高速铁路牵引供电系统

第二章高速铁路牵引供电系统
第一节电气化铁路的组成
由于电力机车本身不带原动机，需要靠外部电力系统经过牵引供电装置供给其电能，故电气化铁路是由电力机车和牵引供电系统组成的。

牵引供电系统主要由牵引变电所和接触网两部分组成，所以人们又称电力机车、牵引变电所和接触网为电气化铁道的三大元件。

一、电力机车
（一）工作原理
电力机车靠其顶部升起的受电弓和接触网接触获取电能。

电力机车顶部都有受电弓，由司机控制其升降。

受电弓升起时，紧贴接触网线摩擦滑行，将电能引入机车，经机车主断路器到机车主变压器，主变压器降压后，经供电装置供给牵引电动机，牵引电动机通过传动机构使电力机车运行。

（二）组成部分
电力机车由机械部分(包括车体和转向架)、电气部分和空气管路系统构成。

车体是电力机车的骨架，是由钢板和压型梁组焊成的复杂的空间结构，电力机车大部分机械与电气设备都安装在车体内，它也是机车乘务员的工作场所。

转向架是由牵引电机把电能转变成机械能，便电力机车沿轨道走行的机械装置。

它的上部支持着车体，它的下部轮对与铁路轨道接触。

电气部分包括机车主电路、辅助电路和控制电路形成的全部电气设备，在机车上占的比重最大，除安装在转向架中的牵引电机之外，其余均安装在车顶、车内、车下和司机室内。

空气管路系统主要执行机车空气制动功能，由空气压缩机、气阀柜、制动机和管路等组成
（三）分类
干线电力牵引中，按照供电电流制分为：直流制电力机车和交流制电力机车和多流制电力机车。

交流机车又分为单相低频电力机车(25Hz或16 2/3Hz)和单相工频(50Hz)电力机车。

单相工频电力机车，又可分为交--直传动电力机车和交—直—交传动电力机车。

二、牵引变电所
牵引变电所的主要任务是将电力系统输送来的110kV三相交流电变换为27.5〔或55〕kV单相电，然后以单相供电方式经馈电线送至接触网上，电压变化由牵引变压器完成。

电力系统的三相交流电改变为单相，是通过牵引变压器的
电气接线来实现的。

牵引变电所通常设置两台变压器，采用双电源供电。

以提高供电的可靠性。

变压器的接线方式目前采用的有三相Yd11接线，单相V/V接线，单相接线以与三相-两相斯科特变压器。

牵引变电所还设置有串联和并联的电容补偿装置，用以改善供电系统的电能质量，减少牵引负荷对电力系统和通信线路的影响。

三、牵引供电回路
电力牵引供变电系统是指从电力系统接受电能，通过变压，变相后，向电力机车供电的系统。

牵引供电回路是由牵引变电所、馈电线、接触网、电力机车、钢轨、地或回流线构成。

另外还有分区亭、开闭所、自耦变压器站等。

（一）开闭所〔SSP〕
电力牵引系统中的开闭所，实际上是起配电作用的开关站开闭所就是高压开关站，实际上从严格意义上讲是“高压配电〞站，仅仅起配电作用，实现环网供电、双路互投等功能。

