陳怡心，解紹鋒，管亞敏，孫理歐，周彤昕

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海內外基于牽引供電系統(tǒng)的電力供電方案研究

陳怡心，解紹鋒，管亞敏，孫理歐，周彤昕

根據(jù)海內外鐵路電力供電系統(tǒng)現(xiàn)狀的調研結果，對接觸網(wǎng)取電分布式供電、牽引變電所取電分布式供電、交直交電源設備集中式供電及與牽引變電所合建變電所供電4種電力供電方案進行了綜合分析、對比，建議優(yōu)先采用與牽引變電所合建變電所供電方案。

高速鐵路；牽引供電系統(tǒng)；電力供電方案

0 引言

隨著高速鐵路的不斷發(fā)展，行車速度與密度不斷提高，其牽引供電系統(tǒng)的地位也得到日益提升。高速鐵路沿線分布著通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)等不同類型的非牽引負荷，其電力供電方案直接關系到行車安全、運營費用和建設投資。目前對非牽引負荷用電問題缺乏更為深入的研究，且并未引起相關部門的足夠重視[1]，這樣就易導致非牽引負荷用電困難或者用電的經濟合理性欠缺。

高速鐵路的快速發(fā)展為合理利用牽引供電系統(tǒng)作為電力供電系統(tǒng)的電源提供了技術平臺[2]。面對技術全球化的趨勢，我國高鐵要積極借鑒、吸納國外先進技術，充分發(fā)揮我國高鐵的優(yōu)勢，推動中國高鐵又快又好地“走出去”，在服務“一帶一路”戰(zhàn)略中發(fā)揮更大的作用[3]?；谏鲜霰尘埃疚膶韧怆姎饣F路電力供電方案進行調研，從經濟、技術等方面對牽引供電系統(tǒng)取電的電力供電方案進行分析、比較，確定最優(yōu)方案。

1 高鐵沿線電力負荷分布特點及供電要求

1.1 電力負荷分布特點

高速鐵路沿線電力負荷分布特點：車站負荷容量較大且集中；區(qū)間負荷容量小但點多、分散[4]。

1.2 供電要求

根據(jù)供電可靠性要求，電力負荷主要分3級。

一級負荷應由2路相互獨立的電源供電，當一路發(fā)生故障時，另一路能正常供電。一級負荷中特別重要的負荷，除由2路電源供電外，還需配置應急電源[4]。

二級負荷應由2路電源供電，負荷較小或取電困難時，由一路10 kV及以上專用供電線路供電[4]。

三級負荷一般由1路電源供電。

2 海內外鐵路電力供電系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 中國

為保證鐵路沿線電力負荷用電的需要，中國鐵路經過數(shù)十年的發(fā)展，形成了一套較為可靠的電力供電方案。根據(jù)不同的鐵路線路，鐵路供電方案主要有以下4種。

（1）“雙貫通”方案。新建高速鐵路、客運專線、客貨共線鐵路及普速復線鐵路采用較多的是全線供電“雙貫通”方案，即全線設1條10 kV綜合負荷貫通線和1條10 kV一級負荷貫通線。

（2）“單貫通”方案。對于部分普速鐵路、貨運鐵路及支線鐵路等一級負荷較少的線路，可采用“單貫通”方案，即全線設1條10 kV綜合負荷貫通線。

（3）環(huán)網(wǎng)供電方案。對于車站密度較大的城市及城際鐵路，可采用環(huán)網(wǎng)供電方案，即全線設2條10 kV綜合負荷貫通線。

（4）對于電源匱乏地區(qū)的鐵路，可采用接引牽引供電系統(tǒng)電源作為備用電源的電力供電方案，即鐵路沿線只具備1路貫通電源的條件，第2路電源由接觸網(wǎng)越級供電，采用交直交設備或直接采用單相變壓器供電，作為沿線區(qū)間和車站負荷的備用電源。

