，如圖2所示。牽引變壓器出口電壓為55 kV，變壓器出口一端與接觸網(wǎng)相連，另一端與正饋線相連，在接觸網(wǎng)與正饋線之間接入自耦變壓器，自耦變壓器中間抽頭與鋼軌連接。采用AT供電方式，可將牽引變壓

器端口輸出電壓提高一倍，增長供電臂長度，減少線路牽引變電所設(shè)置，增強(qiáng)輸電能力，減小牽引網(wǎng)阻抗，減少對通信的影響[7]。

圖2　AT供電方式Fig.2 AT power supply mode

1.1.3地鐵供電方式

地鐵均采用雙邊供電，如圖3所示，其牽引網(wǎng)電壓為DC1 500 V或DC750 V。目前發(fā)展趨勢是選擇更高電壓等級的供電方式[8]。地鐵采用雙邊供電方式，一段牽引網(wǎng)由其左右兩側(cè)牽引變電所共同負(fù)擔(dān)，因此可減少牽引網(wǎng)上電壓損失及改善牽引網(wǎng)電壓水平。

為便于管理變電所并減少對城市電網(wǎng)的影響，近年來建設(shè)的地鐵線路均采用集中供電方式[9]，其功率流向如圖4中箭頭方向所示。主所1引出兩路電源接入牽引變電所2，同時牽引變電所2連接1號牽引變電所，從而完成對整個供電分區(qū)的供電，其中1和2號牽引變電所組成一個供電分區(qū)，3號牽引變電所單獨成一個供電分區(qū)。當(dāng)主所1解列時，主所2可通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)為整條線路供電。

圖4　地鐵牽引變電所聯(lián)系簡圖Fig.4 Relationship of metro traction substations

1.2牽引變壓器

1.2.1普速鐵路牽引變壓器

根據(jù)《TB 10009—2005鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：“電氣化鐵路應(yīng)為一級負(fù)荷，牽引變電所應(yīng)由兩路電源供電，當(dāng)一路故障時，另一路仍能正常供電”[9]。牽引變電所內(nèi)設(shè)置2臺互為備用的牽引變壓器，原邊電壓等級多為110 kV。文獻(xiàn)[10]綜合分析了牽引變壓器的各種接線形式，得出電氣化鐵路牽引變壓器宜選擇V/v接線。但是當(dāng)外部電源容量較大時，也可采用單相接線形式的牽引變壓器。

V/v接線牽引變壓器如圖5所示，與三相接線牽引變壓器與平衡變壓器相比，其結(jié)構(gòu)簡單，且當(dāng)兩臂供電負(fù)荷相等時，對電力系統(tǒng)三相不平衡度的影響僅為單相接線牽引變壓器的1/2，容量利用率為100%。

圖5　V/v接線接線牽引變壓器Fig.5 V/v traction transformer

1.2.2高速鐵路牽引變壓器

我國在建和擬建的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)普遍采用大容量V/x接線牽引變壓器[11]。V/x接線牽引變壓器接線方式，如圖6所示，由2臺單相變壓器組合構(gòu)成，變壓器牽引側(cè)一端與接觸網(wǎng)相接，另一端與負(fù)饋線相接，中間抽頭與鋼軌相接。V/x接線牽引變壓器能夠提供一個接地中性點，結(jié)構(gòu)較簡單，投資較少，容量利用率高，且對負(fù)序電流的抑制效率與V/v接線相當(dāng)，適用于AT供電系統(tǒng)。

圖6　V/x接線牽引變壓器Fig.6 V/x traction transformer

1.2.3地鐵牽引整流變壓器

地鐵牽引整流變壓器由移相變壓器和整流機(jī)組兩部分構(gòu)成。移相變壓器從中壓網(wǎng)絡(luò)吸收三相對稱電源，降壓后送至整流機(jī)組，然后整流機(jī)組整流為直流十二脈波。

