【摘 要】隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速鐵路工程也有了一定的發(fā)展空間，由于其工程的特殊性，要對(duì)高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式進(jìn)行分析研究，從而能夠確保整個(gè)鐵路的安全運(yùn)行以及企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，為提高我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出貢獻(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】經(jīng)濟(jì)發(fā)展；高速鐵路；供電系統(tǒng)

引言

高速鐵路行車密度高，動(dòng)車組功率大，與普通鐵路相比，牽引供電系統(tǒng)的電能輸送需求成倍地增長。牽引網(wǎng)正常情況下采用了全并聯(lián)的供電方式，以提高接觸網(wǎng)電壓水平延長供電距離兼顧降低電能損耗。這種方式的缺點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障發(fā)生的幾率相對(duì)較高。而高速動(dòng)車組均為全封閉車體，供電中斷時(shí)間過長將對(duì)車內(nèi)乘客的人身安全造成隱患，因此對(duì)于高速鐵路牽引供電系統(tǒng)來講，除了滿足正常運(yùn)行方式下供電的安全和可靠之外，必須兼顧靈活性要求，保證其在故障、應(yīng)急等特殊工況下都能可靠供電。

1、高速鐵路牽引供電特點(diǎn)

高速鐵路牽引供電負(fù)荷容量大，具有沖擊性、波動(dòng)性、不平衡性、強(qiáng)非線性等顯著特點(diǎn)，這使高速鐵路牽引供電負(fù)荷與公用電網(wǎng)之間產(chǎn)生嚴(yán)重的相互影響，成為高速鐵路安全可靠、高效優(yōu)質(zhì)運(yùn)行需要解決的重要技術(shù)問題。高速鐵路牽引負(fù)荷大、行車密度高，運(yùn)行安全性和可靠性要求高，對(duì)公用電網(wǎng)的供電容量、供電品質(zhì)、供電可靠性等方面的要求遠(yuǎn)高于普速電氣化鐵路。由于牽引變電所的負(fù)荷大，且1個(gè)區(qū)段內(nèi)的多個(gè)牽引變電所一般屬于同一區(qū)域性或地方公用電網(wǎng)，從而使高速鐵路牽引供電負(fù)荷對(duì)公用電網(wǎng)、尤其是電力系統(tǒng)受端電網(wǎng)的沖擊，遠(yuǎn)大于普速電氣化鐵路。

2、高速鐵路牽引供電技術(shù)現(xiàn)狀

2.1高鐵牽引供電運(yùn)行可靠性現(xiàn)狀分析

隨著高速鐵路與人們的日常生活和我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展及社會(huì)的進(jìn)步關(guān)系愈來愈密切，大家更加關(guān)注高速鐵路是否能安全穩(wěn)定可靠。在2004年，我國首先進(jìn)行并且初步完成了大多運(yùn)行高速鐵路所使用的接觸網(wǎng)的RAMS深入分析研究工作；而自2008年后，原鐵道部更全面的開展了關(guān)于高速鐵路接觸網(wǎng)是否具有可靠性、牽引供電是否符合牽引供電安全的研究。深入研究接觸網(wǎng)是否能可靠運(yùn)行，這一系列關(guān)于高速鐵路牽引供電安全技術(shù)的課題研究，首先在理論上及技術(shù)上給予了高速鐵路牽引供電安全方面起到了很好的保障作用。并且將高速鐵路上每百條公里范圍內(nèi)的可用性目標(biāo)都納入了高鐵工程建設(shè)的承包合同條款，以此來在實(shí)踐應(yīng)用中深刻滿足人們對(duì)接觸網(wǎng)的可靠性是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。目前，我國的高鐵接觸網(wǎng)可靠性達(dá)到了99.95%?？捎眯阅繕?biāo)達(dá)到了0.98的成績。這種成績?cè)趪H高鐵領(lǐng)域可謂都是遙遙領(lǐng)先，極大的避免了高鐵接觸網(wǎng)的事故發(fā)生率。

