论文部分内容阅读
摘要：如今高速铁路飞速发展，在高铁动车组列车大幅投入运营的同时，对高铁安全可靠性也提出了更高要求。在高铁运行各技术系统中，牵引供电系统尤其重要，因牵引供电系统直接关系高铁的可靠运行。本文借鉴了日本、法国模式, 提出一种取电于公用电网同时又相对独立的牵引供电系统。该系统能彻底解决电能质量问题, 并能够完全取消电分相。文中提出了最小补偿容量的同相供电方案, 研究三相接入电力系统平衡接线变压器, 不仅便于今后同相改造, 同时也能与单相变电所实现同相供电。本文在对国内外正使用的AT供电模式借鉴和分析基础之上, 提出建立我国新供电系统。
关键词：高速铁路；牵引供电系统；同相供电；分析研究
中图分类号：U238 文献标识码：A 文章编号：
一、关于牵引供电系统
1．牵引供电系统能量来源
我国电气化铁路取电于国家公用电网，外部电源是高速列车所需能量来源，它在牵引变压器作用下实现了将电力系统能量转变成牵引供电能量。一般普通铁气化路，牵引变压器工作电压为110KV，但高速铁路牵引变电所需要外部电源电压为220KV，目的是使高速铁路在供电电能提供上有安全可靠外电网保障。
2．牵引供电系统核心
对于整个牵引供电系统来说，牵引变电所作用如同人的心脏。牵引变电所把电力系统传送来的电能，根据对电压和电流不同要求，转变为适用于电力牵引的电能，再分别馈送到铁路轨道上空架设的接触网上，列车通过受电弓取电而产生牵引动力。在一条电气化铁路沿线上有多个牵引变电所，它们之间距离大约为40Km到50Km，并且每个牵引供电所设置二台牵引变压器，采用双电源供电，提高了供电可靠性。牵引变电所中，最主要设备当属牵引变压器，因牵引供电需要，牵引变压器与一般变压器有较大差别，采用接线方式有三相Yd11接线、单相V/V接线、三相-两相斯科特接线等。牵引变压器将电力系统高电压降低至适合列车运行的电压等级，还起着将三相电转换为单相电功能。牵引变电所除了牵引变压器之外，还包括与牵引变压器配套的其它设备，如高压断路器、隔离开关、电压电流互感器、高低压开关柜、全封闭组合电器、电容补偿装置等。
二、电气化铁路电能质量问题。
由于牵引供电系统结构特殊性和负荷在时间、空间上分布随机性，造成了电力系统三相严重不平衡。电气化铁路普遍存在着电能质量问题，因而受到电力系统限制。电气化铁路影响电力系统主要电能质量指标有：谐波电流、功率因数、负序电流。高速铁路动车组采用大功率交直交牵引传动系统，性能良好，功率因数大幅提高，接近1。谐波电流含量也下降较大，可等同为在既有交直牵引供电系统基础上增加了高效有源电力滤波器。但高速动车组列车由于牵引电机功率大幅增加，负序电流更为明显。
三、理想牵引供电系统。
理想牵引供电系统是电气化铁路在从电力系统取电同时, 把其产生的对电力系统干扰隔离出来, 也就是說, 该系统要把电能质量控制在相关标准或国家标准允许范围内。为使电能质量达标，可考虑在牵引变电所内采取措施，解决负序电流问题，同时在铁路牵引网使用统一电压供电且取消接触网电分相。
1．理想牵引供电系统构成
时代进步造就了大功率电力电子技术飞速发展, 而且由于功率半导体器件集成水平、容量大幅提高, 同时价格不断下降, 这就为解决电力系统与牵引供电系统在电能质量上存在的矛盾与铁路自身电分相提供了新思路, 同时在装备与技术方面提供了可能。我们可借鉴一下德国模式,在牵引变电所通过三相交流与直流和单相交流全变换方式下实现同相供电,利用直流环节隔离与转换作用,构造独立于公用电网的供电网络。因为采用全变换,并且三相负荷平衡,并不存在着负序问题,而且铁路供电臂取消了电分相, 变电所之间能进行潮流调度, 变压器负荷率和容量利用率都能得到极大提高。牵引变电所取电是在三相电力系统，牵引馈线要增加断路器和一些相关保护，我们可仿单相牵引变电所馈线来实现,各个断路器对应着不同故障区间，分区所断路器一般都是闭合的,这样可以实现牵引网贯通与供电。
2．理想牵引供电系统限制因素与解决方案
