关于电气化铁路同相供电技术研究

关于电气化铁路同相供电技术研究

【摘要】目前我国电气化铁路采用单相供电系统，牵引供电系统使电气化铁道牵引供电系统三相严重不平衡，并且存在负序、无功、谐波等电能质量问题，同时过分相装置存在实现复杂、寿命短、投资大、可靠性低的问题，影响高速、重载铁路的发展。本文提出将有源滤波器和YNvd接线平衡变压器两者有机结合，构建新型同相牵引供电系统，来解决当前牵引供电系统所存在的问题。

【关键词】同相供电系统；供电方式；有源滤波器；YNvd变压器；潮流控制器

目前，我国电气化铁路采用异相牵引供电方式，这种制式存在一些弊端：系统负序电流以及大量无功、谐波的问题。问题的产生是由于三相交流电轮换相序接入接触网为电力机车供电，造成了每两个相邻变电所供电臂之间相序不同。供电区段需要采用分相绝缘器隔离，俗称“闯八跨”。在这种分相供电的形式下，电力机车在运行过程中遇分相区会出现停电过分相区和带电闯分相区的情况，都严重影响了机车运行的安全性，制约了高速、重载铁路的发展。为解决以上问题，就需要为牵引供电系统提供一种新的供电方式。

从现有研究来看，同相供电技术是最有效的方法。同相供电技术可从技术上全面取消过分相装置，实现牵引供电系统全线同相供电，不仅可彻底解决高速列车自动过分相问题，也能有效改善目前的电能质量，能够使得供、用电双方达到理想中的经济效益和技术目标，是牵引供电方式的一项重大突破！同相供电技术是指线路上相邻变电所供电的区段接触网电压相位相同，线路上无电分相环节的牵引供电方式。理论上，全线各牵引变电所采用单相变压器就可以实现同相供电，但由于单相负荷在电力系统引起负序电流，当电力系统薄弱时，会导致严重的三相不平衡，全部采用单相变压器不会得到电力部门的同意。因此，同相供电的关键技术就是在牵引变电所实现三相、单相对称变换。目前来看最合理和先进的技术方案是采用平衡变压器和潮流控制器（PFC）。

1 同相供电系统结构探析

同相供电系统中的每个变电所均采用单相供电，原边相位不再轮换，牵引变电多和分区亭处接触网中可取消分相绝缘器，代之以分段绝缘器。

经过牵引变电所，110kV三相电力系统变为单相27.5kV牵引电压供给电力机车。所有变电所输出电压的相位相同。由于要对电力系统侧进行平衡不长，兼谐波、无功不长，因此在变电所内安装平衡变换装置BCD（简称平衡器）。

经由牵引变电所，110kV三相电力系统变为2X27.5kV系统，变电所出线端分别接至接触网（T）、轨道（R）和正馈线（F）。正馈线和接触网之间的电压为55kV，接触网和轨道之间的电压为27.5kV。所有变电所输出电压的相位均相同。同样，为使电力系统侧具有三相平衡的特点，在牵引变电所内安装平衡变换装置。

由于采用的供电方式不同，此上两种同相供电系统的总体结构有所不同，尤其体现在牵引变电结构方面。但是，AT供电方式相比直接供电或BT供电更具优势。

2 变压器的选择及YNvd接线平衡变压器的优势

牵引变电多变压器接线方式有很多，但在实际应用中使用最多的是单相接线变压器、单相V，v接线型变压器、Scott接线变压器以及YNvd接线变压器。经过分析，本文选择了不等边YNvd特殊接线变压器。YNvd接线平衡变压器，具有结构简单、性能优良、便于设计和制造等特点。它可满足铁道AT供电系统对牵引变压器的各种要求：一次侧中性点可直接接地，二次侧两输出回路无电气联系，不需人为阻抗匹配，即可获得满意的输入、输出特性。由于该变压器有三角形接线绕组，为励磁电流的三次谐波提供了通路，因此该绕组较好地改善了电势的波形。

3 牵引变电所的结构及其工作原理

基于YNvd接线平衡变压器同相供电系统，在AT供电方式下和在直接供电或BT供电方式下有不同的结构。本文将有源滤波器和YNvd接线平衡变压器二者有机结合，构建新型同相牵引供电系统，来彻底解决当前牵引供电系统所存在的问题。通过实时监测系统的综合不长电流，控制有源滤波去，平衡三相，滤除无功和谐波电流。

同相供电的牵引变电所不仅具有一般变电所的降压、选择相位输出的功能，而且还具有将单相负荷进行三相平衡变换，对牵引符合进行谐波和无功不长的作用。因为YNvd接线平衡变压器的量端口接线角相差±90°，所以平衡变换装置选用两单相变流器。由于采用两个背靠背单相变流器的系统，变电所内平衡器结构简单，只需两台单相变流器，即可实现对系统的平衡补偿及无功和谐波的补偿：单相变流器易控制，可操作，平衡效果好；变电所接线简单，安装维修方便。

3.1 直接供电方式下的变电所结构

直接供电方式下的变电所结构如图1所示。变压器复变的ac端子供给轨道和接触网27.5kV的单相电压，bc端子与平衡变化装置连接以实现平衡变换。当平衡变换装置发生故障时，系统相当于Y/三角形接线供电，只是不能进行平衡变换，不影响运行。

3.2 AT供电方式下的变电所结构

AT供电方式下的牵引供电系统，要供给2×27.5kV的两相三线电压系统。图2是采用YNvd接线平衡变压器的变电所结构图。变压器副边的a1b1端口与平衡变换装置连接以实现平衡变换，而在c2端口接一台带中点抽头的自耦变压器，分别给T、F、R三导线供电，形成2×27.5kV的系统，从而形成AT供电系统。

当BCD系统发生故障时，不能进行平衡变换，但仍能给系统正常进行AT供电，而且通信干扰防护效果不便。

为了节省变电所内部的自耦变压器，可采用图3和4所示的牵引变电所结构。图3中变压器副边的1、2、3端分别给T、F、R三导线供电，形成2×27.5kV的系统，c2端口与平衡变换装置连接以实现平衡变换，从而形成AT供电系统。图4中变压器副边的C2和C3端口分别给T、F、R三导线供电，a1a2端与平衡变换装置连接实现平衡变换。这两种结构在BCD系统发生故障时，均可给系统正常进行AT供电。此系统的缺点是变电所出口AT段中补偿无效。

从以上分析中，可以看出实现同相供电的关键技术是平衡变换装置输出期望的电流值，能按照要求消除同相供电带来的负序问题，补偿负载的谐波和无功。因此，平衡变换装置中的有源滤波器指令电流的生成方法和滤波器的控制方法对其进行动态平衡补偿起了关键作用。

综上所述，本文主要研究了基于平衡变换装置的同相供电方案：采用不同接线方式YNvd接线变压器，设计了在不同供电方式（直供或BT，AT）下的同相供电系统结构。经仿真分析，证明YNvd接线变压器的同相供电方案是可行的，而且具有综合经济技术性能优越的特点。随着电气化铁路的建设和发展，采用YNvd接线变压器的同相AT供电系统，无疑将是解决当前牵引供电系统所存在问题的优选举措。

参考文献：

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