圖7　十二脈波整流電路圖Fig.7 12-pluase rectifier circuit

圖8　延邊三角接線原理圖Fig.8 Wye -zigzag delta connected transformer

地鐵牽引網(wǎng)上電流為二十四脈波直流，二十四脈波由兩個相位相差15°的十二脈波疊加而成[12]。移相變壓器能使系統(tǒng)側(cè)的三相電源移相±7.5°，使之在整流后得到一個相位超前7.5°的十二脈波和一個相位滯后7.5°的十二脈波。圖7與圖8分別給出了整流電路和采用延邊三角接線的移相變壓器原理圖。采用二十四脈波對諧波有較好的抑制效果，功率因數(shù)較高，電壓平穩(wěn)性高等優(yōu)點，但在遠(yuǎn)期客流量較大時，諧波污染較嚴(yán)重[13]。

1.3.1普速鐵路牽引變電所主接線

牽引變電所的進(jìn)線電源來自110 kV電力系統(tǒng)的兩條獨立線路，經(jīng)過2臺互為備用的牽引變壓器向接觸網(wǎng)供電。牽引變壓器與供電方式共同決定了牽引變電所接線方式。但無論選擇哪種供電方式與牽引變壓器接線方式，均必須保證一級負(fù)荷供電的可靠性，通過設(shè)置備用的牽引變壓器，保證牽引變壓器在檢修或故障時另一臺能負(fù)擔(dān)起負(fù)荷使系統(tǒng)繼續(xù)工作[8]。采用YNd11牽引變壓器的牽引變電所如圖9所示，圖中兩路不同電源分別為2臺牽引變壓器供電，互為備用。

圖9　普速鐵路牽引變電所接線示意圖Fig.9 Wiring diagram of traditional railway traction substation

1.3.2高速鐵路牽引變電所主接線

我國高速鐵路供電方式采用大容量V/x牽引變電所與AT供電方式[14]。如圖10所示，正常運行時，電力系統(tǒng)兩路220 kV進(jìn)線提供電能，互為熱備用。牽引變電所內(nèi)采用2臺220/2×27.5 kV牽引變壓器，互為備用。

圖10　高速鐵路牽引變電所接線示意圖Fig.10 Wiring diagram of high-speed railway traction substation

1.3.3鐵路分區(qū)所

為了提高供電靈活性，增強(qiáng)運行可靠性，常在兩牽引變電所供電臂之間設(shè)置分區(qū)所。分區(qū)所常用于雙邊供電和上下行接觸網(wǎng)末端并聯(lián)[7]。值得指出的是，分區(qū)所接線方式與供電方式相關(guān)，以AT供電方式為例，分區(qū)所主接線簡化示意圖如11所示。正常情況下，AT分區(qū)所由2個不同供電臂末端的AT所組成，當(dāng)分區(qū)所任一側(cè)的牽引變電所出現(xiàn)故障時，越區(qū)隔離開關(guān)合閘，實現(xiàn)越區(qū)供電。

1.3.4AT所接線

AT供電方式下，須在沿線每隔10～15 km設(shè)置自耦變壓器和相應(yīng)配電裝置。AT所有二大作用：一是向接觸網(wǎng)供電；二是維持接觸網(wǎng)電壓水平。AT所的主接線簡化示意圖如圖12所示，正常情況下，上下行在AT所處實現(xiàn)并聯(lián)，共用一臺自耦變壓器，一臺運行，另一臺備用，以增強(qiáng)供電可靠性。

圖11　AT分區(qū)所主接線簡圖Fig.11 Wiring diagram of subsection posts based on AC power supply mode

圖12　AT所主接線簡化示意圖Fig.12 Autotransformer post diagram

1.3.5地鐵牽引變電所接線

國內(nèi)地鐵線路牽引變電所多采用單母線分段并設(shè)置母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)的方式，如圖13所示。中壓母線分為35 kVⅠ段和Ⅱ段。

圖13　地鐵牽引變電所電氣主接線簡圖Fig.13 Wiring diagram of metro traction substation

母線電源進(jìn)線來自同一座主變電所的2臺不同主變壓器，因此在一路電源無法正常供電時，可通過母聯(lián)開關(guān)將兩段母線聯(lián)絡(luò)起來，使用同一路電源供電。當(dāng)一臺牽引整流變壓器解列時，由另一臺牽引整流變壓器輸出十二脈波供機(jī)車使用。當(dāng)2臺牽引整流變壓器都解列時，則采用大雙邊供電。