限制理想牵引供电系统因素是国外电力电子器件依旧比较昂贵, 而且经济性也较差，但随着国产化进程和技术迅速发展, 元器件成本将会大幅下降。现在按照同相供电装置容量折算为1000元/KVA来计算,每20MVA变电所需要增加2000万元。下面是笔者结合一些资料及本人看法对推广理想供电系统给出了一些建议：首先，我们应通过工作备用, 而节省不必要场地所需及固定备用设备投资；其次，因避免了电分相从而使列车运行变得更平滑, 同时节省了自动过分相日常维护费用和一次投资；再者，因牵引变电所容量降低可节省固定容量电费，按每个月固定容量电费为15 元/ kvar来计,降低一个容量等级而节省电费数目是很可观的；然后，电子器件（如IGBT、IGCT ）和集成产品越来越普及,尤其是国产化后,它们单价会大幅度下降，会更有助于理想牵引供电系统推广；最后，可以减少铁路部门由于电能质量问题与公共电网运营商产生纠纷或受罚。当前被罚款主要原因是功率因数问题,不过今后也很难排除会由于谐波干扰、负序电流而造成电能质量罚款事件。
四、同相供电系统
为降低负序电流影响, 要把供电臂相位依次接入电力系统三相中的某一相,也就是换相，这样沿线供电臂将使用不同相位电压进行供电,在分区所处需设置电分相装置。电分相是列车运行、尤其是高速列车运行的薄弱环节，完成同相供电是提高列车平稳舒适性和安全性的有效方法。现行供电方式存在问题的最有效解决方法就是在牵引变电所采取以负序、无功补偿为核心的对称补偿技术,从而实现同相供电,也就是全线用同一相位单相电压来供电。它与单相牵引变压器有一点是一样的,可以避免在牵引变电所出口使用电分相。考虑到同一电力系统不同进线处系统短路容量也不同，进而承受负序电流能力也不同。为了减少不必要的设备浪费和投资,可将同相供电系统中的变电所分成三种:不补偿,仅仅用牵引变压器；半补偿, 对于补偿负序要有适度要求；全补偿, 要求实现对称补偿, 尤其对负序有较强抑制能力。
根据不同接线, 在变电所进行对称补偿时, 有一些技术上难度。按理论上，当功率因数是1，同时只补偿负序的时候,最小全补偿容量与牵引负荷功率相等。实现对称补偿方式有两种: 一种是无功补偿方式,它既可以无源（SVC装置）同时也可以有源（SVG装置），主要采用平衡变压器进行最优补偿，如Scott接线方式，同日本不等边Scott接线方式不同, 这种变压器次级绕组匝数n1与变压器次级绕组匝数n2相等，当全补偿时，负序电流为0，取消变电所出口电分相。它的缺点是电力系统任一相电压或线电压无法与供电臂电压U同相,也就是无法与相邻变电所对应相电压( 如YN, vd 接线)或线电压( 如单相接线、V/V接线) 的供电臂实现同相，供电臂有再生反馈电流通过之时补偿要反性。此种补偿对每种接线方式能不能适用要做具体分析；另一种为有源补偿模式,采用变电所平衡接线变压器与潮流控制器( PFC)相配合。当功率因数为1时，PFC提供一半牵引负荷有功功率即可消除负序。它的优点是供电臂电压可与电力系统相电压或线电压设置成同相，也就是可以与其他V/V接线或单相变电所实现输出电压同相。供电臂有再生反馈电流时，PFC向电力系统发送一半再生功率。当所有牵引变电所达到国家电能质量标准时，可将分区所相联，减少电分相。这其中需要探讨的是, 在电力系统要求牵引变电所三相接入条件下，现有高速铁路AT供电方式牵引变电所多使用V/X接线，想要实现对称补偿，取消电分相、消除负序, 只能采用SVG或SVC, 还必须在三个端口进行补偿, 这增加了技术难度，若采用两个端口补偿, 则补偿容量非最优。
五、新型AT供电模式。
自耦变压器AT是普通双绕组变压器的一种特殊连接, 它的特点是低压与高压绕组间不仅有电路直接联系，而且还有磁路耦合, 其传递的功率为传导功率和感应功率之和, 也就是说, 之所以功率传递比普通双绕组变压器大是因为存在传导功率。因AT 高低压绕组之间有直接电路联系, 便要求高压侧与低压侧具有同样绝缘水平, 常用于高低侧电压相对接近场合。