2.2目前供電安全技術(shù)現(xiàn)狀

原鐵道部在開展高鐵技術(shù)研究的同時(shí)，就同步開展?fàn)恳╇娂夹g(shù)研究工作。牽引供電技術(shù)實(shí)驗(yàn)也有著焦點(diǎn)和難點(diǎn)，那就是最關(guān)乎速度的弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)理論如何創(chuàng)新以及如何全面的實(shí)踐。首先我國在京津城際的高鐵牽引供電實(shí)施時(shí)，率先引進(jìn)了國外的SicatH1.0接觸網(wǎng)的技術(shù)。隨后各大主要城市高鐵實(shí)施中，以武廣高速鐵路為代表，參照最新國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)借鑒歐洲高速鐵路接觸網(wǎng)工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，采用高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)SiFCAT350方案。而隨后的上海、杭州及北京的主線城市等高鐵更是將弓網(wǎng)關(guān)系的試驗(yàn)速度延長到了每小時(shí)400km。而最初高鐵運(yùn)行的幾個(gè)主線，如合肥至武漢，武漢至廣州等經(jīng)過三年多時(shí)間的安全運(yùn)行向人們表明了每小時(shí)250km及每小時(shí)350km的標(biāo)準(zhǔn)速度，以我國的技術(shù)完全可以做到保證接觸網(wǎng)和牽引供電方案技術(shù)的安全可靠性，達(dá)到了實(shí)現(xiàn)高速時(shí)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)。而此種變現(xiàn)也顯示了中國裝備的接觸網(wǎng)安全保障系統(tǒng)，跟上并很好的完成了將國外先進(jìn)技術(shù)國產(chǎn)化的目標(biāo)。而在主要技術(shù)方面，也符合了國家為高鐵運(yùn)行安全所制定的眾多暫行條例。電氣化接觸網(wǎng)工程系列，如工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)圖，各種施工驗(yàn)收規(guī)范等系統(tǒng)性文件逐步發(fā)布實(shí)施，展現(xiàn)了我國已初步完成了高鐵牽引供電技術(shù)體系的總體建設(shè)目標(biāo)和方向。

3、高速鐵路牽引供電系統(tǒng)中的常見性問題

3.1負(fù)序電流

由于我國采用的單相供電方式，電力系統(tǒng)因?yàn)檫@種不對(duì)稱的供電方式而產(chǎn)生負(fù)序電流。負(fù)序電流會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生一系列危害。比如變壓器的容量利用率下降并且產(chǎn)生不必要的損耗，造成變壓器鐵芯磁路出現(xiàn)附加發(fā)熱的情況；影響以負(fù)序分量啟動(dòng)的繼電保護(hù)裝置的正常運(yùn)行；降低異步電機(jī)的運(yùn)行效率以及穩(wěn)定性；使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度不正常升高，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)。

3.2無功功率失衡

無功功率是相對(duì)有功功率而言的。在電力系統(tǒng)中，用于做功而被消耗掉的能量成為有功功率，而另一部分對(duì)外部電路沒有做功的能量就成為無功功率。雖然無功功率對(duì)維持電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行是必不可少的，但是無功功率失衡仍然會(huì)引起一系列問題。無功功率是建立磁場(chǎng)的必要條件，無功功率缺乏會(huì)影響電動(dòng)機(jī)、變壓器等設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)無功甚至?xí)?dǎo)致電壓崩潰事故的發(fā)生，引起電網(wǎng)大面積停電。但是無功功率過多也會(huì)造成很多不必要的損害，比如增加各類用電設(shè)備的發(fā)熱程度；降低變送電設(shè)備有功輸出的容量；電流增大導(dǎo)致發(fā)電機(jī)、變壓器以及其他電氣設(shè)備和導(dǎo)線的容量增加。

3.3諧波電流

諧波產(chǎn)生的主要原因是電流波形的畸變。對(duì)于電力系統(tǒng)而言，諧波會(huì)破壞供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。高次諧波的影響會(huì)增加供電系統(tǒng)中繼電器和微機(jī)保護(hù)的誤動(dòng)作幾率；諧波的注入會(huì)使電容異常發(fā)熱或者加快電容器絕緣介質(zhì)的老化，縮短電容的使用壽命。諧波的存在還會(huì)對(duì)其他設(shè)備造成不利影響，比如增大異步電機(jī)電動(dòng)的噪聲，干擾電力電子計(jì)量設(shè)備的準(zhǔn)確性，擾亂低壓開關(guān)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.4接觸網(wǎng)電分相

在兩相供電的情況下，為了維持電力系統(tǒng)的平衡，牽引變電所會(huì)采取三相進(jìn)線換相連接措施，這會(huì)在27.5kV側(cè)接觸網(wǎng)出現(xiàn)電分相環(huán)節(jié)。電分相環(huán)節(jié)會(huì)影響高速鐵路受流情況不穩(wěn)定。