1.4主要電氣保護(hù)

1.4.1鐵路保護(hù)配置

無論普速鐵路，還是高速鐵路，合理的繼電保護(hù)配置是鐵路牽引供電系統(tǒng)安全和穩(wěn)定運行的保證。無論高鐵還是普速鐵路，牽引變電所內(nèi)都設(shè)置了相同類型的繼電保護(hù)，只是保護(hù)整定值由于牽引網(wǎng)阻抗、機(jī)車密度等因素不同而不同。

保護(hù)的具體配置與電氣化鐵道所采用供電方式、電氣設(shè)備、工作環(huán)境相關(guān)，所以保護(hù)種類眾多，本節(jié)不一一羅列。牽引供電系統(tǒng)與配電網(wǎng)的主要區(qū)別在于其單相供電性與負(fù)荷波動性，這主要反映在饋線與變壓器之上。因此，本節(jié)主要介紹電氣化保護(hù)中的饋線保護(hù)與變壓器保護(hù)。

1)饋線保護(hù)

鐵路牽引供電系統(tǒng)各個部分的饋線保護(hù)配置如表1所示。

表1　鐵路牽引供電系統(tǒng)饋線保護(hù)配置

牽引變電所饋線設(shè)置雙重主保護(hù)，即阻抗保護(hù)和低壓啟動過流保護(hù)；設(shè)置電流增量保護(hù)為其近后備保護(hù)。同時，饋線的阻抗保護(hù)又是越區(qū)供電時分區(qū)所至相鄰變電所之間接觸網(wǎng)的遠(yuǎn)后備保護(hù)。

AT分區(qū)所設(shè)置失壓保護(hù)的作用是在故障發(fā)生時解除接觸網(wǎng)饋線與AT分區(qū)所的電氣連接。但是當(dāng)相鄰變電所故障時，即在越區(qū)供電下，須在分區(qū)所設(shè)置Ⅰ段阻抗保護(hù)、低壓啟動過流保護(hù)作為越區(qū)供電線路的主保護(hù)，電流增量保護(hù)為其后備保護(hù)。

AT所設(shè)置失壓保護(hù)的作用是在故障發(fā)生時解除接觸網(wǎng)饋線與AT所的電氣連接。

2)變壓器保護(hù)

①牽引變壓器：設(shè)置差動保護(hù)作為牽引變壓器的主保護(hù)，以應(yīng)對牽引變壓器內(nèi)部繞組相間短路和單相嚴(yán)重匝間短路等內(nèi)部故障。同時，在變壓器一、二次側(cè)設(shè)置低壓啟動過流保護(hù)作為變壓器的近后備保護(hù)，其中二次側(cè)的低壓啟動過電流保護(hù)是27.5 kV母線的主保護(hù)，同時也是饋線保護(hù)的遠(yuǎn)后備保護(hù)。牽引變壓器還設(shè)置了非電量保護(hù)，如瓦斯保護(hù)、溫度保護(hù)。此外，在一次側(cè)進(jìn)線還設(shè)置失壓保護(hù)，以應(yīng)對電力系統(tǒng)向牽引變電所兩路進(jìn)線電源出現(xiàn)故障。

②自耦變壓器：設(shè)置差動保護(hù)為自耦變壓器主保護(hù)，設(shè)置低壓啟動過流保護(hù)為后備保護(hù)。同時，自耦變壓器還設(shè)置了瓦斯保護(hù)、溫度保護(hù)等非電量保護(hù)。此外，自耦變壓器設(shè)置碰殼保護(hù)，以應(yīng)對變壓器高壓套管絕緣損壞以及引出線碰到變壓器外殼上所造成的單相接地故障。

1.4.2地鐵保護(hù)設(shè)置

地鐵牽引供電系統(tǒng)中既有交流AC35 kV的中壓網(wǎng)絡(luò)，也有DC1 500 V牽引網(wǎng)直流網(wǎng)絡(luò)。由于同時包括交、直流系統(tǒng)保護(hù)，種類繁多，這里不一一贅述。本節(jié)僅對直流饋線、整流機(jī)組保護(hù)配置做簡要介紹，其他主要部分保護(hù)配置見表2。