目前，世界高速铁路AT供电方式主要为2 X 27.5KV法国模式和55KV日本模式。我国这两种模式均有采用,京津线采用2 X 27.5KV法国模式，京秦线则采用55KV日本模式。我们可以借鉴这两种模式设计出一种新模式，该模式应该具有以下几个特点：一是相同供电能力下,日本模式要求牵引变电所馈线、母线导线截面更小, 这有利于接触网悬挂轻型化，新模式借鉴；二是新模式同日本模式相比, 牵引变电所内可不设AT, 将AT布置在线路上,简化了系统, 增加设计选择灵活性，并节约了成本；三是同法国模式相比, 新模式牵引变压器不需要中间抽头,能很大程度简化牵引变压器制造难度,而且还省去了牵引变电所回流线布置；四是我们牵引侧开关由2 X 27.5KV模式提升为55kV双极开关,开关绝缘等级提高, 不过工作电流要比2 X 27.5KV模式小, 在高压侧使用220KV大容量供电条件下, 方便于开关选型；五是新模式供电能力高于法国模式, 与日本模式相同, 在增加供电能力同时, 有助于减少电分相数目，延长供电臂。
六、牵引供电系统分析与建议
一是我们需要认真研究新型AT供电模式,填补日本模式与法国模式的缺陷。新型AT供电模式不仅要适用于理想牵引供电系统，也要适用于现行供电系统；二是AT供电系统的断路器和绝缘等级均应配套设计；三是我国电气化铁路供电系统相对于世界来说具有多种牵引变压器接线形式和AT供电方式, 需要结合我国高速铁路实际,设计出具有自主知识产权并且最适合的新模式；四是我们在解决电能质量问题同时, 要实现电气化铁路无分相化；五是我国高速铁路牵引变电所大多采用三相方式接入电力系统，平衡接线最节省补偿装置容量，也便于和单相变电所相互配合,从而形成同相供电系统来尽可能避免电分相,这也同样适用于既有线改造。
总之，当今电力电子技术迅速发展普及，而高速铁路电能质量问题也是急待研究解决的课题。我们为了解决电能质量问题，设计出一种供电系统。本文简介了牵引供电系统与理想牵引供电系统，相形比较之中所存在问题有待我们去解决，還有在对日本、法国供电模式分析比较之中，能得到适合我们的AT供电模式。
参考文献
[1] 李群湛, 贺建闽. 牵引供电系统分析[M]. 成都:西南交通大学出版社, 2007.
[2] 黄辉.椭圆形截面墩柱承载力计算.铁道建筑，2011.
[3] 解绍锋, 李群湛等. 同相供电系统对称补偿装置控制策略研究[J]. 铁道学报, 2002.
[4] 李群湛. 牵引变电所电气分析及综合补偿技术[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2006.
[5] 解绍锋. 高速铁路交直交机车及地铁机车再生制动工况下牵引供电计算的研究[R]. 西安:铁道第一勘察设计院,2007.
[6] 李群湛.我国高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题.铁道学报，2010.
关键词：高速铁路；牵引供电系统；同相供电；分析研究
中图分类号：U238 文献标识码：A 文章编号：
一、关于牵引供电系统
1．牵引供电系统能量来源
我国电气化铁路取电于国家公用电网，外部电源是高速列车所需能量来源，它在牵引变压器作用下实现了将电力系统能量转变成牵引供电能量。一般普通铁气化路，牵引变压器工作电压为110KV，但高速铁路牵引变电所需要外部电源电压为220KV，目的是使高速铁路在供电电能提供上有安全可靠外电网保障。
2．牵引供电系统核心
对于整个牵引供电系统来说，牵引变电所作用如同人的心脏。牵引变电所把电力系统传送来的电能，根据对电压和电流不同要求，转变为适用于电力牵引的电能，再分别馈送到铁路轨道上空架设的接触网上，列车通过受电弓取电而产生牵引动力。在一条电气化铁路沿线上有多个牵引变电所，它们之间距离大约为40Km到50Km，并且每个牵引供电所设置二台牵引变压器，采用双电源供电，提高了供电可靠性。牵引变电所中，最主要设备当属牵引变压器，因牵引供电需要，牵引变压器与一般变压器有较大差别，采用接线方式有三相Yd11接线、单相V/V接线、三相-两相斯科特接线等。牵引变压器将电力系统高电压降低至适合列车运行的电压等级，还起着将三相电转换为单相电功能。牵引变电所除了牵引变压器之外，还包括与牵引变压器配套的其它设备，如高压断路器、隔离开关、电压电流互感器、高低压开关柜、全封闭组合电器、电容补偿装置等。
二、电气化铁路电能质量问题。
由于牵引供电系统结构特殊性和负荷在时间、空间上分布随机性，造成了电力系统三相严重不平衡。电气化铁路普遍存在着电能质量问题，因而受到电力系统限制。电气化铁路影响电力系统主要电能质量指标有：谐波电流、功率因数、负序电流。高速铁路动车组采用大功率交直交牵引传动系统，性能良好，功率因数大幅提高，接近1。谐波电流含量也下降较大，可等同为在既有交直牵引供电系统基础上增加了高效有源电力滤波器。但高速动车组列车由于牵引电机功率大幅增加，负序电流更为明显。
