楊桂林

[摘 ? ?要]主要就電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)展開研究。牽引供電系統(tǒng)目前在設(shè)計過程中依然存在較多問題，這些問題若不能有效解決，不僅將會導(dǎo)致供電系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行問題，同時也會干擾其供電效率，威脅電氣化鐵路運(yùn)行的可靠性及安全性。通過全新的解決策略，可以更好地對供電系統(tǒng)中存在的諧波、無功等問題提出解決措施，以便能夠?qū)崿F(xiàn)全面調(diào)整。解決供電技術(shù)問題，并提出合理的改進(jìn)措施，對鐵路牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行深刻分析，以促進(jìn)我國鐵路電氣化發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]電氣化;牽引供電;諧波

[中圖分類號]TM64;U226.5 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）01–0–03

[Abstract]This article focuses on the research of electrified railway traction power supply system. There are still many problems in the design process of traction power supply systems. If these problems are not effectively resolved， they will not only cause operational problems in the power supply system， but also interfere with its power supply efficiency and threaten the reliability and safety of the operation of electrified railways. Through a brand-new solution strategy， it is possible to better propose solutions to problems such as harmonics and reactive power in the power supply system， so as to be able to achieve comprehensive adjustments. Solving power supply technical problems， proposing reasonable improvement measures， and conducting a deep analysis of the railway traction power supply system will provide effective assistance to the development of railway electrification in my country.

[Keywords]electrification; traction power supply; harmonics

電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)對于鐵路的穩(wěn)定運(yùn)行具有非常重要的實(shí)際作用，通過供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，不僅能夠?yàn)殡姎饣到y(tǒng)的運(yùn)作提供保障，同時還可以解決以往在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種問題。在鐵路牽引供電系統(tǒng)研究中，牽引供電方式以及電力機(jī)車性能不斷改善，但仍有一部分問題需要解決。通過現(xiàn)有問題的挖掘以及分析，找出解決方案，保障整個行車的安全性、有效性。

1 電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)主要運(yùn)行方式

牽引供電系統(tǒng)是將交流中壓電壓經(jīng)降壓整流變成27.5 kV交流的電壓，為電力機(jī)車提供牽引供電。牽引變電所可以分成牽引變電所、分區(qū)所、AT所。牽引變電所進(jìn)線側(cè)配電裝置大多數(shù)采用室外中型布置，也有少量的采用GIS或PASS（半GIS）設(shè)備室內(nèi)布置，作為試點(diǎn)京雄牽引所采用了GIS布置。

1.1 供電電壓

就電氣化鐵路供電牽引系統(tǒng)進(jìn)行分析，在供電電壓中，需要按照我國電網(wǎng)的基本設(shè)定，確保整個電壓能夠使用50 Hz交流制。一般而言，電網(wǎng)輸出110 kV、220 kV、330 kV電壓實(shí)現(xiàn)變電站供電的目的。此外，在牽引變電站中，還可以利用變壓器降壓的方式進(jìn)入鐵路系統(tǒng)的接觸網(wǎng)，從而為實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路提供全新的能源以及基礎(chǔ)。供電系統(tǒng)為電氣化鐵路提供的標(biāo)準(zhǔn)電壓為25 kV。顯而易見，該電壓具備穩(wěn)定性的優(yōu)勢。在該系統(tǒng)中，使用配套的基礎(chǔ)網(wǎng)、電氣化鐵路等設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)電壓同樣設(shè)定為25 kV。在以往我國使用的外部電壓上限為110 kV，直至哈爾濱至大連鐵路修建結(jié)束后，我國開始修建220 kV鐵路線。因此，我國修建的鐵路后續(xù)以220 kV外部供電為主。

1.2 接觸網(wǎng)

接觸網(wǎng)主要為電氣化鐵路提供相應(yīng)的電壓以及電流，完成交流供電。因此，電氣化鐵路通過接觸網(wǎng)，能夠獲得其運(yùn)行的必要能源，接觸網(wǎng)供電方式多種多樣，包含了直接供電、直供回流以及BT供電等。我國電氣化鐵路一般采用BT供電，隨著越來越多的鐵路使用BT供電系統(tǒng)后，我國電氣化鐵路改為AT供電模式。與BT供電模式相比，AT供電模式更快捷，且供電速度、效率能夠符合鐵路化電氣化發(fā)展。