2.2 日本

日本新干線通常在每個車站設一座高壓配電所，一般由地方引入一路電源，車站重要負荷的備用電源由1臺應急發(fā)電機組提供[5]；車輛段配電所和牽引變電所共用外部電源。

在長大隧道、隧道較多的區(qū)間及帶區(qū)間中繼站的區(qū)域設雙回電力貫通線；隧道較少或隧道較短的區(qū)間或無區(qū)間中繼站的區(qū)域設單回電力貫通線[5]。

2.3 韓國

韓國高速鐵路首爾—大邱段，全線設2條電力貫通線[5]，車站變配電所電源引自地方電網(wǎng)，區(qū)間不獨立設置電力變配電所。

2.4 法國

法國高速鐵路的設備供電如信號、車站等綜合負荷電源來自國家的中壓電網(wǎng)，車站及區(qū)間備用電源取自接觸網(wǎng)，部分區(qū)間設有電力貫通線[5]。

2.5 德國

德國鐵路主要采用網(wǎng)絡供電和點式供電方式，鐵路沿線大部分負荷、大型車站負荷主要依靠鐵路供電網(wǎng)絡供電，個別遠離供電網(wǎng)絡的地點采用點式供電[5，6]。由于德國環(huán)網(wǎng)電源點多，該類供電方式的供電可靠性相對較高，所以區(qū)間不設電力貫通線，只有道岔除雪設備采用從接觸網(wǎng)取電方式。

德國鐵路重要負荷除保證可靠供電外，還需配置應急電源。

2.6 墨西哥

區(qū)間和中間車站通信、信號、消防風機等重要負荷的主用電源取自沿線1條27.5 kV單相電力供電線，備用電源取自接觸網(wǎng)饋線。27.5 kV單相電力供電線采用環(huán)網(wǎng)供電方式，從相鄰兩座牽引變電所27.5 kV饋線回路接引。單相負荷由27.5/0.23 kV單相變壓器降壓后供電；三相負荷由27.5/0.23 kV單相變壓器及交直交電源設備變換為三相交流400 V或220 V電源供電。該方案也將被西班牙采用實施。

2.7 西班牙

西班牙鐵路供電形式主要為分散點式供電和環(huán)形供電。分散點式供電較為普遍，尤其是普速鐵路，采用從地方公共電網(wǎng)線路取電；負荷比較集中的地區(qū)采用環(huán)形供電；高速鐵路上獲取2路地方獨立電源比較困難的小型車站一般采用從接觸網(wǎng)直接取交流電供電；在獲取2路地方獨立電源比較困難的區(qū)間，從接觸網(wǎng)取電，經交直交設備轉換為三相交流電供電，如馬德里—塞維利亞的高速鐵路車站。西班牙已大量采用了接觸網(wǎng)越級供電電源設備[7]，區(qū)間不設電力貫通線。

2.8 阿根廷

Pilar-Junin鐵路各車站設置1臺桿架式變電臺作為信號、暖通等負荷的主用電源，由當?shù)仉娋W(wǎng)接引；設置1臺箱式低壓柴油發(fā)電機，作為信號負荷的備用電源。

Roca既有電氣化鐵路設1臺專用動力照明變壓器，配合牽引變電所共用高壓電源饋出13.2 kV三相電力貫通線，向沿線車站照明等設備供電；變電所內的單相變壓器取三相電力貫通線中的兩相轉換為兩相電源，饋出13.2 kV單相電經電力貫通線作為通信、信號設備的電源。

2.9 泰國

利用110 kV牽引變電所合建22 kV配電所，全線設置22 kV雙回路電力貫通線；沿線各車站設置22/0.4 kV雙變壓器通信信號專用變電所，為車站內通信、信號負荷供電；設置400 V柴油發(fā)電機組作為備用電源；區(qū)間各用電負荷附近設置22/ 0.4 kV雙變壓器箱式變電站。

