铁路同相供电的双边供电方案设计

铁路同相供电的双边供电方案设计

赵雪1牟晓春2

（1.南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司南京210000；

2.国电南瑞科技股份有限公司南京210000）

摘要：电分相环节对高速重载列车有极大的制约作用，一定程度上阻碍了铁路行业的发展。为了解决上述问题，可以采用同相供电系统，即在铁路的全线路采用相同相位的单相供电，如果能在同一线路或局界内贯通，则能最大限度地取消电分相，从而有利于重载和高速牵引。同相供电系统由常规牵引变压器和同相供电装置组成，同相供电装置应用现代电力电子技术和微处理器控制技术来进行补偿，消除系统的三相不平衡，实现牵引系统的单边或者双边贯通式供电。

关键词：同相供电；双边供电；电分相；同相供电装置；三相不平衡

引言

我国电气化铁路现采用的供电方式为单边供电方式[1]，在牵引变电所出口处（采用单相变压器除外）和相邻牵引变电所之间都要设置电分相环节。电分相的存在限制了机车连续平滑取流，严重影响牵引供电系统整体性能，会造成速度下降甚至出现停坡，给铁路安全运行带来重大影响，列车在通过电分相时容易发生事故，影响了列车供电以及行车安全，因此电分相是是牵引网供电时最薄弱的环节，也是制约电气化机车牵引网的供电瓶颈。明显旧的电气化铁路牵引网供电技术已渐渐跟不上高铁的飞速发展，所以对新型的供电技术的探究是极其必要的、也是迫在眉睫的[2-3]。

双边供电取消了分区所电分相，同相供电取消了变电所出口处电分相，将两者结合起来可以实现全线无分相运行，完全符合高铁飞速发展的诉求。并且电力系统和电气化铁路的不断发展，也为实现双边供电提供了有利的条件。

1双边供电技术

双边供电系统是指在每一段铁路分区中，可同时能由两边的变电所通过接触网向负荷供电，类似于电力系统中的双电源两端网络，也就是说负荷（即列车）在行驶时，可以从两侧接触网中同时得到电能，可靠性更高，但同时需要在分区所中设置保护装置，其继电保护配置更复杂[4]。从电气结构上来说，双边供电系统相对于单边供电系统的区别仅仅是将分区所中的接触网断路器闭合，再加上一些参数的改动，在改造上工程量不大。

双边供电系统的分区所断路器闭合即两端的接触网连通，这意味着，从电力系统方向来看牵引网就变成了许多个环网，类似于电力系统电磁环网[5]。因此，在牵引网上也会出现穿越电流，在铁路供电系统中一般也称作平衡电流，由于电铁牵引网的特点，接在电力系统的一相上，使用单相电，平衡电流也只存在一相中，在另外两相中不存在，这与电力系统电磁环网的三相电流是不一样的。

传统意义上的双边供电系统如图1所示。双边供电方式相对于单边供电方式而言，具有供电电压水平高、供电能力大、功率损失小等优点，但是平衡电流大，牵引供电系统和电力系统都将受到平衡电流的影响，因此必须得到电力部门的批准并进行大量的合环运行试验来验证其可行性设计目标。

图1电气化铁路牵引供电系统

本文讨论的双边供电技术就是以新型双边供电模式为基础的，与传统的双边供电方案相比最大的不同就是在牵引变压器的出口串联了电抗器，当然这只是体现在电气结构上的不同，其实现方法有许多，比如直接在前牵引变压器的漏抗上串电抗，也能达到一样的效果。如图2所示为改进后的双边供电系统，牵引所变压器的二次侧连接着同相供电装置，治理电能质量的同时，一次侧不再进行换相连接，取消电分相，保证同一牵引变电所左右两供电臂的电压为同相，为实施双边供电提供了有利条件。

图3双边供电系统简化模型

如图3所示，PCC1和PCC2是牵引变电所与三相电力系统的连接点，SS1和SS2为牵引变电所并且装设了组合同相供电装置，同时在牵引变压器的低压侧出口分别串联了电抗器L1和L2，TN1和TN2为供电臂，SP为分区所，分区所断路器闭合将左右两供电臂相互连通。本节对双边供电系统模型的组成部分有一个初步分析，为后续的研究提供参考。

3双边供电系统电气性能分析

双边供电系统中相邻变电站釆用的牵引变压器是相同的，并且输电线路是贯通的，因此为了方便分析，可以进行以下假设：假设其平衡电流只在本线路内环流，不会流入其他的电力线路造成负序影响，即平衡电流只在相邻两变电站间的牵引网中流动，与其他变电站间的电流无关，仅仅由电力系统负荷决定。应对不同的双边供电方式，提出不同的平衡电流分析方法，以下分别以直供双边供电系统为例进行分析

