高鐵牽引供電系統(tǒng)作者簡介

張明銳，同濟大學電子與信息工程學院教授

王靖滿，鐵道第三勘察設計集團公司蘇皖地區(qū)項目部總工程師、教授級高級工程師。

張永健，上海鐵路局供電處處長2100433B

本書為“中國高鐵叢書”中的一種。高速動車組的牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所、接觸網、數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)三大部分組成。本書是依據高速鐵路主要行車工種的崗位標準和培訓規(guī)范，結合鐵路現代化發(fā)展的實際而編寫。

牽引供電系統(tǒng)是將交流中壓電壓經降壓整流變成直流1 500 V或直流750 V的電壓，為電動列車提供牽引供電。它包括牽引變電所與牽引網。

牽引變電所可以分成正線牽引變電所、車輛段或停車場牽引變電所，正線牽引變電所義分為車站牽引變電所和區(qū)間牽引變電所。牽引變電所一般采用設備安裝在建筑物內的形式，另外也有少量的箱式牽引變電所。作為試點，上海軌道交通5號線工程采用了箱式牽引變電所。

牽引網包括接觸網與回流網。接觸網有架空接觸網和接觸軌兩種懸掛方式。大多數工程利用走行軌兼作回流網，少數工程單獨設置回流軌。 2100433B

牽引供電是指拖動車輛運輸所需電能的供電方式。牽引供電系統(tǒng)是指鐵路從地方引入220（110）KV電源，通過牽引變電所降壓到27.5KV送至電力機車的整個供電系統(tǒng)。

例如城市電車，地鐵等，我們主要研究的內容是電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)。在我們這里簡稱牽引供電系統(tǒng)。

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、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行降壓，主要設備是降壓變壓器，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

它的主變壓器結構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，配電設備簡單,可在27500伏側用電力變壓器降壓至 10000伏向鄰近地區(qū)和鐵路的三相負荷供電。缺點是主變壓器容量利用率較低，三相繞組中有一相達不到額定負荷。另外，牽引變電所對電力系統(tǒng)形成不對稱負荷，通常須將各個牽引變電所的兩個重負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供電。簡單單相接線設備簡單、經濟，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)構成單相負荷，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)中仍將產生大量負序電流，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)中產生的負序電流和三相牽引變電所產生的相同，比簡單單相接線產生的要小。這種接線也可在 27500伏側應用降壓變壓器供應地區(qū)三相負荷。但是兩臺主變壓器不是并聯(lián)，操作手續(xù)和設備比較復雜。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，分別向兩邊接觸網供電。斯科特接線的優(yōu)點是,當兩邊接觸網負荷相等時,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伏側不能供應地區(qū)三相負荷。三相-二相牽引變電所在日本應用最為廣泛。

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)段實現并聯(lián)工作或單獨工作。當實現并聯(lián)工作時，分區(qū)所的斷路器閉合，否則打開。

（2）當相鄰牽引變電所發(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)內發(fā)生牽引網短路事故時，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站，一般在下面兩種情況或系統(tǒng)中設置。

一種情況是在離牽引變電所較遠的鐵路樞紐地區(qū)，由于站線多，接觸網相應復雜，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，一般將接觸網橫向分組及分區(qū)供電，由開閉所的多路饋線向接觸網各分組和分區(qū)供電。

另一種情況是在AT供電方式的復線牽引網供電臂中間設置開閉所，由于AT供電方式供電電壓增高（2×25kV），供電臂距離增長，可達40～50km，為提高供電靈活性（如接觸網停電檢修等），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設置一臺自耦變壓器。應盡量把自耦變壓器設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

接觸網是 沿電氣化鐵路架空敷設的輸電網，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70～90公里/小時運行速度。接觸導線彈性較好的，可適應100公里/小時以上的速度。接觸導線材料具有耐磨、耐腐蝕、抗拉強度高和導電性能好等特點。多數國家主要采用銅導線和鎘銅導線。中國廣泛應用鋼鋁雙金屬導線。為了使接觸導線有必要的張力，接觸網每隔一定長度設置一個錨段，將接觸導線一端下錨，另端吊掛一個載重體，稱為補償器。補償器在季節(jié)變化引起接觸導線冷縮熱脹時自動上下移動，使接觸導線張力保持不變。

單鏈形懸掛加用一根承力索，將接觸導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。這種結構的優(yōu)點是接觸導線平直，接觸懸掛彈性均勻，因此受電弓和導線有較好的接觸，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普遍采用兩根接觸導線和單鏈形懸掛。交流制接觸網采用一根接觸導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線之間加設一條輔助承力索,用吊弦掛在承力索上,再把接觸導線掛在輔助承力索上。這種結構使接觸懸掛彈性更加均勻，適應更高的運行速度。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線的水平位置，使接觸導線沿線路成“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線擦傷。

供電方式

直流制電氣化鐵路接觸網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中間設置分區(qū)亭，將接觸網連通。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中的電能損失，減小接觸網的電壓降，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。

防干擾設施

為了減少接觸網電流的電磁感應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)段將接觸網每2～4公里劃成一個吸流分段，設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，加大了接觸網阻抗。日本新建設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公里左右設置一臺自耦變壓器。自耦變壓器中性點接地，一端接接觸網，另一端接回流線，稱為正饋（電）線。正饋線和接觸網電流大小相等，方向相反，同樣起著減小對通信電路干擾的作用。另一方面，由于接觸網和正饋線之間電壓為二倍接觸網電壓，沿接觸網電壓降便大大減小。