2.10 老撾

與110 kV牽引變電所合建的35 kV配電所的電源從牽引變電所110/35 kV動力變壓器二次側接取或從地方電源接取，全線設1條35 kV綜合負荷貫通線，電纜大多采用以架空為主的混合敷設方式。新設配電所通過綜合負荷貫通線形成互供系統(tǒng)。

2.11 利比亞

以EL-KH站至EL-MP站段為例，設1條20 kV電力貫通線，于EL-MP站設1座110/20 kV變配電所。各車站、區(qū)間紅外軸溫探測設備均由20 kV電力貫通線環(huán)網(wǎng)接引電源，并配UPS進行供電。其中EL-KH、EL-MP為大站，各設2臺50 kV·A 20/ 0.4 kV變壓器供電，除由貫通線接引一路電源外，還設1臺太陽能變電站，且從地方電網(wǎng)接引一路電源，其余小站設2臺10 kV·A 20/0.4 kV變壓器供電，由20 kV電力貫通線環(huán)網(wǎng)接引電源，并配UPS進行供電。

2.12 烏茲別克斯坦

以Marokand–Karshi鐵路為例，全線設1條 10 kV三相電力貫通線和1條25 kV三相電力貫通線，分別從各牽引變電所的三繞組變壓器的10 kV側和25 kV側引出，為所有信號及調度設備需提供2路電源，當主用電源失電或電壓頻率不滿足要求時，自動切換至備用電源；若2路電源均不滿足電壓220V +5%/-10%要求，自動轉為柴油發(fā)動機作為第3路電源供電。所有電子設備均配備UPS設備。

3 從牽引供電系統(tǒng)取電的供電方案分析

從上述海內外鐵路電力供電系統(tǒng)現(xiàn)狀調研結果可知，高速鐵路從牽引供電系統(tǒng)取電的電力供電方案可歸納為4種，具體分析如下。

3.1 接觸網(wǎng)取電分布式供電方案

3.1.1 工作原理

該方案采用從接觸網(wǎng)直接取電，為沿線區(qū)間和車站負荷供電。鐵路沿線通信基站、直放站、越行站及區(qū)間其他單相負荷通過單相變壓器供電，鐵路沿線中間站、信號中繼站、區(qū)間隧道等三相負荷的供電點，每處設交直交電源設備將單相27.5 kV電源轉換為三相電源供電。供電方案示意見圖1。

圖1 接觸網(wǎng)取電分布式供電示意圖

3.1.2 供電質量

該方案單相電力負荷點電壓波動較大，但電壓偏差滿足供電要求，且電壓可通過調壓器進行調節(jié)；對于諧波問題，可在單相變壓器低壓側設置單相濾波器，或采用具有隔離功能的交直交電源設備供電，使諧波滿足國家標準要求。采用該方案三相電力負荷點處的交直交電源設備均能正常工作，變換后的三相電源穩(wěn)定在額定電壓范圍內，諧波滿足要求。

3.1.3 可靠性

可靠性主要取決于交直交電源設備可靠性和接觸網(wǎng)停電2方面。

交直交電源設備采用+1備用形式[8]，可靠性高；高速鐵路接觸網(wǎng)一般每天有4 h維修天窗，不能保證供電連續(xù)性，對于電力供電的可靠性有一定影響；接觸網(wǎng)負荷等級為一級負荷，從其接引的電源即可滿足電力供電可靠性要求。

3.1.4 靈活性

由接觸網(wǎng)越級供電，分布式交直交電源設備均為獨立安裝，靈活性高，建設周期短，可進行局部調整和全線配電。

3.1.5 投資成本

電力工程投資成本核算主要考慮電力變電所和分布式交直交電源設備。以某線路為例，線路全長63.2 km，按22處單相負荷供電點、9處三相負荷供電點、各負荷點提供1路電源供電的工程量核算工程投資。