变压器单相接线的直接供电方式下的双边供电系统，其空载状态下的平衡电流的分布如图4所示。其中，、、分别为三相电力系统的电压，、、分别为三相电力系统的电流，、为牵引变压器高压侧的电压，、为变压器低压侧的电压；为平衡电流，其值由归算到高压侧的电流值，k为牵引变压器变比，为牵引变压器SS1流入并从SS2流出的电流；为电力系统的短路阻抗，为牵引变压器的短路阻抗，Zd为电力系统输电线路的等值阻抗，Zq牵引网的等值阻抗，为串联电抗器的阻抗。

综上所述，对平衡电流的分析如下：牵引供电网空载时的平衡电流与电力系统的负荷电流、电网的线路阻抗、牵引网和进线阻抗、串联电抗器的阻抗有关，同时还与牵引变压器的参数有关，比如：牵引变压器的漏抗、变比等等。一般情况下，三相电力系统的阻抗参数和电流、牵引变压器的漏抗等这些参数都是既定的，不能随意随人意改变，剩下的适合改变的参数就是变压器的变比和串联电抗器的电抗了。因此，通过增大牵引变压器的变比或者增大串联电抗器的阻抗都可以有效的减小平衡电流。三相电力网的电压等级越高，受到的平衡电流影响就越小，并且增设串联电抗器可也以有效地减小平衡电流。

4牵引网故障理论计算

实施双边供电时，可以认为是将牵引供电系统中的两相邻牵引变电所之间的接触网在电气上连通了。此时，就会在三相电力网侧形成环网，在牵引供电系统的接触网上就会有平衡电流流过[6-7]。在没有牵引负荷的情况下，基于上节的分析可知，由于空载时的平衡电流很小，故正常状况式这种环网对电力系统的影响完全可以忽略不计。

不过，当电力系统发生故障时，平衡电流的存在，会对故障电流起到分流的作用，因此故障电流的分析就会变得更加复杂，传统的电力系统故障分析方法不再适用。

本节主要讨论双边供电系统中，牵引供电系统发生短路故障时，其对电力系统的影响。牵引网短路时，短路点的电压为零，两侧牵引变电所的电流均流向短路点。可以从短路点将双边供电系统的短路故障分解为两个单边供电系统的短路故障来分析。

、、分别为电力系统的三相电压，、和、分别为牵引变压器高压侧的电压和牵引变压器低压侧的电压；、、分别为电力系统的三相电流；为电力系统的等值阻抗，为电力系统输电线路的等值阻抗，为牵引变压器的短路阻抗，为牵引网的等值阻抗，为串联电抗器的阻抗。

其中，，k为串联电抗器与变压器漏抗的比值，取能使平衡电流控制在1%以内的值。

相邻两变电所的供电电压差为：

5总结

首先双边供电技术由于其更高的可靠性、供电质量、易于从现在供电方案上进行改造等特点，成为我国专家学者的研究焦点。

对于双边供电技术进行了深入的分析探究。在本文建立的双边供电模型中进行双边供电系统分析，分为两部分：双边供电系统电气性能分析和牵引网故障分析。电气分析主要是针对采用双边供电方案时出现的平衡电流问题，探究新型双边供电方案是否还存在这些这问题；故障分析后探究铁路牵引网发生故障时，其故障参数与故障电流。

参考文献：

[1]李群湛，贺建闽．电气化铁路的同相供电系统与对称补尝技术[J]．电力系统自动化，1996，20（4）：9-11．

[2]解绍锋，李群湛，贺建闽等．同相供电系统对称补偿装置控制策略研究[J]．铁道学报，2002，24（2）：109-112．

[3]贺建闽，李群湛．用于同相供电系统的对称补偿技术[J]．铁道学报，1998，20（6）：47-51．

[4]黄小红，李群湛，杨乃琪等．同相牵引供电系统控制策略研究及仿真分析[J]．电力自动化设备，2014，34（1）：43-47．

[5]夏焰坤，李群湛，解绍锋．电气化铁道贯通同相供电变电所控制策略研究[J]．铁道学报，2014，36（8）：25-31．

[6]尚国旭．同相供电系统及运行方式研究[J]．电气化铁道，2016（5）：36-46．

[7]张秀峰，钱清泉，李群湛等．基于有源滤波器和AT供电方式的新型同相牵引供电系统[J]．中国铁道科学，2006，27（6）：36-46．

作者简介：

赵雪（1982.12.08），女；吉林吉林；汉；研究生；工程师；调试工程师；研究方向：继电保护，监控系统。

牟晓春（1983.05.02），男；山东烟台；汉；研究生；工程师；研发工程师；研究方向：变流器控制。