第二章 高速铁路牵引供电系统的供电方式

第一节牵引供电系统供电方式

交流牵引供电系统可采用的供电方式主要有4种：直接供电方式，BT（吸流变压器）供电方式，AT（自耦变压器）供电方式和CC（同轴电缆）供电方式。交流电气化铁道对邻近通信线路的干扰主要是由接触网与地回路对通信线的不对称引起的。如果能实现由对称回路向电力机车供电，就可以大大减轻对通信回路的干扰。采用BT、AT、CC等供电方式就是为了提高供电回路的对称性，其中CC供电方式效率最高，但投资过大。目前，电气化铁路对采用BT、AT供电方式。下面逐一介绍。

一、直接供电方式

这是一种最简单的供电方式。在线路上，机车供电由接触网（1）和轨（2）-地直接构成回路，对通信干扰不加特殊防护措施，如图2-1所示。电气化铁路最早大都采用这种供电方式。这种供电方式最简单，投资最省，牵引网阻抗较小，能损也较低，供电距离一般为30—40km。电气化铁路的单项负荷电流由接触网经钢轨流回牵引变电所。由于钢轨和大地不是绝缘的，一部分回流由钢轨流入大地，因此对通信线路产生感应影响，这是直接供电方式的缺点。它一般用在铁路沿线无架空通信线路或通信线路已改用地下屏蔽电缆区段，必要时也将通信线迁到更远处。

图2-1

带回流线的直接供电方式是在接触网支柱上架设一条与钢轨并联的回流线，称为负馈线（NF），如图2—2所示。利用接触网与回流线之间的互感作用，使钢轨中的回流尽可能地由回流线流回牵引变电所，减少了电气空间，因而能部分抵消接触网对邻近通信线路的干扰，但其防干扰效果不及BT供电方式。这种供电方式可在对通信线路防干扰要求不高的区段采用，能进一步降低牵引网阻抗，供电性能要好一些，但造价稍高。目前我国京广线、石太线均采用此种供电方式。

图2—2

二、BT供电方式

BT供电方式是在牵引网中架设有吸流变压器—回流线装置的一种供电方式，目前在我国电气化铁路中应用较广。吸流变压器的变比是1：1.它的一次绕组串接在接触网中（1）中，二次绕组串接在专为牵引电流流回牵引变电所而特设的回流线（NF）中，故称之为吸流变压器—回流线供电方式，如图2—3所示。在两个吸流变压器中间用吸上线将钢轨和回流线连接起来，构成电力机车负荷电流由钢轨流向回流线的回路。两个吸流变压器之间的距离称为BT段，一般BT段长为2—4km。BT供电方式的工作原理是：由于吸流变压器的变比为1：1，当吸流变压器的一次绕组流过牵引电流时，在其二次侧绕组中强制回流通过吸上线流入回流线。由于接触网与回流线电气空间距离很近，流过的电流大致相等，方向相反，因此对邻近通信线路的电磁感应绝大部分被抵消，从而降低了对通讯线路的干扰。这种供电方式由于在牵引网中串联了吸流变压器，致使牵引网的阻抗比直接供电方式约大50%，能耗也较大，供电距离也较短（单线一般为25km左右，双线一般为20km左右），投资也比直接供电方式大。

图2—3

三、AT供电方式

AT供电方式是20世纪70年代才发展起来的，它既能有效的减轻牵引网对通信线路的干扰，又能适应高速、大功率电力机车的运行，故很多国家都有应用。这种供电方式每隔10km左右在接触网与正馈线之间并入1台自耦变压器，其中性点与钢轨相连。自耦变压器将牵引网的供电电压提高1倍，而供给电力机车的电压仍为25KV，其工作原理如图2—4所示。电力机车由接触网（1）受电后，牵引电流一般由钢轨（2）流回，由于自耦变压器的作用，从钢轨流回的电流，经自耦变压器绕组和正馈线（AF）流回变电所。当自耦变压器的一个绕组流过机车电流时，其另一个绕组感应出电流供给电力机车，自耦变压器供电方式的牵引网阻抗很小，约为直接供电方式的1/4，因此电压损失小，电能损耗低，供电能力大，供电距离长，可达40—50km。由于牵引变电所间的距离加大，从而减少了牵引变电所数量，也减少了电力系统对电气化铁路供电的工程投资。由于牵引变电所和牵引网比较复杂，因此加大了电气化铁路自身的投资。这种供电方式一般用在重载、高速等负荷大的电气化铁路上。由于牵引负荷电流在接触网和正馈线中方向相反，因而对邻近的通信线路干扰很小，其防干扰效果与吸流变压器—回流线供电方式相当。

