电力牵引系统供电方式对电能质量影响的分析研究

第一篇：电力牵引系统供电方式对电能质量影响的分析研究

电力牵引系统供电方式对电能质量影响的分析研究

江海傑

摘 要电气化铁路牵引供电系统是一种复杂的单相网络系统，随着社会及经济的发展，追求高速、高密度、重载运输的目标对电气化铁路建设提出了更高的要求，也给我们提出了在高速电气化铁路中如何选择供电方式及如何减少单相非线性的电牵负荷影响等课题。

关键词 电力牵引供电方式

1.引言我国电气化铁路起步于20世纪50年代末,经过40多年的发展,电气化铁路在数量和技术装备上都有了巨大的变化,电力牵引供电系统结构也从单一的供电方式发展成了多种供电方式。随着社会及经济的发展,追求高速、高密度、重载运输的目标也对电气化铁路建设提出了更高的要求,同时也提出如何选择高速电气化铁路的供电方式及如何减少单相非线性的电牵负荷对电能质量影响等问题,鉴于此,本文对电力牵引供电系统供电方式及电力牵引负荷对电能质量的影响进行了分析和讨论

2.电力牵引供电系统供电方式选择分析

我国最初修建的几条电气化铁路采用的是直接供电方式。后来随着铁路电气化逐渐向繁忙干线发展，为了减少同学显露的迁改工程量和降低铁路电气化的工程造价，于20世纪70年代中期开始采用吸流变压器一回流线供电方式。1982年，根据京秦线运量大、牵引定数高的特点，首次采用了自偶变压器AT供电方式，后来大秦线和郑武线都采用了这种供电方式。根据我国的铁路实际情况，依照经济技术合理的原则，目前，在对沿线通信无特殊防护要求的一般区段，基本上采用带回流线的直接供电DN方式，如现正在开工建设的泸杭电化等既有铁路的电化改造工程，而在重载、告诉、大密度的繁忙干线及一次电源设施薄弱的地区采用自耦变压器供电AT方式。

2.1自耦变压器供电方式（AT供电方式）

AT供电方式是20世纪70年代才发展起来的一种供电方式。它既能有效地减轻牵引网对通信线的干扰，又能适应高速、大功率电力机车试行，故近年来，在我国得到了迅速发展。这种供电方式是每隔10km左右在接触网与正馈线之间并联接入一台自耦变压器，绕组的中点与钢轨相接。电力机车由接触网（T）受电后，牵引电流一般由钢轨（R）流回，由于自耦变压器的作用，钢轨流回的电流经自耦变压器绕组和正馈线（F）流回变电所。当自耦变压器的一个绕组流过牵引电流时，其另一个绕组感应出电流供给电力机车，因此实际上当机车负荷电流为I时，由于自耦变压器的作用，流经接触网（T）和正馈线(F)的电流的二分之一。

自耦变压器供电方式牵引网阻很小，约为直接供电方式的四分之一，因此电压损失小，电能损耗低，供电能力大，供电距离长，可达40~50km。由于牵引变电所间的距离加大，减少了牵引变电所数量，也减少了电力系统对电气化铁路供电的工程和投资。但由于牵引变电所和牵引网比较复杂，加大了电气化铁路自身的投资。这种供电方式一般在重载铁路、高速铁路等负荷大的电气化铁路上采用。由于牵引负荷电流在接触网（T）和正馈线（F）中方向相反，因而对邻近的通信线路干扰很小，其防干扰效果与BT供电方式相当。

AT供电方式的特点：（1）AT供电方式中自耦变压器是并联连接在接触网和正馈线之间的，提高了供电可靠性。采用BT供电回路时，吸流变压器的一次绕组串接在接触导线上，所以在每一个吸流变压器处接触网都必须电分段。这样就增加了接触网的维修工作量和事故率，降低了供电可靠性。AT供电方式是并联供电，根本不存在上述问题，所以就特别有利于高速和大功率电力机车运行。（2）减少了对通信线路的干扰。AT供电方式引入了自耦变压器，在它的作用下，牵引负载电流经接触网和正馈线供给，且由于接触网和正馈线的电压为机车电压的2倍，在功率相同的情况下，经接触网和正馈线的电流只是机车负载电流的一半，且接触网和正馈线是同杆架，两个方向相反的电流对外界的电磁干扰已基本抵消，所以对通信线路的干扰大大降低了。（3）AT供电方式的馈电电压高，所以供电能力大，电压下降率小。当自耦变压器绕组接至接触导线与钢轨间的匝数和接至正馈线与钢轨间的匝数相等时，AT供电方式的馈电压为BT方式的两倍。同时对相同的列车牵引负荷而言，AT回路的电压下降率（电压降与馈电电压之比值）仅为BT回路的四分之一。从而牵引变电所的间距可增大4倍。不过实际上由于供电区段的加长，区段上同时运行的列车增多，负荷将增大，因此AT供电回路的牵引变电所的间距只能比BT供电方式间距增大2~3倍，牵引变电所的数目可减少，从而节省投资。

