電力牽引供電

圖1是交流電力牽引供電系統(tǒng)示意圖。它取電于電力系統(tǒng)（公用電網(wǎng)），由牽引變電所和牽引網(wǎng)組成。牽引網(wǎng)實行單相供電，由饋電線（簡稱饋線）、接觸網(wǎng)、（電力機車）、軌道電路及回流線等組成。為使電能有效、可靠地供給電力機車，牽引網(wǎng)上還安裝有分相絕緣器、分段絕緣器等設(shè)備，供電系統(tǒng)中還設(shè)有分區(qū)所、開閉所等。中國規(guī)定牽引網(wǎng)額定電壓為25kV，額定頻率為50HZ 。

外部供電方式電力系統(tǒng)與牽引變電所的電氣聯(lián)結(jié)方式。它取決于牽引負(fù)荷的用電等級和電力系統(tǒng)的分布情況。牽引變電所與電力系統(tǒng)的產(chǎn)權(quán)分界點在牽引變電所一次側(cè)進(jìn)線的門形架處，中國規(guī)定電力牽引為一級負(fù)荷，牽引變電所應(yīng)有兩路電源供電；當(dāng)任一路故障時，另一路應(yīng)能正常供電，其中兩路電源可來自不同的地區(qū)變電所或同一地區(qū)變電所的不同母線或母線分段，以保證一級負(fù)荷的供電可靠性。外部供電方式主要有下述主要幾種。

1.環(huán)形供電為電力系統(tǒng)將牽引變電所聯(lián)成環(huán)形網(wǎng)，優(yōu)點是供電可靠性好，當(dāng)任一輸電線或電源故障時都不影響牽引變電所的正常供電。但因牽引變電所一次側(cè)進(jìn)出線多及開關(guān)多，繼電保護(hù)復(fù)雜，會使成本增加。

2.雙側(cè)供電電源來自電力系統(tǒng)的兩個地區(qū)變電所，給鐵路供電的輸電線是聯(lián)絡(luò)這兩個地區(qū)變電所的道路。根據(jù)可靠性的要求及實際情況，雙側(cè)供電可分為雙路輸電線和單路輸電線兩種類型。但不論哪種類型，各路輸電線的容量應(yīng)不小于相關(guān)牽引變電所容量之和。單路輸電線方式一次側(cè)進(jìn)出開關(guān)少，投資也少，供電可靠性不及雙路方式，但一輸電線或一電源分別故障仍不會導(dǎo)致牽引變電所失電。

3.單側(cè)供電由一個地區(qū)變電所給數(shù)個牽引變電所供電，為保證供電可靠性，應(yīng)采用雙路或同桿雙回輸電線，并由地區(qū)變電所的不同母線或不同母線分段上引入牽引變電所，方式有二。單側(cè)供電方式的可靠性一般比雙側(cè)供電和環(huán)形供電方式要差些，投資比環(huán)形供電方式和單路輸電線雙側(cè)供電方式少些。當(dāng)單側(cè)輸電線較長時，為縮小故障范圍，可選擇適量位置的牽引變電所進(jìn)線處進(jìn)行分段，稱該處為支柱牽引變電所。

4.放射式供電當(dāng)各牽引變電所離開電源差不多等距并且比單側(cè)供電更經(jīng)濟(jì)時，可采用放射供電方式 。

電力牽引供電系統(tǒng)（Power Supply System of Electric Traction）是從高壓電力系統(tǒng)或?qū)Ｓ秒娫唇?jīng)變換供給鐵路電力機車及其輔助設(shè)備用電的電力網(wǎng)絡(luò)。按電流制把它分為交流制和直流制兩大類。20世紀(jì)50年代后，大多數(shù)都采用交流制，中國均為交流制 。

電力牽引供電計算(electric calculations for electric traction)是指為確定電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)一系列重要技術(shù)參數(shù)而進(jìn)行的一整套計算工作，包括牽引供電設(shè)備需要容量計算、牽引供電網(wǎng)絡(luò)阻抗計算、電壓損失計算以及無功和諧波含量計算等 。