1.3 牽引供電系統(tǒng)模式

在牽引供電系統(tǒng)模式中，我國大部分高速鐵路使用的牽引系統(tǒng)一般包含了變電站以及接觸網(wǎng)兩大部分。二者通過全新的配合進(jìn)行運(yùn)作，保障整個供電系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。此外，變電站為供電系統(tǒng)提供全新的運(yùn)行保障，其主要職能將電網(wǎng)中的高壓電轉(zhuǎn)化為能與電氣化鐵路相適應(yīng)的電壓。經(jīng)過以上操作后，變電站還應(yīng)將轉(zhuǎn)換過的能源輸入接觸網(wǎng)，為電氣化鐵路的運(yùn)行提供全新動力。對變電站的設(shè)備種類進(jìn)行分析，變電站設(shè)備種類極為豐富，例如變壓器、繼電器等。而牽引系統(tǒng)的供電模式對于電氣化鐵路的運(yùn)行速度以及承載能力具有直接聯(lián)系，可以確保牽引系統(tǒng)穩(wěn)定供電，保障鐵路線路能夠精準(zhǔn)運(yùn)行。

2 電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的特征

2.1 系統(tǒng)特殊性

在系統(tǒng)特殊性中，包含了系統(tǒng)自身特殊性以及系統(tǒng)安全管理。

例如，在系統(tǒng)特殊性中，電氣化鐵路牽引系統(tǒng)可以將三相電力設(shè)備輸入電能耗，利用變壓換流等方法，為電氣化鐵路提供穩(wěn)定的電能，確保電氣化鐵路設(shè)備能夠發(fā)揮自身的基本作用。在單向交流模式中，我國電氣化鐵路牽引系統(tǒng)使用較為廣泛，從系統(tǒng)的特殊性分析，可以包含以下內(nèi)容。

（1）電氣化鐵路牽引系統(tǒng)原為單相，但公路電力為三相。因此，這就要求變電站具備非對稱的特性。

（2）牽引供電系統(tǒng)的方式與機(jī)械設(shè)備的類型較多，在該條件下，等效的供電模型則較不適用。

（3）牽引系統(tǒng)中鋼軌不僅能夠?yàn)殡姎饣熊囂峁┤履茉?，還能夠有回流線并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的目的。在供電系統(tǒng)中，由于其運(yùn)行處于多樣化的環(huán)境，因此這就要求通用的求解模式能夠適應(yīng)于多樣化的環(huán)境。但一般的求解模式無法套用，這就導(dǎo)致供電系統(tǒng)存在一定的特殊性。

（4）而在系統(tǒng)安全管理中，在一般情況下電氣化牽引供電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中若產(chǎn)生問題，將會對列車日常運(yùn)行以及乘客的安全造成嚴(yán)重影響。為了避免問題發(fā)生，導(dǎo)致鐵路出現(xiàn)運(yùn)行風(fēng)險，就需要對系統(tǒng)進(jìn)行安全管理。

例如，列車運(yùn)行速度通常為200 km/h，這就很容易導(dǎo)致電氣系統(tǒng)故障出現(xiàn)。因此，為了避免出現(xiàn)不可挽回的后果，我國電氣化鐵路使用無人值班的方式，結(jié)合智能性以及自動性。但無人值班若出現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)故障，或在特殊情況下，有可能對故障無法進(jìn)行及時修復(fù)調(diào)整。因此，通過數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的部分故障，不僅由于設(shè)備自身不足，還有可能由設(shè)備過度使用所造成。因此，完善電氣化鐵路管理體系，對相關(guān)人員進(jìn)行集中培訓(xùn)，采用人工+智能的方式，可以避免系統(tǒng)出現(xiàn)故障，保障乘客生命安全。因此，加固系統(tǒng)的安全管理具有非常重要的實(shí)際作用。

2.2 高次諧波對于供電系統(tǒng)的影響

（1）對于設(shè)備部件會造成一定程度的損耗，影響電網(wǎng)正常運(yùn)行。在部分情況下，甚至?xí)υO(shè)備造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。

（2）高次諧波還會對設(shè)備的自動性以及繼電保護(hù)產(chǎn)生一定的干擾。例如，會導(dǎo)致繼電保護(hù)造成誤動，影響電網(wǎng)的安全性與穩(wěn)定性。

（3）高次諧波會對電氣測量儀表的精準(zhǔn)度造成干擾，影響設(shè)備自身的容量、能量。此外，對于變壓器的運(yùn)行還會導(dǎo)致電網(wǎng)的波動，鐵路部門相關(guān)技術(shù)人員必須降低高次諧波對于供電系統(tǒng)功能的影響。