表2　地鐵保護(hù)配置

直流饋線主保護(hù)包括DDL保護(hù)、熱過負(fù)荷保護(hù)、雙邊聯(lián)跳保護(hù)。DDL保護(hù)即電流上升率及電流增量保護(hù)。文獻(xiàn)[15]給出牽引網(wǎng)短路電流與機(jī)車啟動電流的特點：

1)近端短路電流上升率與近端列車啟動電流上升率有明顯差別；遠(yuǎn)端短路電流上升率與遠(yuǎn)端列車啟動電流上升率差別不大；

2)近端短路電流增量大于近端列車啟動電量；

3)遠(yuǎn)端短路電流持續(xù)時間大于遠(yuǎn)端列車啟動電流時間。

DDL保護(hù)綜合了電流增量、電流上升率、持續(xù)時間三類信息，能區(qū)分遠(yuǎn)端列車啟動電流與短路電流。牽引網(wǎng)短路電流會使?fàn)恳W(wǎng)溫度上升，所以采用熱過負(fù)荷保護(hù)檢測牽引網(wǎng)溫度，從而判斷是否出現(xiàn)故障。由于地鐵采用雙邊供電，所以設(shè)置雙邊聯(lián)跳保護(hù)以保證牽引網(wǎng)出現(xiàn)故障時兩側(cè)電源被同時切除。

整流機(jī)組的主保護(hù)是內(nèi)部短路保護(hù)，由兩部分構(gòu)成：一是內(nèi)部過電壓保護(hù)，可防止工作中出現(xiàn)過高的反向過電壓將大功率二極管反向擊穿；二是快速熔斷器和逆流監(jiān)視，可防止大功率二極管被反向擊穿后出現(xiàn)逆流和過電流[16]。

2牽引供電系統(tǒng)發(fā)展歷程

牽引供電系統(tǒng)是電力機(jī)車的能源系統(tǒng)，主要由牽引變電所和牽引網(wǎng)組成。牽引變壓器作為變電所中的核心元件，其作用是將電力系統(tǒng)提供的電能轉(zhuǎn)換并送至牽引網(wǎng)。同時，牽引網(wǎng)電壓水平直接受牽引網(wǎng)供電方式影響。因此，本節(jié)主要從牽引變壓器、牽引網(wǎng)供電方式兩個方面依次介紹牽引供電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展歷程。

2.1鐵路牽引供電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展

2.1.1牽引變壓器

牽引負(fù)荷為單相負(fù)荷且具有隨機(jī)波動的特點，所以對電力系統(tǒng)而言，牽引負(fù)荷是不對稱負(fù)荷，其產(chǎn)生的負(fù)序電流將影響電能質(zhì)量。另外，牽引變壓器容量也隨著鐵路運量與列車速度的增長而不斷增加。因此，牽引變壓器的技術(shù)發(fā)展過程是負(fù)序抑制效果逐步提高與變壓器容量不斷增大的過程。

早期鐵路運量較小，列車運行速度低，對牽引變壓容量要求小，單相牽引變壓器足以滿足需求。同時，單相牽引變壓器還具容量利用率高、制造簡單、維護(hù)方便、工程建設(shè)投資較少等優(yōu)點。因此，單相牽引變壓器在早期的鐵路線路中采用較多。但隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，容量較小的單相牽引變壓器逐漸不能負(fù)擔(dān)起不斷增長的鐵路運量與更高的列車運行速度。

為了滿足鐵路對大容量變壓器的需求，YNd11接線牽引變壓器得到廣泛采用。YNd11接線牽引變壓器容量較大、結(jié)構(gòu)簡單、制造工藝成熟，且其次邊仍保持三相，不但能為接觸網(wǎng)供電，同時也能為變電所提供三相電源，文獻(xiàn)[7]分析了其運行特性。YNd11接線變壓器雖滿足了對容量的需求，但它對負(fù)序電流卻沒有抑制效果，影響電網(wǎng)電能質(zhì)量[17]。

