铁道牵引供电系统综述

高速铁路引供电系统综述膑侨文卿黄福万黄业帆卓林（电子科技大学机电工程学院·广西541004）摘要：探讨我国高速铁路的牵引供电系统的原理。

首先介绍我国高速铁路牵引供电系统的发展历程。

然后从供电式、变压器、牵引变电所以及保护装置4个面介绍我国高速铁路牵引供电系统现状，接着介绍国外高速铁路牵引供电系统的现状并指出可借鉴之处，最后展望我国高速铁路牵引供电系统的未来发展向。

关键词：中国高铁；牵引供电系统；发展历程；现状Abstract: The principle of traction power supply system of the railway.At first introducing the traction power supply system’s development path. And then making an introduction of traction power supply system’s advantages and disadvantages from Power supply,transformer,Traction Substation and protective device. Then introducing the current situation of foreign high-speed railway traction power supply system and pointing out the advantages which we can learn from.The last having a outlook of high-speed railway traction power supply the future direction of the system.Key words: China Railway; traction power supply system; development path; status quo.1 引言近年来，我国的高速铁路交通建设发展迅猛，取得了一次又一次骄人的成绩。

随着我国高速铁路网的逐渐密集，铁道交通相对低廉的价格，速度的提升以及铁路硬件设施的逐渐完善和服务水平的逐渐提高，铁路渐渐成为了我国人们出行的重要工具之一。

铁道交通快速发展，给我国人们的生产生活带来了极大的便利，从而促进了地区之间的经济快速发展，文化的交流与传播。

同时，作为列车运行能量来源的牵引供电系统，成为了行业研究课题的热点，并在同相供电、牵引变压器的研究中取得丰硕成果。

【1】本文将通过供电式、变压器、牵引变电所以及保护装置4个面介绍我国高速铁路的详细情况，然后通过与国外一些高速铁路的牵引供电系统做出对比并指出我国高速铁路牵引系统的优点与不足，最后展望我国高速铁路牵引系统的发展向。

2 牵引供电系统发展历程牵引供电系统是电力机车的能源系统，主要由牵引变电所和牵引网组成。

牵引变压器作为变电所中的核心元件，其作用是将电力系统提供的电能转换并送至牵引网。

同时，牵引网电压水平直接受牵引网供电式影响。

因此，本节主要从牵引变压器、牵引网供电式两个面依次介绍牵引供电系统技术发展历程。

【1】2.1 牵引变压器牵引负荷为单相负荷且具有随机波动的特点，所以对电力系统而言，牵引负荷是不对称负荷，其产生的负序电流将影响电能质量。

另外，牵引变压器容量也随着铁路运量与列车速度的增长而不断增加。

因此，牵引变压器的技术发展过程是负序抑制效果逐步提高与变压器容量不断增大的过程。

铁路运输早期，运输量小，速度慢，对于能量的要求不高，对于牵引变压器的容量要求自然不高，用单相牵引变压器即可满足容量的要求。

同时，单相牵引变压器利用率高，造价低，对于工程建设投资低的优点符合当时的国民经济水平状况。

因此，单相牵引变压器是早期铁路供电系统中的常见变压器类型。

随着国民经济的快速发展，铁路运输量逐渐增大，对列车速度要求的逐渐提高，单相变压器的容量慢慢难以满足列车运行过程中的能量需求。

为了满足铁路对大容量变压器的需求，YNd11接线牵引变压器得到广泛采用。

YNd11 接线牵引变压器容量较大、结构简单、制造工艺成熟，且其次边仍保持三相，不但能为接触网供电，同时也能为变电所提供三相电源[1]。

文献［10］分析了其运行特性。

YNd11 接线变压器虽满足了对容量的需求，但它对负序电流却没有抑制效果，影响电网电能质量［11］。

为了改善Ynd11 接线变压器的负序问题，我国1985 年在京线上采用了Scott 接线牵引变压器，此后在大线、武线等区段上也广泛运用。

Scott 接线变压器具有较大的容量与优良的负序抑制效果。

众多研究和实际运行结果表明，Scott 接线变压器能很好地抑制负序电流。

但Scott 接线变压器也具有结构复杂、制造难度大、占地面积大、工程建设成本高的缺点。

【1】2.2 牵引网供电式【1】牵引网供电式技术发展过程是牵引网供电能力不断增强与其对通信影响不断减小的技术发展过程。

为此，我国电气化铁路牵引供电式主要经历了3 种供电式: 直接供电式、吸流变压器－回流线供电式、带回流线的直供式和自耦变压器供电式。

我国最初的电气化铁路广泛采用直接供电式（如图1所示），由接触网和轨－地直接构成回路。

直接供电式具有结构简单，投资少，维护便的优点，适合我国当时铁路运量小，线路少，列车运行速度低的基本情况。

随着铁路运输量日趋增大且逐渐向平原经济发达地区和城市延伸，直供式暴露了其对围通信线路电磁干扰大的缺点。

随着铁路运量不断增大和高速铁路及重载铁路的发展，同时具有一定负序抑制效果及较大容量的V 型接线牵引变压器在新建工程中得以应用。

与Scott 接线变压器相比，V 型接线牵引变压器具有更高的容量利用率、相对较低的制造成本、更少的占地面积及工程投资等优点，因此，V 型接线牵引变压器在我国电气化铁路广泛应用。