当枢纽地区的供电，分为“由里向外供〞和“由外向里供〞两种方式，前者在枢纽内设置牵引变电所。

后者在枢纽内不设牵引变电所，为了增加枢纽地区供电的可靠性和缩小事故的影响X围，一般设开闭所。

AT供电方式时，供电臂较长，在供电臂中部也设开闭所。

开闭所应有来自不同牵引变电所的〔单线区段〕或同一牵引变电所的不同馈线段〔复线区段〕的两回进线。

开闭所应尽量设置在枢纽地区的负荷中心处，以减少馈线的长度和馈线与接触网的交叉干扰。

（二）分区亭〔SP〕
为了增加供电的灵活性，提高运行的可靠性，在两个牵引变电所的供电区间常加设分区亭。

分区亭常用于牵引网为双边供电，或复线区段牵引网为单边供电，但上下行接触网在末端并联时。

这时，分区亭起到平时将两个供电臂或上下行接
触网联络起来的作用，这样，当事故发生时，可缩小停电X围和实现越区供电。

（三）自耦变压器站
电力牵引供电系统如采用自耦变压器供电方式时，在沿线每隔10-15公里设置一台自耦变压器。

设置时尽量将自耦变压器设于沿铁路的各站场上。

同时，尽量与分区亭、开闭所合并，以便于运行管理。

（四）牵引网
牵引网是由馈线、钢轨回流线、接触网组成的双导线供电系统，完成对电力机车的送电任务。

BT供电方式时，还要有回流线。

AT供电供电方式时，还有正馈线和保护线。

馈线：接在牵引变电所牵引母线和接触网之间的导线，即将电能由牵引变电所引向电气化铁路。

接触网：一种特殊的输电线，架设在铁路上方，机车受电弓与其磨擦受电。

回流线：牵引变电所处的横向回流线，它将轨或与轨平行的其它导线与牵引变压器指定端子相联。

分相绝缘器〔电分相〕：串在接触网上，目的是把两相不同的供电区分开，并使机车光滑过渡，主要用在牵引变电所出口处和分区处。

分段绝缘器〔电分段〕：分为纵向电分段和横向电分段，前者用线路接触网上，后者用于站场各条接触网之间。

通过其上的隔离开关将有关接触网进行电气连通或断开，以保证供电的可靠性、灵活性和缩小停电X围等。

供电分区：正常供电时，由牵引变电所馈线到接触网末端的一段供电线路，也称为供电区。

第二节电气化铁路的供电方式
一、电力系统对牵引变电所的供电方式
电力系统向牵引变电所供电的方式可分为单电源供电，双电源供电和混合供电。

当同一电气化区段有不同那个的电力系统功能供电时，在牵引网的分界处，应设置分相电分段而不应并联。

牵引变电所设置两台变压器，它要求双电源供电。

（五）单边供电
单边供电是由一个区域变电所给1-2个牵引变电所供电，为保证供电可靠性，应采用双回路供电。

单边供电的可靠性一般比双边供电和环形供电要差，而投资不会比环形供电
和双边单回供电少。

（六）双边供电
特点：电源来自两个区域变电所，给铁路供电的输电线是联络这两个区域变电所的通路。

可以分为单回路供电和双回路供电。

单回路供电比双回路供电投资省，但双回路供电比单回路供电可靠性更好。

（七）环形供电
特点：牵引变电所在高压侧与一次系统联成环形网。

供电可靠性好，但成本较高。

国内现行电网模式中，有更高一级电网时，往往不再使低一级电网结环运行。

因此，在目前220kV与更高系统逐步形成之情况下，当采用110kV系统给铁道牵引供电时，就较少采用环形方式，双边供电等方式，而多用单边供电或带有备用开关的双边侧供电与环形供电等方式。

实际电力系统的电源与牵引变电所的布局是多种多样的，所以电气化铁道一次系统的供电方式也是多种多样的。

二、牵引变电所对接触网的供电方式
（一）单线区段的单边供电
各变电所相互独立，接触网供电分区由牵引变电所从一边供应电能。

每个接触网供电分区通常称为一个供电臂，相邻两个牵引变电所之间的供电臂相互绝缘，机车只从相关的某个牵引变电所取电。

对于两个异相牵引端口的牵引变电所，通常在牵引变电所出口两馈线相连的接触网上和分区的接触网上设分相绝缘器。

当某一牵引变电所因故障失电时，可将两端分区亭的开关合上进行越区供电。

有较好的电能质量〔电压，电能损失小〕，设备〔接触网导线，变压器〕负荷较均匀，继电保护较为复杂，且有穿越电流流经接触网，目前单线普遍采用这种供电方式。

（二）复线区段的单边末端并联供电
复线区段也可以采用单边供电和双边供电，但由于复线的双边供电分区亭设备复杂，对接触网短路故障的保护十分困难，故目前我国只采用复线单边供电。

由于复线区段牵引变电所同一侧的上下行接触网均供应同相电，故可在接触网供电末端用分区厅中的断路器连接起来，形成单边末端并联供电。

单边末端并联供电时，电力机车由上下行接触网线路并联供电，使分配在每条接触网中的电流减小，从而使接触网的电压损失和电能损失减小，故目前普遍采用这种方式。

机车由相邻的两个变电所供电，由与分相绝缘器并联的断路器合闸而实现的。

当一供电臂故障时，如保证另一供电臂正常供电，则需通过继电保护自动将断路器打开，以缩小故障区域；当接触网停电维修时，也需要〔通过远动〕进行
断路器分合操作。

因此，双边供电时，两相邻牵引变电所之间要设置分区亭。

复线区段的全并联供电
单边全并联供电是在每个车站利用负荷开关将上下行接触网并联，形成并联网络。

并联负荷开关可自动投切，也可由设于车站的远动终端由电力调度控制。

全并联供电的优点是其比末端并联供电更有效的减小接触网阻抗，降低接触网电压损失和电能损失，另一方面又能对接触网的短路故障进行更有效的保护，即当接触网短路故障时，牵引变电所两馈线断路器自动跳闸，接触网瞬时失电，负荷开关自动断开，上下行接触网分开，此时通过变电所的故障判断装置确定故障线路，而非故障线路与可自动重合闸送电，如果是瞬时性故障，两条线路分别送电成功后，负荷开关自动合闸，又恢复到全并联供电方式。