為了改善Ynd11接線變壓器的負(fù)序問題，我國1985年在京秦線上采用了Scott接線牽引變壓器，此后在大秦線、鄭武線等區(qū)段上也廣泛運用。Scott接線變壓器具有較大的容量與優(yōu)良的負(fù)序抑制效果。文獻(xiàn)[18]～[19]分析了Scott接線變壓器的運行特性，并給出其可用于穩(wěn)暫態(tài)分析的數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[20]給出了Scott接線變壓器負(fù)序電流表達(dá)式、電流不平衡度以及電壓不平衡度。眾多研究和實際運行結(jié)果表明，Scott接線變壓器能很好地抑制負(fù)序電流。但Scott接線變壓器也具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大、占地面積大、工程建設(shè)成本高的缺點。

隨著鐵路運量不斷增大和高速鐵路及重載鐵路的發(fā)展，同時具有一定負(fù)序抑制效果及較大容量的V型接線牽引變壓器在新建工程中得以應(yīng)用。與Scott接線變壓器相比，V型接線牽引變壓器具有更高的容量利用率、相對較低的制造成本、更少的占地面積及工程投資等優(yōu)點，文獻(xiàn)[21]～[23]對它們做了深入研究。因此，V型接線牽引變壓器在我國電氣化鐵路廣泛應(yīng)用。

2.1.2牽引網(wǎng)供電方式

牽引網(wǎng)供電方式技術(shù)發(fā)展過程是牽引網(wǎng)供電能力不斷增強(qiáng)與其對通信影響不斷減小的技術(shù)發(fā)展過程。為此，我國電氣化鐵路牽引供電方式主要經(jīng)歷了3種供電方式：直接供電方式、吸流變壓器-回流線供電方式、帶回流線的直供方式和自耦變壓器供電方式。

我國最初的電氣化鐵路廣泛采用直接供電方式，如圖14示，由接觸網(wǎng)和軌-地直接構(gòu)成回路。直接供電方式具有結(jié)構(gòu)簡單，投資少，維護(hù)方便的優(yōu)點，適合我國當(dāng)時鐵路運量小，線路少，列車運行速度低的基本情況。隨著鐵路運輸量日趨增大且逐漸向平原經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和城市延伸，直供方式暴露了其對周圍通信線路電磁干擾大的缺點。

圖1　直接供電方式簡圖Fig.1 Direct feeding system diagram

為了減少對通信的影響，國內(nèi)部分線路開始采用吸流變壓器-回流線供電方式，簡稱BT供電方式，如圖15所示。BT供電方式通過在牽引網(wǎng)上裝設(shè)變比為1∶1的吸流變壓器，使電流通過回流線流回牽引變電所，從而減少對周圍通信的影響。但采用BT供電方式，又會造成牽引網(wǎng)阻抗增大、供電距離縮短、工程造價高、易造成火花間隙等缺點，這些缺點限制了BT供電方式在我國的廣泛應(yīng)用。

圖2　BT供電方式簡圖Fig.2 Boost transformer feeding system diagram

考慮到直接供電方式和BT供電方式的缺點，我國鐵路開始廣泛采用帶回流線的直供方式和自耦變壓器供電方式，簡稱DN供電方式和AT供電方式，它們不僅具有較強(qiáng)的供電能力和較小的牽引網(wǎng)阻抗，而且還能減輕對周圍通信的影響。并且AT供電方式因為其供電能力強(qiáng)、供電距離大，牽引網(wǎng)壓損、能量損失小的特點，廣泛應(yīng)用于我國高速、重載鐵路及客運專線。同時，對AT供電方式的改進(jìn)產(chǎn)生了全并聯(lián)AT供電方式，電壓損失相對于普通的AT供電方式更小，具有更強(qiáng)的供電能力，文獻(xiàn)[24-27]等對此做了充分的研究。

2.2地鐵牽引供電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展

2.2.1牽引整流變壓器

我國早期地鐵線路運量低，主要采用不可控整流電路的牽引整流變壓器。但這種傳統(tǒng)的牽引整流變壓器無法回收列車制動能量。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為了適應(yīng)地鐵能耗的不斷上升以及國家節(jié)能減排的要求。牽引整流變壓器正在逐步向大功率PWM整流器過渡。文獻(xiàn)[28]～[30]研究表明，采用大功率PWM裝置不僅具有較強(qiáng)的供電能力，而且還能回收列車制動能量，提高能源利用率，降低地鐵運營成本。