電力牽引供電系統(tǒng)是指從電力系統(tǒng)或一次供電系統(tǒng)接受電能，通過變壓、變相或換流（將工頻交流變換為低頻交流或直流電壓）后，向電力機車負(fù)載提供所需電流制式的電能，并完成牽引電能傳輸、配電等全部功能的完整系統(tǒng)。牽引供電系統(tǒng)的性能直接影響列車牽引功率的發(fā)揮和牽引傳動控制系統(tǒng)的性能。

工頻交流單相電力牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所、牽引網(wǎng)、分區(qū)所、開閉所等部分組成。

電力牽引供電系統(tǒng)牽引變電所

直流制牽引變電所用主變壓器降壓并把三相交流電變換為6相或12相,然后用整流器整流。工頻單相交流制在牽引變電所只進(jìn)行降壓，主要設(shè)備是降壓變壓器，稱為主變壓器。牽引變電所按主變壓器繞組接線方式，分為三相、單相和三相-二相牽引變電所。

三相牽引變電所

它的主變壓器結(jié)構(gòu)與一般三相電力變壓器相同,只是次邊額定電壓為27500伏。繞組通常采用 Y/△接線。用兩臺主變壓器并聯(lián)運行。原邊Y形繞組接連電力系統(tǒng)的高壓母線,次邊△線繞組一端接地,另兩端分別向兩邊的接觸網(wǎng)供電(圖1)。三相牽引變電所的優(yōu)點是主變壓器價格低廉，配電設(shè)備簡單,可在27500伏側(cè)用電力變壓器降壓至 10000伏向鄰近地區(qū)和鐵路的三相負(fù)荷供電。缺點是主變壓器容量利用率較低，三相繞組中有一相達(dá)不到額定負(fù)荷。另外，牽引變電所對電力系統(tǒng)形成不對稱負(fù)荷，通常須將各個牽引變電所的兩個重負(fù)電荷相輪換接入電力系統(tǒng)中的三相。中國和蘇聯(lián)的工頻單相交流制電氣化鐵路大都采用三相牽引變電所。

單相牽引變電所

采用單相雙繞組主變壓器。有兩種接線方式:簡單單相接線（圖2）和V/V接線（圖3）。V/V接線是將兩臺主變壓器的原邊接在高壓母線不同的兩相間，次邊分別以不同的相電壓向兩邊接觸網(wǎng)供電。簡單單相接線設(shè)備簡單、經(jīng)濟(jì)，主變壓器容量利用率高。但是由于牽引變電所對電力系統(tǒng)構(gòu)成單相負(fù)荷，即使將各個牽引變電所輪換接入電力系統(tǒng)中的三相，在局部系統(tǒng)中仍將產(chǎn)生大量負(fù)序電流，所以只適宜于在電力系統(tǒng)容量較大的地區(qū)采用。單相V/V接線在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的負(fù)序電流和三相牽引變電所產(chǎn)生的相同，比簡單單相接線產(chǎn)生的要小。這種接線也可在 27500伏側(cè)應(yīng)用降壓變壓器供應(yīng)地區(qū)三相負(fù)荷。但是兩臺主變壓器不是并聯(lián)，操作手續(xù)和設(shè)備比較復(fù)雜。法國、英國、印度的工頻單相交流制電氣化鐵路普遍采用單相牽引變電所，而且多采用簡單單相接線。中國只在個別線路上采用單相V/V接線。

三相－二相牽引變電所

主變壓器一般采用斯科特接線。 其原邊有兩個繞組，匝數(shù)比為1:3,短繞組（稱為高繞組）接于長繞組（稱為底繞組）的中點，三個出線端接高壓母線的三相，形成“T”形接線(圖4)。次邊兩個繞組輸出對稱二相電壓，分別向兩邊接觸網(wǎng)供電。斯科特接線的優(yōu)點是,當(dāng)兩邊接觸網(wǎng)負(fù)荷相等時,主變壓器從電力系統(tǒng)取用對稱三相電流。缺點是要求特制的主變壓器。另外，和簡單單相接線一樣,在27500伏側(cè)不能供應(yīng)地區(qū)三相負(fù)荷。三相-二相牽引變電所在日本應(yīng)用最為廣泛。