一、接触网对机车的供电方式
〔1〕直接供电方式
牵引网结构最简，投资最小，但钢轨电位较高，对通信线的干扰感应最大，主要适用于通信线路〔主要是明线〕较少或很易将受扰通信线迁改径路的场合。

基本型直接供电方式在法国、英国、原苏联都广泛应用。

〔2〕带回流线的直接供电方式
带回流线的直接供电方式简称DN供电方式：在钢轨上并联架空回流线〔又称为负馈线〕。

增加回流线后，原来流经轨道、大地的回流，一部分改由架空回流线流回牵引变电所，其方向与接触网中馈线电流方向相反，架空回流线与接触网距离较近，因此相当于对邻近通信线路增加了屏蔽效果；另外，钢轨电位大为降低，对通信线的干扰得到较好抑制。

还能降低牵引网阻抗，使供电臂延长30%以上。

〔3〕BT供电方式
在牵引供电系统中加装吸流变压器-回流线装置的供电方式，称为吸流变压器供电方式，简称BT〔Booster Transformer〕供电方式。

它是在牵引网中，每相距1.5-4km，设置一台变比为1：1的吸流变压器，其一次线圈串接入接触网，二次线圈串接在回流线中，〔即吸流变压器-回流线方式，简称吸-回方式〕，或串接在轨道中〔即吸流变压器-轨道方式，简称吸-轨方式〕。

吸轨方式需要自吸流变压器处作绝缘轨缝，将轨道进行绝缘分段，依靠吸流变压器的作用，使绝大部分回归电流流经由轨道和吸流变压器二次线圈流回牵引变电所。

与吸--回方式相比，吸轨方式造价要低得多，对接触网的运行维护也比较有利，对于地形比较困难，或穿越长大隧道的的电气化区段是有意义的。

但是，对邻近线路的防护效果要差一些。

而且，在绝缘轨缝两侧的轨端之间可能出现数百伏的电压，对线路维修人员的安全是个威胁，为了解决这个矛盾，可在吸流变压器出做两个绝缘轨缝，以加长带有不同电位的两段钢轨之间的距离，此外，当列车通过绝缘轨缝的整段时间内，吸流变压器由于副边线路被短路而失去作用。

吸--回方式比吸--轨方式抑制通信干扰的效果好。

我XX用的BT方式均为吸-回方式，日本东海道新干线也如此，而英国、法国、瑞典两种方式都有应用，
挪威只用BT-钢轨方式。

吸流变压器采用变比为1：1的特殊变压器，其特点是要求励磁电流小。

吸流变压器的原边串接在接触网上，次边串接在回流线中。

间隔约1.5-4km 设置一台吸流变压器，在两个吸流变压器中间，把轨道和回流线连接起来，这个连接成为吸上线。

它是机车电流返回回流线的通路。

吸流变压器工作时，使接触网和回流线间集中的加强了互感耦合，设吸流变压器的原边电流为I1，匝数为w1，负边电流为I2，匝数为w2，根据变压器的原理，I1 w1= I2 w2，而w1= w2，所以，I1= I2 ，I1和I2的差别是I1种含有吸流变压器的励磁电流，励磁电流流经轨道和大地，但数值很小。

吸--回方式能迫使由轨道回路和大地返回牵引变电所的机车牵引电流的绝
大部分经由回流线路流回牵引变电所，而不经由轨道和大地。

从而把本来距离很大的接触网—轨道大地回路，改变为距离相对很小的接触网—回流线线路。

而且，回流线中流回的电流与接触网内流过的牵引电流大小基本相等，方向相反，它们形成的电磁场相互抵消，这样就达到了牵引供电回路比较对称的目的，显著的消弱了接触网和回流线周围空间的交变磁场，使牵引电流在邻近的通信线路中的电磁感应影响大大的减小。