2.2.2牽引網(wǎng)供電方式

地鐵牽引供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)供電方式的發(fā)展過程是其供電能力不斷增強(qiáng)的過程。早期，我國地鐵運量小，牽引網(wǎng)采用主要采用直流750 V第三軌供電。隨著地鐵運量的不斷上升，要求牽引網(wǎng)具有更強(qiáng)的供電能力，從2000年至今，牽引網(wǎng)主要采用直流1 500 V架空接觸網(wǎng)供電，有些城市甚至已經(jīng)采用直流3 000 V架空接觸網(wǎng)。文獻(xiàn)[31]詳細(xì)分析了750 V第三軌供電不足之處，及DC1500V架空接觸網(wǎng)供電的優(yōu)勢。

3普速鐵路、高鐵、地鐵聯(lián)系與區(qū)別

本節(jié)分析了普速鐵路、高鐵、地鐵三者牽引供電系統(tǒng)不同之處，具體結(jié)果見表3。

1)供電制式：考慮到今后發(fā)展重載、高速鐵路，牽引供電系統(tǒng)選擇供電制式為25 kV/50 Hz單相工頻交流制。城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)選擇供電制式為DC1500/750V，原因如下：

①直流供電制無電抗壓降，相對于交流來說電壓損小；

②地鐵牽引供電系統(tǒng)供電范圍小，機(jī)車功率小，所需電壓低；

③城市軌道交通供電線路處在建筑群之間，供電電壓不宜過高；

④直流電機(jī)具有較好的調(diào)速性能。

2)牽引供電系統(tǒng)進(jìn)線電壓等級: 普速鐵路牽引供電系統(tǒng)進(jìn)線電壓等級多為110 kV；考慮高鐵速度快、列車密度大，其牽引供電系統(tǒng)進(jìn)線電壓等級為220 kV；地鐵牽引供電系統(tǒng)電源來自主變壓器的35 kV中壓網(wǎng)絡(luò)或由開閉所引入城市電網(wǎng)10 kV電源，進(jìn)線電壓等級為35 kV或10 kV。

3)運行速度：高鐵是指設(shè)計運營速度在250 km/h以上(含預(yù)留)，并且初期運營速度200 km/h以上的客運專線鐵路[32]。一些未經(jīng)改造的既有線路，運營速度能力低于200 km/h的都稱作普速鐵路。

4)牽引變壓器接線方式：普速鐵路牽引變壓器接線方式多為單相V/v，阻抗匹配平衡變壓器；高鐵牽引變壓器接線方式為單相V/x接線。地鐵采用牽引整流變壓器。

5)牽引網(wǎng)供電方式：普速鐵路牽引網(wǎng)供電方式多為DN供電方式，高鐵牽引網(wǎng)供電方式為AT供電方式。

6)接觸網(wǎng)材料：高速鐵路的牽引負(fù)荷主要是列車克服高速行駛下空氣阻力所需的動力，而普速鐵路牽引負(fù)荷主要是牽引負(fù)載和克服線路阻力，故高鐵牽引負(fù)荷特點相對于普速鐵路來說負(fù)荷大且具有持續(xù)性。因此，高速鐵路接觸網(wǎng)必須提供大且持續(xù)的負(fù)荷電流，接觸網(wǎng)載流量也因此變大。所以，在接觸網(wǎng)選材中，普速鐵路所用的銀銅接觸線已不再適用于高鐵，取而代之的是強(qiáng)度更高，導(dǎo)電率更大的錫銅合金、鎂銅合金導(dǎo)線[33]。

7)GIS組合開關(guān)柜：由于高速鐵路供電可靠性要求高，所以廣泛采用GIS組合開關(guān)柜。普速鐵路則采用27.5 kV敞開式高壓電氣設(shè)備，以空氣為絕緣介質(zhì)。地鐵牽引供電系統(tǒng)設(shè)備大都處于地下，空間狹小，采用GIS組合開關(guān)柜可大大減少空間占用，且能提高供電可靠性，不對通信產(chǎn)生影響。