图1 直接供电式简图Fig．1 Direct feeding system diagram为了减少对通信的影响，国部分线路开始采用吸流变压器－回流线供电式，简称BT 供电式。

（如图2所示）BT 供电式通过在牵引网上装设变比为1∶1 的吸流变压器，使电流通过回流线流回牵引变电所，从而减少对围通信的影响。

但采用BT 供电式，又会造成牵引网阻抗增大、供电距离缩短、工程造价高、易造成火花间隙等缺点，这些缺点限制了BT 供电式在我国的广泛应用。

图2 BT 供电式简图Fig．2 Boost transformer feeding system diagram考虑到直接供电式和BT 供电式的缺点，我国铁路开始广泛采用带回流线的直供式和自耦变压器供电式，简称DN 供电式和AT 供电式，它们不仅具有较强的供电能力和较小的牵引网阻抗，而且还能减轻对围通信的影响。

并且AT 供电式因为其供电能力强、供电距离大，牵引网压损、能量损失小的特点，广泛应用于我国高速、重载铁路及客运专线。

同时，对AT 供电式的改进产生了全并联AT 供电式，电压损失相对于普通的AT 供电式更小，具有更强的供电能力。

2.3 本章小结本章首先根据电力机车能源系统的主要组成成分为牵引变电所和牵引网络，而牵引变压器作为牵引变电所的核心元件，供电式直接影响牵引网的供电电压水平，因此本章主要以牵引变压器和供电式的逐渐完善的过程来阐述高速铁路牵引供电系统的历史发展进程。

变压器作为电力系统的主要谐波来源及其接线问题产生的负序电流造成的负序作用极影响着电力系统的电能质量。

供电式的不恰当会对铁路围的通信线路产生电磁干扰，而良好的供电式不但会降低对围通信线路的电磁干扰，还具有抑制变压器负序效果的能力。

本章围绕上述指标来展开对牵引变压器和供电式的逐步完善的历程。

3 牵引供电系统简介牵引供电系统主要由牵引变电所和牵引网组成，其中牵引变电所关心的是牵引变压器类型和牵引变电所接线式的选择，牵引网的电压水平受供电式影响。

同时，牵引供电系统的可靠运行依赖于电气保护配置。

因此，本节分别从高速铁路的供电式、牵引变压器、牵引变电所接线、保护配置这4 个面介绍牵引供电系统。

【1】3.1 供电式【2】全并AT供电系统（如图3所示）广泛应用于高速铁路中，全并联AT网是在复线AT网的基础上将上、下行线路在AT处通过横连线进行并联连接，上下行共用自耦变压器。

即在原有AT供电式中，将所有AT 所处的上下行接触网、正馈线和钢轨并联连接，并在变电所出口处，上下行线路采用同一馈线供电。

图3 全并联AT供电系统示意图Fig. 3 Schematic diagram of all parallel ATpowersupply system图1为全并联AT供电系统的电流分布特性，沿线上的AT将经过钢轨的电流平均分为四部分到上下行正馈线和接触网。

正馈线和接触网在电气上具有较强的对称性，因此上行线路和下行线路的电流分布也较为相似。

全并联AT供电系统的电流分布可以进一步降低线路中的电流、电压损失和通信线路的电磁干扰。

其供电性能优于单线AT供电系统和复线AT供电系统，提高了牵引网的传输线路长度，可以减少线路中的牵引变电所的数量。

因此，全并联AT供电式广泛应用于中国高速铁路。

3.2 牵引变压器【1】我国在建和拟建的高速铁路牵引供电系统普遍采用大容量V/x 接线牵引变压器。

V/x 接线牵引变压器接线式（如图4 所示），由2 台单相变压器组合构成，变压器牵引侧一端与接触网相接，另一端与负馈线相接，中间抽头与钢轨相接。

V/x接线牵引变压器能够提供一个接地中性点，结构较简单，投资较少，容量利用率高，且对负序电流的抑制效率与V/v 接线相当，适用于AT 供电系统。

图4 V/x 接线牵引变压器Fig . 4 V /x traction transformer3.3 牵引变电所【1】我国高速铁路供电式采用大容量V/x 牵引变电所与AT 供电式［14］（如图5 所示）。

正常运行时，电力系统两路220 kV 进线提供电能，互为热备用。

牵引变电所采用2 台220/2 ×27．5 kV 牵引变压器，互为备用。

图5 高速铁路牵引变电所接线示意图Fig.5 Wiring diagram of high －speed railway tractionSubstation3.4 自动保护装置【1】合理的继电保护配置是铁路牵引供电系统安全和稳定运行的保证。

高铁的牵引变电所设置了相同类型的继电保护，只是保护整定值由于牵引网阻抗、机车密度等因素不同而不同。

保护的具体配置与电气化铁道所采用供电式、电气设备、工作环境相关，所以保护种类众多，本节不一一罗列。

牵引供电系统与配电网的主要区别在于其单相供电性与负荷波动性，这主要反映在馈线与变压器之上。