电气化铁路供电系统

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【摘 要】电气化铁路有着速度快、运量大、运费低、能耗较低、污染少等多种优势,经济和社会效益显著,是目前铁路发展的新趋势.本文从电气化铁路的发展入手,对电气化铁路的牵引供电原理、牵引变电站及接触网、其对电力系统的影响进行了探讨,提出现阶段国内外应采取的措施,文章具有一定的指导意义.

【关 键 词】电气化铁路,接触网,牵引变电站

自1879年世界第一条电气化铁路在德国柏林建成以来,电气化铁路发展迅速.1961,年我国第一条电气化铁路宝成线的宝鸡至凤州段建成,电气化铁路发展五十多年.随着大批客运专线、煤运通道、城际铁路等项目的开工,现代铁路对电气化的要求越来越高,预计到2020年,中国铁路电气化率可达60%.电气化铁路有着节省能源、运输功率大、运输成本低、车辆周转快、维修成本低、以及耗能少污染少等多方面的优点,同时,也存在移动性和波动性大、负序及谐波电流影响电能质量导致三相电压不平衡、波形畸变及电压闪变等问题需要解决.

1.电气化铁路概述

1.1电气化铁路牵引供电原理

与传统铁路不同,电气化铁路运行的动力不是自带能源机车,而需牵引供电系统送电以提供动力.铁路沿线有若干个牵引变电站,经降压器降压至27.5kV,再通过牵引网向电力机车供电,牵引变电站采用双线双变供电以保证供电的可靠性,两路供电互为热备用.机车一般为25kV单相工频交流电压,行驶在架空接触导线与钢轨之间.电气化铁路的牵引变压器一般为单相,从电网两相受电.牵引供电系统一次侧包括牵引变电站及接触网.每个牵引变电站有两个供电臂,当牵引变电站停电时,两接触网臂便可经倒闸由相邻两牵引变电站供电.

1.2牵引变电所

牵引变电所是牵引供电系统的心脏,是电气化铁路的核心.牵引变电所的主要任务是将由电力系统接入的三相高压电变为可供电力机车使用的单相交流电.

一般来说,牵引变电所内设备分为一次和二次设备,其中一次设备主要功能为完成电能的输送、变换、分配等,包括接触高压电气设备如母线、避雷器、互感器等,二次设备则要求智能化与集成化,形成牵引变电所系统,为变电所的远动控制提供可能.牵引变电所接入国网侧为220kv或入110kv的三相交流电,将其转变为源将27.5kv的单相交流电电气列车使用.除此而外,牵引变电所还起着控制电气设备、提高供电质量、以及降低电力牵引负荷对电网影响的作用.同时,为保证牵引供电所可靠供电,牵引供电系统均采用“双备份”模式通过切换设备互为备用.

1.3接触网

接触网是电气化铁路的动脉,是牵引供电系统主要的供电设备.我国电气化铁路接触网额定电压为25kV,牵引变电站内变压器二次侧为27.5kV或55kV.电气化铁路接触网常用的供电方式有直接供电方式、带回流线直接供电方式、吸流变压器供电方式（即BT供电方式）以及自耦变压器供电方式（即AT供电方式）几种,其中BT制电压为27.5kV,AT制电压为55kV.我国传统电气化铁路主要采用BT供电,目前普速电气化铁路的主要供电方式为带回流线式直接供电,而由于AT制供电臂较长的原因,客运专线等高速电气化铁路均采用AT供电方式.接触网属露天设施,不仅受到外界环境的影响,还会受到机车行走带来的动力,再加之接触网没有备用设置,所以其工作环境十分恶劣,因此,必须保证接触网有耐用的结构.

2.电气化铁路对电网的影响

2.1对旋转电机的影响

发电机转子为电机的敏感部件,主要原因是转子的谐波和负序温升都大于定子,存在着局部突出的高温部位,在国内,就有过由于向电气化铁路供电的发电机转子局部过热而导致事故.同时,如果有负序电流流过发电机时,会伴随产生负序旋转磁场,进而产生负序同步转矩,导致发电机产生附加振动.谐波也是引起发电机振动并发出噪声的原因,若发电机长时间的振动,则会引起金属疲劳以及机械损坏.对于电气距离远离电源却与牵引变电所相邻的异步电动机而言,其敏感部件为定子绕组.电动机中会产生一个反向的旋转磁场,对电动机转子而言,该反向磁场起制动作用,影响转子的出力.