图2—4

四、CC供电方式

CC供电方式是一种新型的供电方式。它的同轴电力电缆（CC）沿铁路线路埋设，内部芯线作为供电线与接触网（1）连接，外部导体作为回流线与钢轨（2）相接，每隔5—10 km做一个分段，如图2—5所示。CC供电方式的优点是：馈电线与回流线在同一电缆中，间隔很小，而且同轴布置，使得互感系数增大；同轴电力电缆的阻抗比接触网和钢轨小得多，因此牵引电流和回流几乎全部从同轴电力电缆中流过；电缆芯线与外层导体电流相等，方向相反，二者形成的磁场互相抵消，对邻近的通信线路几乎无干扰；阻抗小，供电距离长。但是同轴电力电缆造价高，投资大，现仅在一些特别困难的地段采用。

2—5

第二节高速铁路供电方式的选择

一、各种供电方式优劣

由于高速电力牵引的速度快、电流大，因此要求供电系统的供电质量要高，并应尽量减少电分相、电分段的数量。BT供电方式虽然在通信线路防干扰方面性能较好，但是由于它在接触导线中串入了吸流变压器，伴随一个火花间隙，使一个供电臂的接触导线分成很多段，因此不适合高速牵引电力牵引。与BT供电方式相比，AT供电方式和直接供电方式（包括加负馈线的供电方式）的很多特点，都能满足高速电力牵引的要求。

AT供电方式变电所间距大，一是可以大大减少电分相数量，并且牵引网阻抗小，能显著减少牵引网电压损失，改善供电质量，保证列车高速运行；二是可以密切配合电力系统向电气化铁道供电的电源选择，以降低工程造价。另外，AT供电方式对通信线路的影响小，与BT供电方式相当。由于以上种种原因，世界各国的高速铁路均广泛推广AT供电方式，日本已将AT供电方式作为电气化铁道的标准制式加以推广。

直接供电方式牵引网阻抗大，变电所间距小，相应地电分相数量多，对通信线路的防护不如BT、AT供电方式。但直接供电方式牵引网结构简单，可用在对电磁干扰要求不高的地区。直接供电方式的一些技术指标介于BT和AT供电方式之间，也是高速电气化铁路可选择的方式。

二、我国高速铁路供电方式

在我国TB10621—2009《高速铁路设计规范》中已经明确规定高速铁路正线牵引网应采用2×25KV的AT供电方式；枢纽地区跨线列车联络线、动车走行线和动车段（所、场）等可采用1×25KV的供电方式。这是因为我国高速铁路的目标值在250—350km/h的铁路，具有高密度、长编组等特点，采用2×25KV的AT供电方式有利于高电能的传输和接触悬挂的轻型化和系统匹配设计，有利于减少外部电源的投资和减少电分相数量。因此，规定正线牵引网应采用2×25KV的AT供电方式。我国目前已经实施的武广、郑西、石太、京石、石武、京津、京沪、合武等客运专线、高速铁路均采用2×25KV的AT供电方式。

另TB10621—2009《高速铁路设计规范》中还规定采用2×25KV的AT供电方式时接触电压长期持续值不应高于60V，瞬时（0.1s）值不应高于842V。这是因为采用2×25KV的AT供电方式，列车运行在AT区段内，会有负载电流流过钢轨。理论上讲，列车运行的AT区段外没有电流流过钢轨，但实际上也有部分负载电流流过钢轨。电流流过钢轨会产生钢轨对大地的电位，钢轨对大地的电位会因时间、地点和负荷条件的不同而发生变化。人类和动物有可能与部分电位甚至是全部电位相接触。为了消除对人体的危害，需要对人体手脚之间的接触电压进行规定，以确保人身安全。