BT方式牵引网结构复杂，造价较高，由于吸流变压器串入接触网，使得牵引网阻抗变大，供电臂长度将减小；因存在BT分段〔火花间隙〕，不利于高速、重载等大电流运行；但BT方式的钢轨电位低，抑制通信干扰的效果很好。

〔4〕AT供电方式
AT供电方式又称为自耦变压器供电方式。

自耦变压器〔Auto-Transformer〕是一种电力变压器，它并接与接触网、钢轨和正馈线之中。

这种方式由接触网、钢轨、正馈线和自耦变压器组成供电回路，并在接触网和正馈线之间每隔10-15公里并入一台自耦变压器，其中心抽头与钢轨连接，正馈线与接触悬挂同杆架设，架设于接触网支柱的田野侧。

在AT牵引变电所中，牵引变压器将110千伏三相
电降压成单相55千伏，则钢轨与接触网间的电压正好是自耦变压器两端的电压的一半即27.5千伏。

AT线圈两端分别接到接触网(T)和正馈线(AF)上，其中点抽头与钢轨(R)相接，AF与T架设在同一支柱上。

牵引变压器的次边以55kV，在供电臂上并接AT。

AT两半线圈匝数n1＝n2，即原、次边变比为2：1，使供给接触网上的电压仍按27．5kV馈出。

设机车取流为I，则AT原边电流为I／2，即牵引变压器次边为机车取流的一半。

由于接在T与R间和AF与R间的AT两半线圈是电压相等的，在理想情况下，T与AF中流过的电流大小相等，方向相反，正馈线如同BT方式中的回流线作用一样，因此可以对通信明线的影响进行有效地防护。

AT方式与BT方式相比，在机车取流相同情况下，从变电所至最靠近机车的AT间，接触网与正馈线上电流只有机车电流的一半，对通信明线干扰将大大减弱。

另外，在机车取流的两个AT间的区段内，机车电流总是由左右两侧接触网双边供给，方向相反，对通信明线的干扰互相抵消，因此具有更好的防护效果。

应当指出，实际上AT供电回路中的电流分布是非常复杂的。

电力机车在任意一个AT区间取流时，除相邻的两个AT供给电流外，供电臂上其它的AT也要向该机车供给部分电流。

机车电流通过该供电臂中所有AT的正馈线和钢轨之间的线圈与钢轨——大地形成的链形电路返回变电所，这种电流分布用一般的方法来计算将十分困难，通常都采用电子计算机计算。

实际的AT供电方式往往还增加一根接地保护线PW。

在AT处，保护线与接触悬挂金属支座或双重绝缘子中部相连，并与钢轨连接，在自动闭塞区段则与轨道电路中的信号扼流线圈中点相连。

保护线电位一般在500V以下，正常情况下不流过牵引电流。

当绝缘子发生闪络时，短路电流可通过保护线作回路而不经信号轨道电路．提高了信号电路工作的可靠性。

保护线又是随接触网支柱架空悬挂的，相当于架空地线，对接触网起屏蔽作用，减小对架空通信线的干扰，同时也起到避雷线的作用，通过放电器G入地。

在钢轨对地泄漏电阻和机车取流较大的情况下，为降低钢轨电位，还可在AT区段中部加横向连接线CPW，将钢轨与保护线并接。

AT并联于牵引网中，克服了BT串入网中BT分段的缺陷，使供电电压成倍提高，牵引网阻抗小，供电距离长〔改为直接供电方式的170%-200%〕，网上压损和能损都小，是一种适于高速、重载等大电流牵引的供电方式。

〔5〕CC供电方式
同轴电缆内外导体间的互感系数很大，吸流效果和抑制通信干扰的效果均好于BT和AT供电方式。

CC供电牵引网阻抗和供电距离与AT方式相近，钢轨电位较低，接触网结构较简单，对净空要求低，宜于重载、高速等大电流运行。

但同轴电缆的造价太高，限制了它的广泛应用，一般只在铁路城市、桥隧的低净空地段等特殊场合采用。

日本已在局部电气化区段使用，我国还在研究和试验。

1.牵引变电所
一、牵引变电所高压进线的主接线方案
（一）牵引变电所主接线的要求
1、牵引变压器的接线方式不同，对主接线的影响较大。

2、在满足可靠性的情况下，应尽量采用简单的接线形式，一般一双T接线
为主。

3、双T接线虽然要求双回路进线，但可根据电气化铁路的重要程度和运量
大小而采用手动投入或自动投入备用回路。

当变电所的双回路进线中，主回路发生故障时，备用回路应投入。

当采用手动投入时，将有一段停电时间〔几数分钟到几十分钟〕，但可使主接线简化，考虑到110kV线路故障率较低，而且220 kV 与更高系统逐步形成之情况下，这种接线方式得到了普遍应用。