2.2 带回流线的直接供电DN方式

DN供电方式的构成是由接触网、钢轨、沿全线架设与轨道并联的负馈线NF维护方便的优点，通过优化其结构和参数能保证较好的屏蔽效果，相对DN供电方式，AT供电方式的缺点主要是结构比较复杂，如变配电装置除了结构比较复杂的牵引变电所外，还有开闭所、分区所和自耦变压器所等，牵引网中除了接触悬挂和正馈线外，还有保护线PW、横向联接线、辅助联接线CPW、横向联接CB、放电器SD等，特别在多隧道区段应用更为困难。但AT供电方式也有比较大的优点，特别在告诉电气化铁路的应用上，它无需提高牵引网的绝缘水平即可将供电电压提高一倍。在相同的牵引负荷条件下，接触悬挂和正馈线中的电流大致可减少一半。AT供电方式牵引网单位阻抗约为DN供电方式牵引网单位阻抗的三分之一左右。从而提高了牵引网的供电能力，大大减少了牵引网的电压损失和电能损失。其牵引变电所的间距比DN供电方式增加近一倍，不但牵引变电所数量可以减少，而且相应的外部高压输电线数量也可以减少，如果采用中性点抽出的单相变压器则无需在牵引变电所出口处设置电分段，大大减少了电分相的数目，有利于列车的安全和高速运行。在干扰方面，AT供电方式对邻近通信线路的综合防护效果要优于DN供电方式，减少了防护工程投资。

2.3 直接供电方式

直接供电方式是在牵引网中不增加特殊防护措施的一种供电方式，是结构最简单的一种。电气化铁路最早大都采用这种供电方式，它的一根馈线接在接触网（T）上，另一根馈线接在钢轨（R）上，这种供电方式结构简单，投资最省，牵引网阻损较小，能耗也较低。供电距离单线一般为30Km左右，复线一般为25km左右。电气化铁路是单相负荷，机车由接触网取得的电流经钢轨流回牵引变电所。由于钢轨与大地是不绝缘的，一部分回流电流由钢轨流入大地，因此对通信线路产生较大电磁干扰。这是直接供电方式的缺点。它一般采用在铁路沿线通信线路已改用地下屏蔽电缆的区段。

2.4吸流变压器供电方式（BT供电方式）

BT供电方式是在牵引网中架设有吸流变压器一回流线装置的一种供电方式。与直接供电方式相比，是在系统中增加了吸流变压器设备。此种方式目前在我国电气化铁路上采用较广。吸流变压器是变化为1:1的变压器，它的一次绕组串接在接触网（T）上，二次绕组串接在专为牵引电流流回牵引变电所而特设的回流线（NF）上，所以也称吸流变压器—回流线供电方式。吸流变压器供电方式的工作原理是，由于吸流变压器的变比为1:1，当吸流变压器的一次绕组流过牵引电流时，在其二次绕组中强制回流通过吸上线流入回流线。由于接触网与回流线中流过的电流大致相等，方向相反，因此对邻近的通信线路的电磁感应绝大部分被抵消，从而降低了对通信线路的干扰。这种供电方式由于在牵引网中串联了吸流变压器，牵引网的阻抗比直接供电方式约大50%,能耗也较大，供电距离也较短，单线一般为25km左右，复线一般为20km左右，投资也比直接供电方式大。

2.5 同轴电力电缆供电方式（CC供电方式）

CC供电方式是一种新型的供电方式。同轴电力电缆沿铁路线路敷设，其内部芯线作为馈电线与接触网连接，外部导体作为回流线与钢轨相接。每隔5~10km作一个分段，由于馈电线与回流线在同一电缆中，间隔很小，而且同轴布置，使互感系数增大，所以同轴电力电缆的阻抗比接触网和钢轨的阻抗小得多，牵引电流和回流几乎全部经由同轴电力电缆中流过。因此电缆芯线与外部导体电流相等，方向相反，二者形成的磁场相互抵消，对邻近的通信线路几乎无干扰。由于阻抗小，因而供电距离长。但由于同轴电力电缆造价高，投资大，现仅在一些特别困难的区段采用。电力牵引负荷对电能质量影响分析