第三节同相供电方式

一、同相供电的必要性

上节讲到上节讲到的各种供电方式，从整个供电系统上说，属于异相供电方式，即是说，或者在牵引变电所馈线出口，或者在分区所，为达到尽可能减少负序影响的目的，都采用换相措施。下面要讨论的是一种新概念，它将通过另一种途径解决负序影响而不需换相，这就是同相供电方式。

为摆脱我国铁路运输既有线所面临的困境，铁路的高速客运和重载货运已成为必然发展趋势。高速与重载运输采用电力牵引是最具优势的，但我国现行电气化铁路供电系统及采用技术由于自身存在的弱点，在实现高速、重载电力牵引时是很不适应的，主要表现在：

①在异相供电方式中，为求得对电力系统的平衡，牵引变电所采取三相进线换相连接措施，这就导致了27.5 kV侧接触网电分相（分相绝缘器）环节的出现。而高速和重载运输则要求机车受电弓平滑连续受流，因此，这种电分相由于其机械、电气上的弱点，不仅成为速度和牵引力损失的主要原因，也是整个系统中最薄弱的环节之一。

自动过分相装置虽然是解决问题的方法之一，但因电压高、转换动作频繁，使其准确性和可靠度在应用中受到严峻挑战。目前，过分相技术国内还在研究阶段，国外在使用中的技术依然存在缺陷。因此，除非研制新型自动过分相装置，否则，过分相仍是一个技术瓶颈。

② 高速、重载运输都需要大容量供电，为满足国家标准中电力系统对电气化铁道以负序为突出的电能质量的指标，原有异相供电方式所使用的无功补偿技术已无法适应。若在牵引变电所采用可调对称补偿技术，即使使用交-直-交机车牵引（不计其无功和谐波），技术和经济上也均难达到理想状态。

③我国将建设的高速铁路可能是高、中速混跑模式，若出现交一直-交机车与交-直机车混用局面，除负序外，无功和谐波仍然存在，电能质量不能改善，电气化铁路将面临高价电费问题。同时，速度和牵引力的损失可能使高、中速列车的速度差进一步拉大，影响整体运输能力。

为解决以上问题，必须对现行的供电方式加以改进。其中最为有效的方法就是在牵引变电所应用以负序、无功补偿为核心的对称补偿技术，以实现同相供电，即全线用同一相位的单相供电。同相供电不仅能使电能质量得以根本改善，还能从本质上避免牵引变电所出口处的电分相环节，起码可使处于同一电力系统的电气化铁路电分相环节的数目减半。同相供电是牵引供电方式的一次突破，并使供、用电双方获得理想的经济、技术效益。

理想的牵引供电系统应采用同相供电，更理想的是在同一铁路局界内实现贯通供电，最大限度地避免电分相，从而有利于重载和高速牵引。

二、同相供电系统的基本构成

上面提到，理想的高速铁路牵引供电系统应采用同相供电，并且全线拉通，称为贯通式同相供电，从机车取流的角度看，它相当于双边或多边供电。目前，我国电力系统的管理现状要求高压环网，低压解网，呈树状供电。于是，分区所处的两侧虽为同相电压，但正常运行时却不能贯通。

同相供电范围内的若干个牵引变电所产生的负序电流（功率）将同相叠加，比现行经换相的异相供电方式要严重得多。因此，同相供电的关键是负序问题，解决负序问题就需要对称补偿，如图2-6所示。经各种接线变压器和对称补偿构成的单相供电系统可统称为三相一单相对称补偿系统，它与单相牵引变压器一样，可避免在牵引变电所出口采用电分相。两者最主要的区别在于对负序的抑制能力。但即使是在同一电力系统中，不同进线处的系统短路容量不同，承受负序的能力也不同。

图2-6

于是，为了减少不必要的投资和设备浪费，可将同相供电系统中的牵引变电所分为三种：一是全补偿，它要求实现对称补偿，特别是对负序有极好的抑制能力；二是半补偿，即对补偿负序有适度要求；三是不补偿，只用牵引变压器。

当然，三种牵引变电所中，无功补偿可能都是必要的。同相供电系统主要由牵引变电所中的牵引变压器、对称补偿系统和牵引网组成。其中对称补偿系统由容性和感性无功元件组成，实现对无功和负序的综合补偿。