3 電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)常見問題分析

3.1 無功功率

無功功率是牽引供電系統(tǒng)的常見問題，由于電力機(jī)車屬于一個隨機(jī)變化特性的感性負(fù)載。因此，它的基波電流會滯后，使電壓存在一定的滯后性。無法及時、精準(zhǔn)地進(jìn)行反饋，由于變電器牽引電機(jī)設(shè)備、非線性電子電力器件非線性調(diào)節(jié)作用，會導(dǎo)致機(jī)車電流中包含大量的不對稱分布，這些不對稱分布為諧波成分。牽引負(fù)載功率較大、時間以及空間分布性較強(qiáng)、三相不對稱等特點(diǎn)，均有可能導(dǎo)致牽引供電系統(tǒng)成為電力系統(tǒng)中的無功源。且供電系統(tǒng)中的無功功率對供電線路、變電設(shè)備以及其他設(shè)備而言，會導(dǎo)致發(fā)熱程度增加。而對于無功功率，會使電流增大的問題，也會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)變壓器等其他設(shè)備出現(xiàn)一系列的運(yùn)作問題，導(dǎo)致送電設(shè)備出現(xiàn)一系列的問題。

3.2 負(fù)序電流

在負(fù)序電流中，我國電氣化鐵路通過三相電力系統(tǒng)，經(jīng)牽引將變壓器設(shè)定為110 kV，電壓降低至27.5 kV，在牽引網(wǎng)以及電力機(jī)車中進(jìn)行單向供電。因牽引電變壓器不對稱的固定方式，會對整個電壓系統(tǒng)造成負(fù)序電流沖擊，從而使整個供電設(shè)備產(chǎn)生一系列的危害。例如，會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子升溫，引起一系列的問題，如振動變壓器能耗損失增多等，對于鐵心磁路會產(chǎn)生附加發(fā)熱、輸電線路能量損失增多等問題。降低線路的輸送能力，繼電器保護(hù)與自動裝置負(fù)序參量啟動元件物動作增多等。

3.3 諧波電流

在諧波電流中，諧波電流對于整個電力系統(tǒng)所產(chǎn)生的問題已然引起我國鐵路重視。例如，其主要出現(xiàn)在以下方面。

（1）諧波會導(dǎo)致公共網(wǎng)絡(luò)中的元件損耗加劇，降低用電、輸電、發(fā)電設(shè)備的效率。此外，斜波還會導(dǎo)致線路過熱，引發(fā)火災(zāi)。

（2）諧波會導(dǎo)致各種電氣設(shè)備無法正常運(yùn)作，對電機(jī)造成影響。此外，除增加損耗外，還會引起機(jī)械振動、噪聲以及電壓，使變壓器電纜等電力設(shè)備產(chǎn)生過熱、絕緣、老化等影響。

（3）諧波會使整個公共電網(wǎng)中產(chǎn)生的局部諧振與串聯(lián)諧振結(jié)合，從而使諧波放大，危害更加突出。

4 電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)問題對策

4.1 無功功率解決方案

（1）提高機(jī)車的功率因數(shù)。在機(jī)車上，配備正確的功率運(yùn)輸裝置并進(jìn)行校準(zhǔn)。

（2）在交、直、交機(jī)車上，整個環(huán)節(jié)流程采用四象限整流器PWM，可以使機(jī)車輸入電流機(jī)波以及電壓相同，消除整個功率因素問題。

（3）對于機(jī)車產(chǎn)生的無功功率，可以采用就近補(bǔ)償?shù)姆椒?，通過牽引變電將有源、無源二者結(jié)合，通過混合補(bǔ)償?shù)姆绞酵瓿烧{(diào)整。

4.2 負(fù)序電流解決方案

（1）通過全新的補(bǔ)償方法，如通過STATCOM補(bǔ)償方式，對負(fù)序電流系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。與常規(guī)的補(bǔ)償方式相比，STATCOM補(bǔ)償方式速度極快，且工作效率較高，諧波輸出含量較小。在應(yīng)用過程中，可以有效適應(yīng)負(fù)荷率要求，具備極佳的應(yīng)用效果。在兩相結(jié)構(gòu)的STATCOM中，可以實(shí)現(xiàn)有功功率、無功功率四象限控制，對變電的兩供電臂進(jìn)行無功動態(tài)補(bǔ)償，調(diào)節(jié)兩供電臂的有功潮流，使負(fù)荷能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)平衡。

（2）針對于牽引變電所的電源，對其電源等級進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)定。例如，對整個電源等級統(tǒng)一采用220 V，且220 V由于電網(wǎng)供電能力較高，負(fù)序電流的問題可以得到有效緩解。