電力牽引供電系統(tǒng)分區(qū)所

交流電氣化鐵路上為了增加供電的靈活性，提高運行的可靠性，在兩個牽引變電所的供電區(qū)中間常加設(shè)分區(qū)所，分區(qū)所的作用可簡述如下。

（1）可以使兩相鄰的供電區(qū)段實現(xiàn)并聯(lián)工作或單獨工作。當(dāng)實現(xiàn)并聯(lián)工作時，分區(qū)所的斷路器閉合，否則打開。

（2）當(dāng)相鄰牽引變電所發(fā)生故障而不能繼續(xù)供電時，可以閉合分區(qū)所的斷路器，由非故障牽引變電所實行越區(qū)供電。

（3）雙邊供電的供電區(qū)內(nèi)發(fā)生牽引網(wǎng)短路事故時，可由分區(qū)所的斷路器切除事故點所在處的一半供電區(qū)，非事故段仍可照常工作。

電力牽引供電系統(tǒng)開閉所

交流電力牽引系統(tǒng)開閉所，實際上是起配電作用的開關(guān)站，一般在下面兩種情況或系統(tǒng)中設(shè)置。

一種情況是在離牽引變電所較遠(yuǎn)的鐵路樞紐地區(qū)，由于站線多，接觸網(wǎng)相應(yīng)復(fù)雜，客貨運交會、編組和機車整備作業(yè)繁忙，致使該地區(qū)故障幾率增多，為保證樞紐地區(qū)供電的可靠性，縮小事故范圍，一般將接觸網(wǎng)橫向分組及分區(qū)供電，由開閉所的多路饋線向接觸網(wǎng)各分組和分區(qū)供電。

另一種情況是在AT供電方式的復(fù)線牽引網(wǎng)供電臂中間設(shè)置開閉所，由于AT供電方式供電電壓增高（2×25kV），供電臂距離增長，可達(dá)40～50km，為提高供電靈活性（如接觸網(wǎng)停電檢修等），縮小事故停電范圍，故需在牽引變電所與分區(qū)所之間設(shè)置開閉所。

電力牽引供電系統(tǒng)自耦變壓器站

工頻單相交流電氣化鐵路如采用自耦變壓器（AT）供電方式時，在沿線需每隔10～15km設(shè)置一臺自耦變壓器。應(yīng)盡量把自耦變壓器設(shè)于沿鐵路的各站場上，大致和鐵路區(qū)間的距離一樣。同時，應(yīng)與分區(qū)所、開閉所合并，以便于運行管理。

電力牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)

接觸網(wǎng)是 沿電氣化鐵路架空敷設(shè)的輸電網(wǎng)，它和電力機車受電弓的滑動接觸將牽引變電所送來的電流送給電力機車。

接觸網(wǎng)主要由接觸懸掛及其支柱組成。常用的有簡單彈性懸掛和單鏈形懸掛。

簡單彈性懸掛只有一根接觸導(dǎo)線，用彈性吊弦掛在支柱上（圖5 ）。彈性吊弦可以緩和受電弓對懸掛點的沖擊。這種懸掛可適應(yīng)70～90公里/小時運行速度。接觸導(dǎo)線彈性較好的，可適應(yīng)100公里/小時以上的速度。接觸導(dǎo)線材料具有耐磨、耐腐蝕、抗拉強度高和導(dǎo)電性能好等特點。多數(shù)國家主要采用銅導(dǎo)線和鎘銅導(dǎo)線。中國廣泛應(yīng)用鋼鋁雙金屬導(dǎo)線。為了使接觸導(dǎo)線有必要的張力，接觸網(wǎng)每隔一定長度設(shè)置一個錨段，將接觸導(dǎo)線一端下錨，另端吊掛一個載重體，稱為補償器。補償器在季節(jié)變化引起接觸導(dǎo)線冷縮熱脹時自動上下移動，使接觸導(dǎo)線張力保持不變。