經核算，接觸網(wǎng)取電分布式供電方案的工程投資估算為1 140萬元。為滿足供電質量要求，各單相負荷點采用交直交電源設備取代單相變壓器供電時，工程投資另需增加約330萬元。

3.2 牽引變電所取電分布式供電方案

3.2.1 工作原理

采用從各牽引變電所主變二次側母線接引27.5 kV電源，全線通過交流單相27.5 kV電力貫通線供電。鐵路沿線通信基站、直放站、越行站及區(qū)間其他單相負荷供電點設單相變壓器從單相貫通線取電；鐵路沿線中間站、信號中繼站、區(qū)間隧道等三相負荷供電點，每處設交直交電源設備，將單相27.5 kV電源變換為三相電源供電。供電方案示意如圖2所示。

圖2 牽引變電所取電分布式供電示意圖

3.2.2 供電質量

該方案單相電力負荷點電壓偏差滿足電力供電要求；諧波不滿足要求，可在單相變壓器低壓側設置單相濾波器，或采用具有隔離功能的交直交電源設備供電，使諧波滿足國家標準要求。采用該方案三相電力負荷點處的交直交電源設備均能正常工作，變換后的三相電源穩(wěn)定在額定電壓范圍內，諧波滿足要求。

3.2.3 可靠性

交直交電源設備采用+1備用形式[8]，可靠性高；牽引變電所停電的概率較低，其供電可靠性完全滿足要求。

3.2.4 靈活性

沿線分布式交直交電源設備均為獨立安裝，靈活性高，建設周期短，可進行局部調整和全線配電。

3.2.5 投資成本

牽引變電所取電分布式供電方案的工程投資估算為3 040萬元。為滿足供電質量要求，各單相負荷點采用交直交電源設備取代單相變壓器供電時，工程投資另需增加約330萬元。

3.3 交直交電源設備集中式供電方案

3.3.1 工作原理

采用從各牽引變電所主變二次側母線接引27.5 kV電源，通過大容量交直交電源設備變換后饋出交流三相電源向地區(qū)負荷和三相10 kV電力貫通線供電。鐵路沿線負荷點通過單相或三相電力變壓器從電力貫通線接引電源供電。供電方案示意如圖3所示。

圖3 交直交電源設備集中式供電示意圖

3.3.2 供電質量

該方案電力負荷點電壓偏差、諧波均滿足電力供電要求。

3.3.3 可靠性

由于大容量交直交電源設備采用+備用形式[8]，設備的可靠性極高；牽引變電所停電的概率較低，其供電可靠性完全滿足要求。

3.3.4 靈活性

交直交電源設備集中式供電的三相電力貫通線為全線安裝，基于現(xiàn)有的架空和電纜線路，建設周期會受到線路施工的限制，工期較長，因此靈活性相對不高。

3.3.5 投資成本

交直交電源設備集中式供電方案的工程投資估算為4 130萬元。

3.4 與牽引變電所合建變電所方案

3.4.1 工作原理

采用與牽引變電所合建變電所方案，共用高壓電源，設動力變壓器為地區(qū)負荷和三相10 kV電力貫通線供電。鐵路沿線負荷通過單相或三相電力變壓器從電力貫通線接引電源供電。供電方案示意如圖4所示。

3.4.2 供電質量

該方案電力負荷點電壓偏差、諧波滿足電力供電要求。

3.4.3 可靠性

該供電方案可靠性高，運營維護方便。

圖4 變電所與牽引變電所合建示意圖

3.4.4 靈活性

當電力負荷很大但負荷所在區(qū)域一般位于發(fā)達區(qū)域時，電源問題并不是一個難題，只要投資合理，利于運營，即可方便實現(xiàn)電力變電所與牽引變電所共用高壓電源。當電力負荷很小且位置偏僻時，若要實現(xiàn)電源共用，將面臨很多需要解決的技術問題，且該方案采用的三相電力貫通線需進行全線安裝，基于現(xiàn)有的架空和電纜線路，建設周期將受到線路施工的限制，工期較長，因此靈活性較差。

