铁路牵引供电系统中存在的问题及解决对策分析

铁路牵引供电系统中存在的问题及解决对策分析

摘要：牵引供电系统是提供电力机车动力的系统，其特点为：线长、负荷变化大、地形复杂、维护要求高、故障影响范围大、处理时间紧、损失大，现有的故障处理方式难以满足铁路快速发展的安全要求。因此在牵引供电线路上安装应用远动系统具有非常重要的意义。本文深入分析了现有铁路牵引供电系统中存在的主要问题，并提出了针对性的技术性解决对策。

关键词：铁路；牵引供电；问题；对策

引言

铁路牵引供电系统远动系统是由控制站（调度端）与被控站的远动装置及连接于两者之间的信道设备组成的调度牵引供电设备的远距离监控系统，它可以实现线路的实时遥测、遥信、遥控、遥调。当前的牵引供电系统存在很多问题，使得供电的效率和质量降低，同时对于电气化铁道运行的可靠性和安全性有一定威胁。所以加强对于铁道牵引供电系统的研究显得非常重要。

一、铁道牵引供电系统存在的问题

（一）无功功率问题

第一，有效增加有功损耗。无功功率提升了整个牵引供电系统中的有功损耗，并增高了系统供电线路及供电设备中的发热热量，从而使系统出现能量损耗。

第二，增加无功容量。无功功率增加了系统中的整体供电电流，长时间运行增加了电力系统发电机、电气设备、变压器及导线中的容量，影响了系统正常运行。

第三，降低有功容量。无功功率使得系统变送电整个设备上的无功容量增加了，且在一定程度上使系统输出的有功容量降低了。所以说，采用有效的措施对牵引供电系统中无功功率问题进行解决以使系统可靠性得到提升。

（二）谐波电流

电力系统所形成的谐波与其它整流负荷形成的谐波相同，对于电力系统及用户有极大的危害。特别是负荷功率大、波动性强，其危害主要表现为：

（1）谐波增加了公共电网中各元件的谐波耗，导致用电、输电、发电设备的效率降低，过量三次谐波还会引发火灾。

（2）谐波会影响各种电气设备的正常运行，不但会附加耗损，还会引发机械振动、噪声、过电压，造成变压器局部过热。另外，谐波对于电容器、电缆、路由器、逆变电源等设备的使用寿命也有影响。

（3）谐波会使公共电网中产生了局部并联谐振和串联谐振，放大了谐波，更加重（1）、（2）两点危害，甚至引发重大安全事故。

（三）负序电流问题

除去上述的无功功率和谐波电流的问题外，铁道牵引供电系统中另一个很重要的问题就是负序电流。负序电流会在很大程度上影响铁路牵引供电系统的正常运行，主要表现为：第一，它会产生无功功率。无功功率对于铁路安全运行的影响在上文已有详细论述，这里不再多提。第二，由于出现了负序电流，变压器的输出功率会下降，从而使得供电系统的运行效率降低。第三，因为产生了负序电流的产生，部分设备和线路出现了加热现象，这种现象会损耗设备材料的使用寿命，从而使系统的维护成本大大增加。第四，输电能力会降低，负序电流在经过电力系统时其系统的输电功能不但无法完全发挥，而且其负序电流还占用了大量的输电线路容量，这会使供电系统的输电能力降低。最终降低系统的运行效率。继电器的误动作是由多种因素造成的，其中不仅包括谐波电流和无功功率，还包括了负序电流的影响。

（四）高压电缆故障问题

现有铁路客运专线中牵引供电系统的牵引变电所基本都采用高压电缆来架设，其高压开关柜线路也是高压电缆铺设的。所以，在现有的牵引供电系统中高压电缆十分重要。但是供电系统在具体施工时，总有电缆材质不良、铺设不规范、接地方式选择不当等现象，再加上外在原因，电缆日常维护工作很难做到位，造成牵引供电系统高压电缆故障时常发生，从而威胁到系统的供电安全。

二、完善铁路牵引供电系统的对策

（一）系统无功功率的解决对策

第一，改进设备。提高机车运行功率因数，在电力机车中系统设计者可增设功率因数的校正装置，以提升系统的功率因数。

第二，用四象限PWM整流器。当前的电力机车的供电模式都是“交流一直流一交流”或“交流一直流”，所以，可将四象限PWM整流器引入到供电系统中的整流环节，使列车输入电压和电流的基波在同一相位，消除系统中的无功功率。

第三，选择性能好的机电设备。机电设备的性能和无功功率联系密切，当前我国的和谐号动车组所选用的8节、16节编组供电设备是目前最为先进的供电系统设备，功率因素能达到0.98以上，有效提高电气化铁路的电能使用效率。

第四，对于机车产生在无功功率，通常再牵引变电所采取无源、有源以及两者结合混合补偿方式进行补偿。

（二）针对谐波电流的解决方案

（1）防止电容器放大谐波。可将电容器中的串联电抗器进行改变，或者把电容器组的部分支路改成滤波器，或限定电容器组的投入容量，这样能可以避免电容器将谐波放大，且电容器组的运行过程中的安全性也有保障。

（2）对谐波源的配置或工作方式予以调整。如果装置对谐波有互补性，可集中起来。可适当分散或交替使用，限制会产生大量谐波的工作方式。

（3）采用多重化技术。联合使用几个交流器，将多个方波运用多重化技术叠加，消除较低频率的谐波。

（4）叠加注入谐波。可利用具有三次倍数的谐波和外部的有三次倍数的谐波源，把谐波电流叠加到生成的矩形波形上，这样降低给定运行点处的一些谐波。

（三）负序电流的解决对策

一是要采用大容量的电源。负序电流产生的影响主要是由于系统自身不能承受巨大的不平衡电流导致的。采用高压，大容量的电源，不但可以避免负序电流的产生，还可以提高系统自身的性能。另外一种方式就是改善变压器。我们可以采用单相、三相V/V结线，斯科特结线，平衡结线变压器等多种接线方式的牵引变压器来解决负序电流。负序电流的产生主要是三相不平衡造成的，当我们采用这些变压器的时候如果变压器两端的负荷平衡，最终成功降低负序电流的产生。在利用这种方式消除负序电流的时候，我们必须要注意两供电臂的状态对负序电流的影响：当两供电臂平衡时，单相、三相V/V结线等牵引变压器负序功率为正常的百分之五十；斯科特结线，平衡结线变压器负序功率为0。当两供电臂不平衡时，各结线形式的牵引变压器负序功率均是百分之百。这将是未来我们研究的新课题。还有一种方式是通过相邻牵引变电所的牵引变压器换相联接，来减轻进入电力系统的负序电流。

（四）高压电缆故障问题的解诀对策

第一，严格选材。牵引供电系统的高压电缆要用单芯、交流、铜材质的27.5KV 交联聚乙烯绝缘电缆，电缆保护层应为非磁性金属恺装层。技术人员应详细检查预铺电缆的型号规格，严禁使用不合格电缆。

第二，规范铺设施工。在铺设电缆的时候，应按工艺流程实施。首先，电缆的弯曲半径应比其外径大，应用分沟敷设方法对上下行电缆施工；其次，应用高强度的PVC管铺设穿越铁路的电缆实施穿管，且保护管的半径应比电缆外径大，弯曲半径应大于电缆外径10倍，以保证电缆使用时的可靠性和稳定性。

第三，采取明线架空措施。用明线架空可解决电缆故障时的检修问题，电缆如果发生故障，检修人员可很方便的查找故障点并维修，使高压电缆故障检修效率有效提高。