單鏈形懸掛加用一根承力索，將接觸導(dǎo)線用吊弦均勻地吊掛在承力索上（圖6 ）。對承力索采取補償措施的稱為全補償單鏈形懸掛。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是接觸導(dǎo)線平直，接觸懸掛彈性均勻，因此受電弓和導(dǎo)線有較好的接觸，受流較好，適用于運行頻繁、運行速度較高的線路。直流制電氣化鐵路接觸網(wǎng)普遍采用兩根接觸導(dǎo)線和單鏈形懸掛。交流制接觸網(wǎng)采用一根接觸導(dǎo)線和單鏈形懸掛或簡單彈性懸掛。中國主要采用單鏈形懸掛，但也開始采用簡單彈性懸掛。還有一種復(fù)鏈形(雙鏈形、三鏈形)懸掛(圖7)，是在單鏈形懸掛的承力索和接觸導(dǎo)線之間加設(shè)一條輔助承力索,用吊弦掛在承力索上,再把接觸導(dǎo)線掛在輔助承力索上。這種結(jié)構(gòu)使接觸懸掛彈性更加均勻，適應(yīng)更高的運行速度。日本東海道新干線采用彈性雙鏈形懸掛。

早期的接觸網(wǎng)大都使用金屬支柱，后來改用鋼筋混凝土支柱。這種支柱省鋼材，耐腐蝕，造價較低。接觸懸掛掛在支柱的金屬腕臂上，用定位器來固定接觸導(dǎo)線的水平位置，使接觸導(dǎo)線沿線路成“之”字形走向，以免運行中的電力機車受電弓集中在一點被接觸導(dǎo)線擦傷。

供電方式

直流制電氣化鐵路接觸網(wǎng)普遍采用兩邊供電方式，在相鄰的兩個牽引變電所供電的接觸網(wǎng)中間設(shè)置分區(qū)亭，將接觸網(wǎng)連通。運行中的電力機車由兩邊的牽引變電所同時供電。這種供電方式可降低接觸網(wǎng)中的電能損失，減小接觸網(wǎng)的電壓降，一個牽引變電所停電時，電力機車運行不致中斷。交流制電氣化鐵路則常采用一邊供電方式，接觸網(wǎng)在分區(qū)亭處斷開，分區(qū)亭只在一邊牽引變電所停電時接通，由另一邊牽引變電所越區(qū)供電，同時分 區(qū)亭還有上下行末端并聯(lián)的功能。

防干擾設(shè)施

為了減少接觸網(wǎng)電流的電磁感應(yīng)對沿線通信電路的干擾，在交流制電氣化鐵路鄰近城鎮(zhèn)的區(qū)段將接觸網(wǎng)每2～4公里劃成一個吸流分段，設(shè)置回流線和吸流變壓器。這時，電力機車的電流沿回流線流回牽引變電所，從而沿軌道和大地流回的電流很少?；亓骶€和接觸網(wǎng)的電流近似相等，方向相反，這就大大減輕了電氣化鐵路對沿線通信電路的干擾。這種方式的缺點是吸流變壓器串接在電路中，加大了接觸網(wǎng)阻抗。日本新建設(shè)的工頻單相交流制電氣化鐵路采用了自耦變壓器方式，沿鐵路每10公里左右設(shè)置一臺自耦變壓器。自耦變壓器中性點接地，一端接接觸網(wǎng)，另一端接回流線，稱為正饋（電）線。正饋線和接觸網(wǎng)電流大小相等，方向相反，同樣起著減小對通信電路干擾的作用。另一方面，由于接觸網(wǎng)和正饋線之間電壓為二倍接觸網(wǎng)電壓，沿接觸網(wǎng)電壓降便大大減小。

牽引供電牽引供電的優(yōu)越性

電氣化鐵路運輸電力牽引的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

1、電力牽引可節(jié)約能源，綜合利用能源

2、電力牽引可提高列車的牽引重量，提高列車的運行速度

3、電力牽引制動功率大，運行時安全性高強

4、電氣化鐵路運輸?shù)某杀举M用低

5、電力牽引易于實現(xiàn)自動化，利用采用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，利于改善勞動條件，利于環(huán)境保護(hù)

牽引供電牽引供電的缺點

電氣化鐵路運輸電力牽引的缺點主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

1、基本建設(shè)投資較大。

2、對電力系統(tǒng)存在某些不利因素。

因為牽引供電用電是單相負(fù)荷，將會在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生較大的負(fù)序電流和負(fù)序電壓，而且電力機車的功率因數(shù)較低，高次諧波含量較大等都會給電力系統(tǒng)造成不良影響。

3、對鐵路沿線附近的通訊線路造成一定的電磁干擾。

4、接觸網(wǎng)需要停電檢修，要求在列車運行中留有一定的天窗時間，在此時間內(nèi)列車要停止運行。