3.4.5 投資成本

變電所與牽引變電所合建方案的工程投資估算為3 830萬元。

4 電力供電方案對比及結論

通過對4種電力供電方案的分析，得出其技術性、經濟性比較表，如表1所示。

根據(jù)表1，得出以下結論：

（1）優(yōu)先考慮采用與牽引變電所合建變電所的供電方案。在很多區(qū)域取2路獨立電源較為困難，即使取到電源，供電能力也受到限制，發(fā)展空間有限，此時，直接設變電所是解決該問題的有效手段。與牽引變電所合建變電所方案具有以下幾個優(yōu)勢[9]：利用牽引所高壓電源，節(jié)省電力供電工程投資；與牽引變電所合建，共用重復部分，緊湊布置房屋及設備，可節(jié)約占地和工程投資；提高取電電源等級且為獨立的2路電源，可靠性高；供電能力大，可擴展性強，滿足遠期的發(fā)展要求；電源質量較好（僅存在少量諧波影響）。

表1 供電方案技術性、經濟性比較表

在大型樞紐和大型車站處，只要投資合理，利于運營，原則上就可采用與牽引變電所合建變電所供電方案。但對于很多電力負荷很小且地理位置偏僻的工程，需要實現(xiàn)電源共用，將面臨很多需要解決的技術問題。因此，在設計前期必須結合工程實際，綜合考慮供電質量、經濟性等諸多方面因素，做好技術經濟比較，才能確定是否采用與牽引變電所合建變電所供電方案。

（2）在對電能質量要求不高的情況下，可考慮采用接觸網(wǎng)取電分布式供電方案，作為高速鐵路一般中小站、信號設備等重要負荷的備用電源。隨著電力電子技術的發(fā)展，交直交電源設備性能不斷提高，其優(yōu)勢將日益明顯[5]。

（3）對比接觸網(wǎng)取電分布式供電方案，牽引變電所取電分布式供電方案電能質量較好，但投資成本較高，因此需要考慮各方面因素從而確定是否采用牽引變電所取電分布式供電方案。如果接觸網(wǎng)取電分布式供電不能作為長大隧道的備用電源，此時則可采用牽引變電所取電分布式供電方案。

（4）對比接觸網(wǎng)取電分布式供電方案和牽引變電所取電分布式供電方案，交直交電源設備集中式供電方案電能質量好，但投資成本太高；對比與牽引變電所合建變電所供電方案，交直交電源設備集中式供電方案電能質量稍差，且投資成本更高。

5 結語

綜合地方電網(wǎng)分布、供電質量、投資成本等諸多因素，在鐵路設計過程中確定合理、經濟的供電方案通常比較困難，此時，可優(yōu)先考慮采用與牽引變電所合建變電所供電方案。近年來，該方案已在多項工程中得到應用，實踐證明其有顯著的優(yōu)越性。在對電能質量要求不高的情況下，可優(yōu)先考慮采用接觸網(wǎng)取電分布式供電方案。

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According to the investigation results from railway power supply systems at home and abroad, schemes of distributed electric power supply led from the catenary, distributed electric power supply led from traction substation, electric power supply based on centralized AC-DC-AC power supply equipment, and electric power supply of distribution substation combined with traction substation are analyzed and compared. And the results show that the electric power supply scheme of distribution substation combined with traction substation will be recommended for the first priority.

High speed railway; traction power supply system; power supply scheme

U223.5

A

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.023

1007-936X(2018)01-0092-05

2017-03-08

陳怡心.西南交通大學電氣工程學院，碩士研究生；

解紹鋒.西南交通大學電氣工程學院，教授；

管亞敏.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，高級工程師；

孫理歐，周彤昕.西南交通大學電氣工程學院，碩士研究生。

國家自然科學基金（51307143），中鐵第四勘察設計院科技開發(fā)項目。