3.1负序影响

相对三相系统而言，牵引负荷具有随机性，单相独立的牵引负荷也独立地在电力系统中产生负序，负序在电力系统中会造成额外占有系统及其设备容量，造成附加网损，引起系统电压不对称、降低发电机、电动机出力等不良影响。为使电力系统经济运行和提高电能质量，尽可能地降低负序是十分必要的。

不同结线型式的牵引变会使单相工频交流牵引负荷对电力系统的负序影响不一样。假设牵引变一次侧三相电压对称，二次侧两供电臂功率因数相等。当采用单相接线牵引变压器时，其牵引负荷在220kV电网中引起的负序电流与正序电流相等。

当电力机车采用交直交机车时，谐波含量会大大降低，对电力系统影响较小。我国对交直交机车基本上采用的是电压型变流器供电系统，该系统由网侧四象限脉冲整流器、中间直流环节、PWM电压源逆变器和异步电动机组成，其中电压型PWM技术转换器中每相变换桥臂由高压大功率GTO器件串联而成，多电平是由中间直流环节的电容器串联对直流电压进行分压，再由二极管按一定规则钳位连接。在多电平的各个GTO的开关状态基础上进行脉宽调剂PWM，这不仅使线电压输出波形进一步接近正弦基波，更重要的是使输出的电流波形为正弦基波，减少高次谐波，输出电流波形非常接近于光滑的正弦波形。同时中间直流环节储能电容器的滤波作用，也能减少电网的高次谐波作用。

3.2 谐波影响

电气化铁路的电力牵引单相整流机车使牵引变压器27.5kV侧电流以及电压发生畸变，所产生的大量高次谐波分量通过牵引变压器的高压侧注入电力系统，并与系统“背景负荷“产生的负序源两者叠加，使系统内部电网的3次、5次谐波在谐振时严重放大

电力机车是一个很大的谐波源，机车类型不同，波形畸变不同，谐波含有率也不同，根据资料统计，交直电力机车韶山4型主要含有3、5次谐波。谐波电流大小与基波电流有关，基波电流决定于牵引负荷，其经牵引变引入的相序有关。为了减少对电力系统的不对称影响，除合理安排列车方式，使单相负荷均衡分配在电铁沿线外，采用相序轮换接入是一种有效的措施，两个三相YNd11接线或单相VV接线的牵引变电所间，两供电臂一般考虑为同相，以便实现并联供电，并减少接触网的分相电分段数量，相邻供电臂若不同相，则其间电压应避免出现根号三倍的牵引网电压值，有利于高速行车。

在谐波治理方面，目前采用的方法是分别在电力机车变压器一次的调压绕组间，加装并联补偿滤波装置，部分地滤去3、5、7次牵引谐波电流，实践证明这是一个有效的方法。为提高牵引网的功率因数而在牵引变电所牵引侧装设的并联电容补偿装置，其可利用自身产生的反向负序功率与牵引负荷产生的负序功率相平衡，来实现单相牵引负荷反映在电力系统三相中的对称性，同时当并联电容器组串入电抗器后，通过正确选择电容器和电抗参数，还兼有很好的三次谐波滤波效果

4结束语

AT供电方式供电电压高，因此供电能力强，牵引变电所的间距大，可减少接触网电分相和电力系统投资。在电磁兼容方面，由于AT供电方式是平衡回路，因此对通信线的危险影响和杂音影响具有较好的屏蔽作用。直接供电方式牵引网系统简单，能适应目前一般既有电气化铁路牵引供电的需要，在电磁兼容方面防干扰效果不如AT方式。此外，电气化铁路对电力系统的影响不但与系统结构、容量大小关系较大外，而且还与铁路运量的增长运行、方式及牵引变压器的接线方式有一定的关系。

参考文献谭秀炳，交流电气化铁道供电系统成都：西南交大出版社贺威俊电力牵引供电系统技术及装备成都：西南交大出版社陈海军电力牵引供变电技术北京：中国铁道出版社马军电气化铁路对电力系统的影响西安：西安理工大学学报