4、对于重要电气化区段，可采用自动投入或双回路主供。

5、接触网的故障率较高，要求27.5 kV侧馈线断路器能承受较高的跳闸次数或有足够的备用。

（二）单母线分段接线
1、单母线分段接线
当牵引变电所除了110kV两回电源引入线外，还有别的引出线的时候，通常采用此种方式。

正常运行时，分段断路器闭合，两母线并列运行，电源回路和同一负荷的馈线应交错连接在不同的分段母线上，分段断路器既能通过穿越功率，又可在必要的时候将母线分成两段，这样，当母线检修时，停电X围可缩小一半；母线故障时，分段断路器自动跳闸，将故障段母线断开，非故障段母线与其线路仍照常工作，仅使故障段母线连接的线路停电。

单母线分段的接线，广泛用于城市电牵引变电所和110Kv电源进线回路较少的电牵引供电系统。

2、单母线带旁路母线接线单母线分段的接线虽然有上述优点，但是，还是
存在断路器检修或故障时将使有关回路停电的缺陷，为此，增设一组旁路母线，组成带旁路母线的单母线接线即可解决这一矛盾。

（三）桥型接线
当110Kv侧有两回进线且需要穿越功率时，采用桥型接线。

1、内桥接线
内桥接线中带有隔离开关构成的外跨条，作为检修桥断路器时旁路用。

该接
线的特点是线路中有一回故障，不影响供电。

但变压器故障时，造成线路中断。

考虑到变压器故障率比进线故障少，因此这种接线可加强牵引负荷供电的可靠性而对电力系统不会带来多大影响，目前采用较多。

由于解裂变压器也会造成线路中断，所以如需经常操作主变压器的场合，不宜采用内桥接线。

2、外桥接线
该接线的特点是变压器故障不影响线路，变压器的投入和切除方便，线路穿越功率只经过桥断路器，但线路故障时影响一台变压器的供电，这种接线往往用于电力系统中比较重要的系统联络线上。

（四）双T接线
双T接线是目前采用比较普遍的一种接线方式，它在变电所要求两回进线时采用。

一般情况下，其中一回引自电源点的专用间隔，另一回进线可从电力系统的各供电线路上连接。

双T接线比上述两种接线形式都简单，双回进线都在供电要求不高的场合，采用一回助攻，另一回备用。

若两回进线都能作主供回路，并能作为互为备用，则可消去外跨条，使接线更为简单。

在供电要求高的场合，应优先采用两回进线都能作为主供的方案。

二、牵引变电所的供电方案
我国现行的牵引变电所供电方式绝大多数为三相－两相制式，即其原边取自电力系统的110kV 或220kV 三相电压，次边向两个单相供电臂馈电，其母线额定电压为27.5kV 或55kV 。

对于三相YN,d11或V ,v 接线的牵引变电所，次边两相电压的相别是原边三个相〔或线〕电压相别三中取二的某种组合；而对于平衡变压器，经变压器的变换，次边形成大小相等而相位相互垂直的两相电压。

从广义的角度上讲，牵引变压器原次边之间除了有电压的变换外，还有电流和阻抗变换，可称为系统变换，如 通过系统变换，可以获得一次侧的电力系统、牵引变压器的等值电路模型，或二次侧的电力系统、牵引变压器等值电路模型。

这两个等值电路模型对于牵引供电系统的电气分析十分方便、有用，如用于电压损失，故障分析，电能计量，负序含量，谐波水平等计算。

〔一〕纯单相接线变压器
电力机车是单相交流负荷，显然，牵引变电所采用单相变压器最为直观、简单，单相牵引变压器和一般的单相变压器不同，一般单相变压器，都是一端接高压，另一端接地或接中性点，故可采用分级绝缘，而单相牵引变压器的高压绕组两端都接高压，故对地的绝缘要求相同，故采用全绝缘。

单相牵引变电所中的两台变压器并联接线完全一样。

两台变压器的高压绕组金额相同的两相，地压绕组的一端接母线，同时供给变电所的两个臂的负荷。

相邻两段接触网绝缘分开，既利于缩小事故停电X 围，又提高了供电的灵活性。

低压绕组的另一端与接地网和钢轨以与回流线可靠连接，以便使钢轨、回流线中的
....A B C οαβ
⇔。