（3）對牽引變電所進(jìn)行換向連接，減輕進(jìn)入電力系統(tǒng)的負(fù)序分量，不同階段的牽引變電所可以實(shí)現(xiàn)換向連接。

（4）對變電站安裝同期調(diào)相機(jī)，整個調(diào)相機(jī)可以承受較大的負(fù)蓄電流，使復(fù)續(xù)抗阻較低，具備良好的防震性。

4.3 諧波電流解決方案

（1）避免電容器放大諧波。可以有效改變電容器中的串聯(lián)電抗器，將電容器組的支路改為濾波器，可以對電容器的投入量進(jìn)行有效限定，防止電容器在運(yùn)行過程中對諧波進(jìn)行放大，保證電容器組的有效運(yùn)行。

（2）對于諧波源的配置以及工作方法。若裝置對于諧波具備互補(bǔ)性，可以對諧波進(jìn)行集中，否則應(yīng)將其分散或交替使用。對于產(chǎn)生大量諧波的工作方式，應(yīng)適當(dāng)限制。

（3）運(yùn)用多種化技術(shù)，完成交流器的聯(lián)合使用，使用多個方波進(jìn)行疊加，以消除低頻率諧波。

（4）諧波疊加注入，可以利用三次倍數(shù)的諧波與外部具備三次倍數(shù)的諧波源，將整個諧波疊加至矩形諧波上，可有效降低出現(xiàn)的諧波，解決諧波出現(xiàn)的危害，使鐵路運(yùn)行系統(tǒng)能夠更加高效。

4.4 三相平衡解決方案

根據(jù)三相平解決方案進(jìn)行分析，很多問題由牽引供電系統(tǒng)三相不平衡導(dǎo)致。要想緩解這些關(guān)鍵問題，可以采用相序輪換三相輪換技術(shù)，確保牽引供電系統(tǒng)公共接入點(diǎn)能夠完成三相平衡。在此方案的基本解決思路中，可以沿鐵道線路，將接觸網(wǎng)分為若干供電區(qū)域，并通過各自組成部分以及電力系統(tǒng)三相供電體系，實(shí)現(xiàn)負(fù)載平等。且由于功率因數(shù)相等，電力系統(tǒng)的三相電流便可以達(dá)到平衡狀態(tài)。因此，通過對電力鐵路供電系統(tǒng)相關(guān)問題進(jìn)行分析，并提出解決方案，可以解決目前鐵路牽引供電問題并實(shí)現(xiàn)合理的改進(jìn)。通過多樣性的解決措施，解決目前出現(xiàn)的不足，完成更新探索。在我國鐵路未來發(fā)展中，通過人員技術(shù)強(qiáng)化、新設(shè)備、新技術(shù)的引進(jìn)，鐵路電氣化會積累更多的經(jīng)驗(yàn)，找出發(fā)展途徑。

5 結(jié)束語

電氣化牽引供電系統(tǒng)是鐵路電氣化運(yùn)行的動力，因此其運(yùn)行情況在一定程度上不僅決定著鐵路電氣化的走向，同時還對于電車的運(yùn)行穩(wěn)定性以及安全性有直觀作用。在研究中，技術(shù)人員應(yīng)增強(qiáng)鐵路電氣化牽引供電系統(tǒng)的分析研究，并通過必要措施，對牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行管理，提升工作人員的專業(yè)水準(zhǔn)。使用新型技術(shù)與理論，使整個供電系統(tǒng)達(dá)到安全性、穩(wěn)定性，進(jìn)一步促進(jìn)電氣鐵路化系統(tǒng)的高效發(fā)展以及進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃碩，吳命利.電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)可靠性評價系統(tǒng)研究[J].機(jī)車電傳動，2020（1）：6.

[2] 朱國順.關(guān)于電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)諧波和無功補(bǔ)償技術(shù)的研究[J].科技資訊，2021（11）：129.

[3] 馬繼承.地鐵和電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)比較分析[J].中國高新科技，2020（6）：2.

[4] 于洋.地鐵和電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)比較研究[J].科學(xué)與信息化，2019（2）：2.

[5] 于俊海.電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)可靠性評價系統(tǒng)研究[J].寫真地理，2020（4）：1.

[6] 李云鵬.淺談電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中防雷裝置的安全運(yùn)營管理[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2019，16（2）：2.

[7] 劉亮.埃塞俄比亞電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)設(shè)計[J].電氣化鐵道，2019，30（2）：3.

[8] 鄒峰.電氣化鐵路供電安全技術(shù)研究[J].中國科技投資，2019（9）：84-85.

[9] 楊斯泐，李強(qiáng)，董文哲.智能牽引供電系統(tǒng)現(xiàn)場試驗(yàn)評估技術(shù)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2019，63（1）：5.