8)綜合接地系統(tǒng)：由于高速鐵路牽引負(fù)荷大，牽引變電所回流電流較大，繼續(xù)采用普速牽引變電所接地系統(tǒng)會面臨兩大嚴(yán)重問題：一是回流電流造成地網(wǎng)電位不相等，對人身以及設(shè)備安全造成威脅，對保護(hù)、測量、信號裝置造成影響；二是機(jī)車起動、制動使得母線電流波動，波動產(chǎn)生電磁信號對通信造成干擾。文獻(xiàn)[34]對無渣軌道綜合接地系統(tǒng)的研究表明，高速鐵路無渣軌道采用綜合接地系統(tǒng)后滿足軌道電位和設(shè)備通信的要求。

9)單雙邊供電與電分相：鐵路為單邊供電形式，在兩個牽引變電所供電臂之間使用電分相，隔離相鄰供電臂。普速鐵路采用器件式或者錨段關(guān)節(jié)式分相，而高速鐵路由于其速度快的特點，使得器件式分相有如下缺點：自身重量產(chǎn)生的硬點導(dǎo)致異常磨耗、接頭處打碰弓進(jìn)而引發(fā)弓網(wǎng)故障[35]；絕緣部分老化，性能降低，惡劣天氣下存在短路風(fēng)險。所以，高鐵采用錨段關(guān)節(jié)式分相。但電分相的存在，使得接觸網(wǎng)出現(xiàn)電氣斷點，機(jī)車不能持續(xù)從接觸網(wǎng)上取得電能[36]，同時也造成電網(wǎng)三相不對稱[37]。地鐵牽引網(wǎng)上為直流電，采用雙邊供電方式，故無電分相。

表3　普速鐵路、高鐵、地鐵牽引供電系統(tǒng)區(qū)別

4總結(jié)與展望

軌道交通的快速發(fā)展使得牽引供電系統(tǒng)成為研究熱點之一。本文著手于牽引供電系統(tǒng)，對普速鐵路、高鐵、地鐵三者的牽引供電系統(tǒng)做出介紹，階段性地分析了供電方式、牽引變壓器技術(shù)在我國軌道建設(shè)過程中的發(fā)展歷史，并在此基礎(chǔ)上，總結(jié)三者牽引供電系統(tǒng)的聯(lián)系與差別。

鐵路運輸量與列車運行速度的不斷上升，線路建設(shè)逐步延生至中小城市，對鐵路牽引供電系統(tǒng)也提出更高要求。因此，鐵路牽引供電系統(tǒng)將會面對2個方面的問題，一方面要增強(qiáng)其供電能力，另一方面要減小其對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量及鐵路線周圍通信的影響。因此，對大容量、高容量利用率且具有較好負(fù)序抑制效果牽引變壓器的研究和具有更強(qiáng)供電能力供電方式的研究有利于我國鐵路牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展。

對地鐵牽引供電系統(tǒng)而言，存在2個問題：一是列車頻繁的制動造成能源浪費；二是牽引變電所供電距離較短，增加了線路牽引變電所數(shù)量和工程建設(shè)成本。對于以上2個問題，一方面新建線路中可采用反饋式新型直流牽引供電系統(tǒng)實現(xiàn)對列車制動能量的回收，另一方面可適當(dāng)提高牽引網(wǎng)電壓，增強(qiáng)供電能力，減少線路牽引變電所數(shù)量。

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(編輯陽麗霞)

Overview of traction power supply system for rail transportation

HE Yangyang, HUANG Kang, WANG Tao, ZHANG Gexiang

(School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Abstract:This paper discussed the connections and distinctions of three kinds of traction power supply systems of universal speed railway, high-speed railway and metro. First, these three kinds of traction power supply systems were analyzed from the perspectives of power supply, transformers, traction substation connection and protective configuration. And then, key technology developments of traction power supply systems were summarized as well as the connections and distinctions among the three kinds of traction power supply systems. Finally, the trend of traction power supply technology was presented.

Key words:traction power supply system; rail transit; universal speed railway; high-speed railway; the subway metro; transformer

中圖分類號：U22

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)02-0352-10

通訊作者：張葛祥(1974-)，男，四川綿陽人，教授，博士，從事自然計算及智能電網(wǎng)研究; E-mail: zhgxdylan@126.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(61170016，61373047)

收稿日期：2015-07-28