三、理想牵引供电系统。
理想牵引供电系统是电气化铁路在从电力系统取电同时, 把其产生的对电力系统干扰隔离出来, 也就是說, 该系统要把电能质量控制在相关标准或国家标准允许范围内。为使电能质量达标，可考虑在牵引变电所内采取措施，解决负序电流问题，同时在铁路牵引网使用统一电压供电且取消接触网电分相。
1．理想牵引供电系统构成
时代进步造就了大功率电力电子技术飞速发展, 而且由于功率半导体器件集成水平、容量大幅提高, 同时价格不断下降, 这就为解决电力系统与牵引供电系统在电能质量上存在的矛盾与铁路自身电分相提供了新思路, 同时在装备与技术方面提供了可能。我们可借鉴一下德国模式,在牵引变电所通过三相交流与直流和单相交流全变换方式下实现同相供电,利用直流环节隔离与转换作用,构造独立于公用电网的供电网络。因为采用全变换,并且三相负荷平衡,并不存在着负序问题,而且铁路供电臂取消了电分相, 变电所之间能进行潮流调度, 变压器负荷率和容量利用率都能得到极大提高。牵引变电所取电是在三相电力系统，牵引馈线要增加断路器和一些相关保护，我们可仿单相牵引变电所馈线来实现,各个断路器对应着不同故障区间，分区所断路器一般都是闭合的,这样可以实现牵引网贯通与供电。
2．理想牵引供电系统限制因素与解决方案
限制理想牵引供电系统因素是国外电力电子器件依旧比较昂贵, 而且经济性也较差，但随着国产化进程和技术迅速发展, 元器件成本将会大幅下降。现在按照同相供电装置容量折算为1000元/KVA来计算,每20MVA变电所需要增加2000万元。下面是笔者结合一些资料及本人看法对推广理想供电系统给出了一些建议：首先，我们应通过工作备用, 而节省不必要场地所需及固定备用设备投资；其次，因避免了电分相从而使列车运行变得更平滑, 同时节省了自动过分相日常维护费用和一次投资；再者，因牵引变电所容量降低可节省固定容量电费，按每个月固定容量电费为15 元/ kvar来计,降低一个容量等级而节省电费数目是很可观的；然后，电子器件（如IGBT、IGCT ）和集成产品越来越普及,尤其是国产化后,它们单价会大幅度下降，会更有助于理想牵引供电系统推广；最后，可以减少铁路部门由于电能质量问题与公共电网运营商产生纠纷或受罚。当前被罚款主要原因是功率因数问题,不过今后也很难排除会由于谐波干扰、负序电流而造成电能质量罚款事件。
四、同相供电系统
为降低负序电流影响, 要把供电臂相位依次接入电力系统三相中的某一相,也就是换相，这样沿线供电臂将使用不同相位电压进行供电,在分区所处需设置电分相装置。电分相是列车运行、尤其是高速列车运行的薄弱环节，完成同相供电是提高列车平稳舒适性和安全性的有效方法。现行供电方式存在问题的最有效解决方法就是在牵引变电所采取以负序、无功补偿为核心的对称补偿技术,从而实现同相供电,也就是全线用同一相位单相电压来供电。它与单相牵引变压器有一点是一样的,可以避免在牵引变电所出口使用电分相。考虑到同一电力系统不同进线处系统短路容量也不同，进而承受负序电流能力也不同。为了减少不必要的设备浪费和投资,可将同相供电系统中的变电所分成三种:不补偿,仅仅用牵引变压器；半补偿, 对于补偿负序要有适度要求；全补偿, 要求实现对称补偿, 尤其对负序有较强抑制能力。
根据不同接线, 在变电所进行对称补偿时, 有一些技术上难度。按理论上，当功率因数是1，同时只补偿负序的时候,最小全补偿容量与牵引负荷功率相等。实现对称补偿方式有两种: 一种是无功补偿方式,它既可以无源（SVC装置）同时也可以有源（SVG装置），主要采用平衡变压器进行最优补偿，如Scott接线方式，同日本不等边Scott接线方式不同, 这种变压器次级绕组匝数n1与变压器次级绕组匝数n2相等，当全补偿时，负序电流为0，取消变电所出口电分相。它的缺点是电力系统任一相电压或线电压无法与供电臂电压U同相,也就是无法与相邻变电所对应相电压( 如YN, vd 接线)或线电压( 如单相接线、V/V接线) 的供电臂实现同相，供电臂有再生反馈电流通过之时补偿要反性。