电气化铁路对电力系统的影响分析

电气化铁路对电力系统的影响分析

摘要：科学技术的发展迅速带动了电气化铁路的发展。由于强电流集束效应的存在，使得电气化铁路牵引供电变电系统中的牵引供电网结构较大，负荷也不同于一般负荷。不能计算系统的电流分布、牵引网的阻抗、短路电流等，计算过程复杂且结果不准确。电力铁路的重点是改造铁路供电系统，三相工频交流电压通过电力系统与单相工频交流电压相连，三相工频交流通过牵引变压器转换成单相工频交流，然后由机车供电。电力牵引供电、电气化铁路变电系统发生故障的概率大，牵引车和变电所三相交流电转换成单相交流电，这必然会造成三相电力系统的非对称运行。负序电流将干扰小容量三相电源，系统的负序电压可使该线路上其他负载的电源中断而不发生故障，并干扰该线路第二侧的保护装置。采用遗传算法确定牵引变电所的最佳位置和分区，确定牵引供电臂的合理长度，从而达到牵引网电能损耗最小的目的。虽然该算法能获得牵引变压器的容量，但由于牵引供电和转换系统中数据量大，计算复杂度高。在牵引供电变电系统中，采用多导线电气化铁路牵引供电，可获得瞬时电流，但是，由于运行位置和速度的差异，还不能充分反映列车运行过程对结果的影响。基于大数据分析，提出了电气化铁路牵引供变电系统的设计方法，借助大数据分析技术，充分发挥高效搜索特性。

关键词：电气化铁路；电力系统；影响分析

引言

随着物联网及5G通信技术的快速发展，两者结合应用于高速铁路，加快推进了中国高铁向智能化方向发展的速度。牵引供电系统是高速铁路实现智能化运行的重要组成部分之一，而智能化牵引变电所又是牵引供电系统实现智能化运行的核心。我国目前智能化牵引变电所的应用仍处于起步阶段，当前运行的电气化铁路绝大部分以普通型的牵引变电所为主，设备不够智能，运行状态以人工判断检修为主，整个供电系统故障判断及故障后恢复仍然以人工为主。随着中国电气

化铁路的快速发展，人工成本逐年增加，智能化铁路是铁路发展的必然趋势，要

实现铁路智能化运行，智能化牵引变电所的应用是必不可少的环节。

1我国铁路智能变电所技术现状

当前，我国电气化铁路牵引供电系统运行方式虽然包含直供加回流、AT供电等，但每种供电方式所采用的供电设备、综合自动化保护系统大致相同，设备组

成仍然是以传统形式为主，变电所设备运行状态以人工定期检测试验为主；综合

自动化保护系统只是通过对供电系统的电流、电压等运行数据进行检测，实现对

供电系统运行故障区段的及时切断，但系统故障判断和恢复供电方案的确定仍以

人工为主；变电所日常值班或值守需配备人力，还不能实现无人化监测，变电所

内设备运行状态通过值班人员进行定时巡查，记录各种表计运行数据，通过听、闻、观、测来判断；变电所倒闸作业需要供电调度中心操作和变电所值守人员确

认共同完成。变电所二次保护系统通过控制电缆及信号电缆采集设备运行状态及

数据，变电所线缆数量众多，出现故障后排查困难。随着中国铁路的快速发展，

铁路运行的安全性、可靠性要求越来越高，运营维护的工作量快速增加，智能化

高速铁路是发展必然趋势，智能建造、智能装备、智能运维将有效解决建设和运

维人员需求量大的问题。

2系统设计

主从机系统中，在主从式系统中如何实现通讯连接是一个关键问题。现有的

串行和并行总线连接方式存在接口复杂、接线多的问题，导致数据传输速度较慢。该系统采用开放式模块结构，构成主从多机系统。主从机为串行总线，它的方案

设计灵活、紧凑、易于扩展，具有高可靠性、实时性，易于维护。为了提高整个

系统的性价比，采用了板级设计和部件设计相结合的原则。

2.1单片机

以8031单片机为硬件控制核心，由A/D转换器、内存、解码和逻辑控制等

部分组成。利用MCU的RD和PSEN信号作为两个输入端，与非门芯片enableCE

端和AD574A相连的是AND门的输出端和WR信号，与解码器直接相连的是芯片选

择信号的CS端。其中，为了保证转换的正确性和结果的平滑输出，门的另一输

出通过逆变器与AD574A读写转换信号的R/C端相连。

2.2供电线路

电力电缆主要采用110kV，沿路牵引变电所使用的单相接线变压器，其主要

作用是把110kV电力转换成27.5kV电力供机车牵引使用，钢索悬链线分布；与

电缆平行架设接触网，电力机车运行于接触网与轨道之间。中央变电所将电力从

一般三相500kV和220kV的公共电网中转移到单相110kV的电网中，由电力电缆

沿线路牵引变电所将单相110kV电能转换为27.5kV电能，供机车牵引使用。

2.3中心变电所结构

中心变电所结构由中转站、主牵引变压器和同相补偿装置等构成。中转站是

由主变和配变两部分组成的专用变电站，其变压器是一种特殊的平衡变压器，具

有供电容量大、电压幅度大和垂直相位大等特点。主牵引变压器和同相补偿装置

为中心变电站的电缆负荷供电，主要的牵引变压器承担着主要的供电任务，同相

补偿装置承担着次要的供电任务，电缆负荷计算容量等于牵引变压器同相补偿装

置计算容量之和。

3电气化铁路对电气系统的影响

3.1对发电机的影响

涡轮发电机转子是敏感部件，因为涡轮发电机转子的谐波和负温升大于定子，因此，过热事故会损坏转子组件的安装表面，并且当顺序反向电流流过发电机时，会产生反向磁场。该反向磁场产生反向同步转矩，该反向同步转矩产生附加振动。谐波还会在电动机中引起振动和噪声，而长期的振动会导致金属疲劳和机械损坏。对于靠近牵引站且远离电源（电动遥控器）的异步电动机，应将定子绕组缠绕在

敏感位置，具有结构简单、制造方便、价格便宜、运行方便等特点，对驱动球磨机、压缩机等大功率、低转速的机械设备，常采用同步电机。

3.2对电力变压器的影响