4、AT供電方式在高速電氣化鐵路中的應(yīng)用

4.1變壓器的接線方式

變壓器是利用電磁感應(yīng)原理來改變交流電壓的裝置，其主要功能有電壓變換、電流轉(zhuǎn)換等。在高速電氣化鐵路供電系統(tǒng)中，為了保障供電安全，首先確定的就是變壓器的接線方式。高速電氣化鐵路牽引變電所要求在采用供電方式滿足列車供電的穩(wěn)定性、可靠性、安全性的同時(shí)，要盡量采用簡(jiǎn)單的接線方式，為以后的檢修工作提供便利。在AT供電方式中，常用的接線方式有單相V/V接線、三相V/V接線兩種。單相V/V接線方式是將兩個(gè)電壓互感器高壓側(cè)首尾相連，相連處接B相，A端接A相，X端接C相，二次側(cè)相對(duì)應(yīng)的引出二次電壓，并在B相接地，用于測(cè)量三相相電壓。三相V/V接線變壓器是由兩臺(tái)單相變壓器裝在一個(gè)箱體內(nèi)組成的V/V接線變壓器。三相V/V接線第一個(gè)單相電壓互感器的高壓引出端A接電源A相，第一個(gè)單相電壓互感器的高壓引出端X與第二個(gè)單相電壓互感器的高壓引出端A按在一起，接到電源B相，第二個(gè)單相電壓互感器的高壓引出端X接到電源C相。單相V/V接線牽引變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電能損耗較細(xì)小，運(yùn)營費(fèi)用低，維護(hù)工作也簡(jiǎn)便，但是同樣也存在一定的缺點(diǎn)，就是安裝量過大，變電設(shè)計(jì)難度較大。三相V/V前因變壓器可以按相進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)壓幅度大，有著較大的靈活性，在電氣化鐵路中可以節(jié)省成本的投入。

4.2牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在我國當(dāng)前高速電氣化鐵路供電系統(tǒng)中所引用的AT牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)大多為全并聯(lián)的牽引網(wǎng)，列車運(yùn)行的安全性是高速電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的首要任務(wù)，AT供電方式，是在牽引供電系統(tǒng)中加裝吸流變壓器和回流線，減輕了接觸網(wǎng)對(duì)鄰近通信線路的干擾。有效地保障了列車運(yùn)行的安全性，為列車運(yùn)行提供了電能保障。AT供電方式的牽引網(wǎng)阻抗較小，當(dāng)列車高速運(yùn)行時(shí)，供電電壓高。AT供電方式無需提高牽引網(wǎng)的絕緣水平即可將牽引網(wǎng)的電壓提高一倍。線路電流為負(fù)載電流的一半，所以AT供電牽引網(wǎng)能夠減少高速電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中電流以及電壓的損失。同時(shí)AT供電方式中帶回流線的直接供電方式，是在接觸網(wǎng)同高度的外側(cè)增設(shè)了一條回流線，減輕了接觸網(wǎng)對(duì)鄰近通信線路的干擾。

4.3牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)

在高速電氣化鐵路供電系統(tǒng)中，牽引供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性對(duì)于高鐵列車的運(yùn)行來說有著重大影響。目前我國高速電氣化鐵路供電所采用的為AT供電方式，在牽引供電系統(tǒng)保護(hù)中，AT供電方式的運(yùn)用主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

（1）故障檢測(cè)

牽引供電系統(tǒng)的復(fù)雜性使得其出現(xiàn)故障后的檢修工作較為困難。AT供電方式采用全并聯(lián)牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在變壓器中采用三相V/V接線，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，變電所中的電閘能夠自動(dòng)斷開電路，AT自耦變壓器上所通過的電流值就會(huì)被引向統(tǒng)一電臂上的牽引所，并與其牽引變電所的饋線對(duì)通過的電流值進(jìn)行計(jì)算，得出故障接觸網(wǎng)故障點(diǎn)的距離，從而供電系統(tǒng)再將信息反饋到值班臺(tái)，為維修人員提供便利，為供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供保障。

（2）變電所的保護(hù)

變壓器保護(hù)主要用于牽引變壓器內(nèi)部、外部故障及超出允許范圍內(nèi)的過負(fù)荷保護(hù)。牽引變電所間距大、數(shù)量少。由于AT供電方式的輸送電壓高、線路電流小、電壓損失和電能損失都小，輸送功率大，所以牽引變電所的距離加大為80～120km，牽引變電所的距離大大減少，同時(shí)運(yùn)營管理人員也相應(yīng)減少。AT供電方式的供電電壓高、線路電流小、阻抗小、輸出功率大，使接觸網(wǎng)有較好的電壓水平，能適應(yīng)高速大功率電力機(jī)車運(yùn)行的要求。在AT供電系統(tǒng)中，變壓器利用微機(jī)保護(hù)，供電出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警報(bào)，并自動(dòng)斷開電路閘關(guān)。自耦變壓器的本體保護(hù)，設(shè)有重瓦斯保護(hù)，差動(dòng)保護(hù)和過電流保護(hù)等；保護(hù)動(dòng)作將使斷路器跳閘并作用于事故信號(hào)；設(shè)有輕瓦斯保護(hù)、壓力保護(hù)和過熱保護(hù)等，保護(hù)動(dòng)作將作用于預(yù)告信號(hào)。

結(jié)束語

高速鐵路供變電系統(tǒng)中的設(shè)備一旦投運(yùn)，就處于服役狀態(tài)，牽引供電系統(tǒng)中的服役設(shè)備不可避免地會(huì)發(fā)生各種各樣的故障，未來隨著行業(yè)內(nèi)對(duì)牽引供電系統(tǒng)設(shè)備服役性能及檢測(cè)技術(shù)的研究，不斷地完善及深化研究，必將起到為我國騰飛的高鐵事業(yè)保駕護(hù)航地作用。

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