電力牽引供電簡(jiǎn)介

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(jī)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(guó)均為交流制 。

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(shí)行單相供電，由饋電線（簡(jiǎn)稱饋線）、接觸網(wǎng)、（電力機(jī)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(jī)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(guó)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(jí)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(diǎn)在牽引變電所一次側(cè)進(jìn)線的門形架處，中國(guó)規(guī)定電力牽引為一級(jí)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(shí)，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(jí)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(diǎn)是供電可靠性好，當(dāng)任一輸電線或電源故障時(shí)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(huì)使成本增加。

2.雙側(cè)供電電源來自電力系統(tǒng)的兩個(gè)地區(qū)變電所，給鐵路供電的輸電線是聯(lián)絡(luò)這兩個(gè)地區(qū)變電所的道路。根據(jù)可靠性的要求及實(shí)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(huì)導(dǎo)致牽引變電所失電。

3.單側(cè)供電由一個(gè)地區(qū)變電所給數(shù)個(gè)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(zhǎng)時(shí)，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(shí)，可采用放射供電方式 。

電力牽引供電計(jì)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(jì)算工作，包括牽引供電設(shè)備需要容量計(jì)算、牽引供電網(wǎng)絡(luò)阻抗計(jì)算、電壓損失計(jì)算以及無(wú)功和諧波含量計(jì)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(jī)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(dòng)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(tái)主變壓器并聯(lián)運(yùn)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(diǎn)是主變壓器價(jià)格低廉，配電設(shè)備簡(jiǎn)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(diǎn)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(duì)電力系統(tǒng)形成不對(duì)稱負(fù)荷，通常須將各個(gè)牽引變電所的兩個(gè)重負(fù)電荷相輪換接入電力系統(tǒng)中的三相。中國(guó)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(jiǎn)單單相接線（圖2）和V/V接線（圖3）。V/V接線是將兩臺(tái)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(jiǎn)單單相接線設(shè)備簡(jiǎn)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(duì)電力系統(tǒng)構(gòu)成單相負(fù)荷，即使將各個(gè)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(jiǎn)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(tái)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(guó)、英國(guó)、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(jiǎn)單單相接線。中國(guó)只在個(gè)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(gè)繞組，匝數(shù)比為1:3,短繞組（稱為高繞組）接于長(zhǎng)繞組（稱為底繞組）的中點(diǎn)，三個(gè)出線端接高壓母線的三相，形成“T”形接線(圖4)。次邊兩個(gè)繞組輸出對(duì)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(diǎn)是,當(dāng)兩邊接觸網(wǎng)負(fù)荷相等時(shí),主變壓器從電力系統(tǒng)取用對(duì)稱三相電流。缺點(diǎn)是要求特制的主變壓器。另外，和簡(jiǎn)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(yùn)行的可靠性，在兩個(gè)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(jiǎn)述如下。

（1）可以使兩相鄰的供電區(qū)段實(shí)現(xiàn)并聯(lián)工作或單獨(dú)工作。當(dāng)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)工作時(shí)，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(shí)，可以閉合分區(qū)所的斷路器，由非故障牽引變電所實(shí)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(shí)，可由分區(qū)所的斷路器切除事故點(diǎn)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(shí)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(yùn)交會(huì)、編組和機(jī)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(zhǎng)，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(shí)，在沿線需每隔10～15km設(shè)置一臺(tái)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(chǎng)上，大致和鐵路區(qū)間的距離一樣。同時(shí)，應(yīng)與分區(qū)所、開閉所合并，以便于運(yùn)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(jī)車受電弓的滑動(dòng)接觸將牽引變電所送來的電流送給電力機(jī)車。

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

簡(jiǎn)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(duì)懸掛點(diǎn)的沖擊。這種懸掛可適應(yīng)70～90公里/小時(shí)運(yùn)行速度。接觸導(dǎo)線彈性較好的，可適應(yīng)100公里/小時(shí)以上的速度。接觸導(dǎo)線材料具有耐磨、耐腐蝕、抗拉強(qiáng)度高和導(dǎo)電性能好等特點(diǎn)。多數(shù)國(guó)家主要采用銅導(dǎo)線和鎘銅導(dǎo)線。中國(guó)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(zhǎng)度設(shè)置一個(gè)錨段，將接觸導(dǎo)線一端下錨，另端吊掛一個(gè)載重體，稱為補(bǔ)償器。補(bǔ)償器在季節(jié)變化引起接觸導(dǎo)線冷縮熱脹時(shí)自動(dòng)上下移動(dòng)，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(duì)承力索采取補(bǔ)償措施的稱為全補(bǔ)償單鏈形懸掛。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)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(yùn)行頻繁、運(yùn)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(jiǎn)單彈性懸掛。中國(guó)主要采用單鏈形懸掛，但也開始采用簡(jiǎn)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(yùn)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(jià)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(yùn)行中的電力機(jī)車受電弓集中在一點(diǎn)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(gè)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(yùn)行中的電力機(jī)車由兩邊的牽引變電所同時(shí)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(gè)牽引變電所停電時(shí)，電力機(jī)車運(yùn)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(shí)接通，由另一邊牽引變電所越區(qū)供電，同時(shí)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(duì)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(gè)吸流分段，設(shè)置回流線和吸流變壓器。這時(shí)，電力機(jī)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。回流線和接觸網(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(duì)沿線通信電路的干擾。這種方式的缺點(diǎn)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(tái)自耦變壓器。自耦變壓器中性點(diǎn)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(duì)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(yùn)輸電力牽引的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)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(yùn)行速度

3、電力牽引制動(dòng)功率大，運(yùn)行時(shí)安全性高強(qiáng)

4、電氣化鐵路運(yùn)輸?shù)某杀举M(fèi)用低

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

牽引供電牽引供電的缺點(diǎn)

電氣化鐵路運(yùn)輸電力牽引的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1、基本建設(shè)投資較大。

2、對(duì)電力系統(tǒng)存在某些不利因素。

因?yàn)闋恳╇娪秒娛菃蜗嘭?fù)荷，將會(huì)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(jī)車的功率因數(shù)較低，高次諧波含量較大等都會(huì)給電力系統(tǒng)造成不良影響。

3、對(duì)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(yùn)行中留有一定的天窗時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)列車要停止運(yùn)行。