2.2对电力变压器的影响

谐波电流会在变压器绕组中产生相当大的附加损耗.除此之外,谐波还会引起变压器外壳、外层硅钢片以及某些紧固件发热,并导致局部过热,很大程度地加速变压器的老化,影响其使用寿命.同时,负序电流造成三相电流不对称,会导致变压器的额定出力减少,降低变压器的容量利用率.

2.3对输电线路的影响

谐波使电力系统网损增大,如果发生了系统谐振或谐波放大,谐波产生的网损可能会非常大.当负序电流流过输电线路时,并不会做功,但是会降低电力输电线路的输电送电能力.

2.4对继电保护和自动装置的影响

谐波会对负序或基波量产生干扰,如对以负序滤波器为启动元件的保护装置产生干扰.因为该类保护装置按负序或基波量进行整定,动作值小、灵敏度高.但当谐波存在时,会引起以下几类保护装置的误动：

（1）发电机的负序电流保护误动,

（2）母线差动保护负序电压闭锁元件误动,

（3）输电线路相差高频保护误动,

（4）引起自动故障录波装置负序启动元件误动,发生无故障记录,浪费记录胶卷.

2.5其他影响

谐波注入电力系统后,如果发生了系统谐振或谐波放大,会造成过压、过流、过负荷或过热,这都有可能对电容器以及串联电抗器造成损坏,进而使得无功补偿装置无法正常投入运行.

3.应对措施及建议

3.1国外提高电能质量的措施

世界各国对减小电铁对电网的影响、改善电能质量都十分重视.日本为减少对电力系统的影响,花了很高的代价研制设备来解决电能质量的问题.德国通过自建电网实现同相供电,满足高速铁路本身的电能质量要求,对电力系统的影响很小,但成本很高.法国通过接入强大的外部电源来解决电能质量问题.3.2我国电铁路系统应采取的措施

借鉴国内外电气化铁路牵引供电的经验,对电气化铁路产生的谐波和负序分量必须采取相应的应对措施,主要包括优化牵引供电方式和应用无功补偿装置两类.

（1）优化牵引供电方式

除了接入系统时采用“双备份”模式外,铁路部门还应将牵引系统接入强大的外部电源,以充分利用外部电网的电能质量承受能力,减少电铁对系统及用户的不利影响.若电铁的负序电流发生临时性或过渡性的增大,电网侧可采取临时方式,如临时投入或退出某些线路、变压器,改变系统中负序电流的分配.电网侧应在外部电源的变电站处装设电铁的线路保护装置,这类保护可利用负序和零序电流为启动元件,并针对电气化铁路的特点,将快速复归功能应用于距离保护的振荡闭锁,当有冲击负荷时,可使保护装置迅速复归,不进入振荡状态,避免距离保护失去快速保护作用的可能性.

（2）应用无功补偿装置

电气化铁路牵引变电站的无功需求波动较大,当无机车通过时,电铁会向电网反送无功.因此,电气化铁路的无功应该实行动态补偿,与此同时,应将无功补偿和谐波治理结合起来.目前,可以运用的无功补偿装置主要有以下几类：单相固定补偿兼滤波装置、单相自动跟踪补偿兼滤波装置、三相动态无功补偿兼滤波装置（三相SVC）或静止无功发生装置（SVG）等.

4.结语

电气化铁路作为电力系统的用电大户,是至关重要的用电需求增长点.同时,电力系统也是保证电气化铁路运输可靠性、安全性、和经济性强大后盾.虽然治理负序电流及谐波需要投入大量的成本,但减少及避免电气化铁路对系统的不利影响,提高电能质量是电气化铁路与电网用户的共同目标,合理的成本投入才能得到长期的效益及共赢.