此种补偿对每种接线方式能不能适用要做具体分析；另一种为有源补偿模式,采用变电所平衡接线变压器与潮流控制器( PFC)相配合。当功率因数为1时，PFC提供一半牵引负荷有功功率即可消除负序。它的优点是供电臂电压可与电力系统相电压或线电压设置成同相，也就是可以与其他V/V接线或单相变电所实现输出电压同相。供电臂有再生反馈电流时，PFC向电力系统发送一半再生功率。当所有牵引变电所达到国家电能质量标准时，可将分区所相联，减少电分相。这其中需要探讨的是, 在电力系统要求牵引变电所三相接入条件下，现有高速铁路AT供电方式牵引变电所多使用V/X接线，想要实现对称补偿，取消电分相、消除负序, 只能采用SVG或SVC, 还必须在三个端口进行补偿, 这增加了技术难度，若采用两个端口补偿, 则补偿容量非最优。
五、新型AT供电模式。
自耦变压器AT是普通双绕组变压器的一种特殊连接, 它的特点是低压与高压绕组间不仅有电路直接联系，而且还有磁路耦合, 其传递的功率为传导功率和感应功率之和, 也就是说, 之所以功率传递比普通双绕组变压器大是因为存在传导功率。因AT 高低压绕组之间有直接电路联系, 便要求高压侧与低压侧具有同样绝缘水平, 常用于高低侧电压相对接近场合。
目前，世界高速铁路AT供电方式主要为2 X 27.5KV法国模式和55KV日本模式。我国这两种模式均有采用,京津线采用2 X 27.5KV法国模式，京秦线则采用55KV日本模式。我们可以借鉴这两种模式设计出一种新模式，该模式应该具有以下几个特点：一是相同供电能力下,日本模式要求牵引变电所馈线、母线导线截面更小, 这有利于接触网悬挂轻型化，新模式借鉴；二是新模式同日本模式相比, 牵引变电所内可不设AT, 将AT布置在线路上,简化了系统, 增加设计选择灵活性，并节约了成本；三是同法国模式相比, 新模式牵引变压器不需要中间抽头,能很大程度简化牵引变压器制造难度,而且还省去了牵引变电所回流线布置；四是我们牵引侧开关由2 X 27.5KV模式提升为55kV双极开关,开关绝缘等级提高, 不过工作电流要比2 X 27.5KV模式小, 在高压侧使用220KV大容量供电条件下, 方便于开关选型；五是新模式供电能力高于法国模式, 与日本模式相同, 在增加供电能力同时, 有助于减少电分相数目，延长供电臂。
六、牵引供电系统分析与建议
一是我们需要认真研究新型AT供电模式,填补日本模式与法国模式的缺陷。新型AT供电模式不仅要适用于理想牵引供电系统，也要适用于现行供电系统；二是AT供电系统的断路器和绝缘等级均应配套设计；三是我国电气化铁路供电系统相对于世界来说具有多种牵引变压器接线形式和AT供电方式, 需要结合我国高速铁路实际,设计出具有自主知识产权并且最适合的新模式；四是我们在解决电能质量问题同时, 要实现电气化铁路无分相化；五是我国高速铁路牵引变电所大多采用三相方式接入电力系统，平衡接线最节省补偿装置容量，也便于和单相变电所相互配合,从而形成同相供电系统来尽可能避免电分相,这也同样适用于既有线改造。
总之，当今电力电子技术迅速发展普及，而高速铁路电能质量问题也是急待研究解决的课题。我们为了解决电能质量问题，设计出一种供电系统。本文简介了牵引供电系统与理想牵引供电系统，相形比较之中所存在问题有待我们去解决，還有在对日本、法国供电模式分析比较之中，能得到适合我们的AT供电模式。
参考文献
[1] 李群湛, 贺建闽. 牵引供电系统分析[M]. 成都:西南交通大学出版社, 2007.
[2] 黄辉.椭圆形截面墩柱承载力计算.铁道建筑，2011.
[3] 解绍锋, 李群湛等. 同相供电系统对称补偿装置控制策略研究[J]. 铁道学报, 2002.
[4] 李群湛. 牵引变电所电气分析及综合补偿技术[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2006.
[5] 解绍锋. 高速铁路交直交机车及地铁机车再生制动工况下牵引供电计算的研究[R]. 西安:铁道第一勘察设计院,2007.
[6] 李群湛.我国高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题.铁道学报，2010.