我国高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题_李群湛

第32卷第4期铁 道 学 报V ol.32 N o.4 2010年8月JOU R NA L OF T H E CH IN A RA ILW A Y SO CI ET Y Aug ust2010文章编号:1001-8360(2010)04-0119-06
我国高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题
李 群 湛
(西南交通大学电气工程学院,四川成都 610031)
摘 要:在电力电子技术迅速发展与普及应用的背景下,本文借鉴德国模式,提出一种取电于公用
电网而又相对独立的牵引供电系统。

它能彻底解决电能质量问题,并完全取消电分相。

结合现实,
本文提出最小补偿容量的同相供电方案,建议研究三相接入电力系统的平衡接线变压器,一方面便
于今后同相(无分相)改造,另一方面亦能与单相变电所实现同相供电。

本文在对国内外现行A T
供电模式的分析和借鉴的基础上,建议建立我国新的A T供电模式。

关键词:高速铁路;牵引供电系统;供电模式;同相供电
中图分类号:U223.5.1 文献标志码:A do i:10.3969/j.issn.1001-8360.2010.04.022
On Some Technical Key Problems in the Development of Traction Power Supply System for High-speed Railway in China
LI Qun-zhan
(Sch ool of Electrical Engin eering,S outhw es t Jiaoton g U nivers ity,Chengdu610031,Chin a)
Abstract:Alo ng w ith r apid dev elo pm ent and w ide application of the pow er electronic technolog y,using the ex-perience of the German pow er supply m ode for reference,an ideal mo de of the tractio n pow er supply system is pro posed,w hich co nnects w ith the public pow er grid and is relatively independent.It can so lve the pro blems of pow er quality and elim inate the neutral sectioning device r adically.Taking into consideration pr actical cond-i tions,the cophased traction pow er supply scheme w ith the minim um com pensation capacity is pr esented and the three-phase balance transfor mer is suggested to be connected w ith the pow er sy stem so as to facilitate cophased tr ansform ation and cophased pow er supply thr oug h single-phase substatio ns.T he ex isting AT pow er supply modes at hom e and abroad are discussed and a new A T pow er supply mo de adaptable to the situations in China is put fo rw ard.
Key words:high-speed r ailw ay;tractio n pow er supply sy stem;pow er supply mode;co phased traction pow er supply
高速铁路(含客运专线)动车组或机车均采用技术先进、性能优越的大功率交-直-交牵引传动系统。

仅就影响电力系统的主要电能质量指标而言,功率因数极度改善,可接近1;谐波电流含量大幅下降,可等效为既有交-直牵引铁路安装了高效有源电力滤波器(APF)。

但相比既有铁路而言,由于牵引功率的大幅增加,负序问题更为突出。

如能在联系电力系统与牵引供电系统的牵引变电所内采取措施,把困扰电力系收稿日期:2009-02-19;修回日期:2010-05-12
基金项目:国家科技支撑计划(2007BAA12B05);铁道部科技研究开发计划(Z2006-047);铁道部科技研究开发计划
(2007J035)
作者简介:李群湛(1957 ),男,河北元氏人,教授,博士。

E-mail:lqz3431@ 统的负序问题和铁路的电分相问题同时解决,那无疑是最佳选择,有利于铁路与电力的和谐、良好发展。

高速铁路的大功率牵引涉及与之相适应的牵引供电系统自身(内部)供电方式的选取。

自耦变压器(AT)供电方式是大容量供电的有效供电方式。

虽然通信实现光缆化后,通信干扰已无大碍,但AT供电方式在通信干扰防护上接近BT供电方式之同时,还避免了BT供电方式因BT串联接入而形成的 断口(火花间隙) ,更有利于列车的高速运行[1-2]。

AT供电方式有55kV与2 27.5kV模式之分。

本文结合我国大力发展高速铁路之实际,探讨我国的AT供电模式,并论及与之相适配的绝缘等级及开关
选择诸问题。

1 理想牵引供电系统
绝大多数国家的电气化铁路均取电于公用电网,电气化铁路用电都存在电能质量问题而受到电力系统的限制。

理想的牵引供电系统应当是电气化铁路从电力系统取电之同时,把其干扰隔离开来,换言之,把电能质量控制在国家标准或相关标准允许范围内,同时铁路内部使用统一的电压供电并取消电分相。

为此,自然会想到以德国为代表的供电模式。

由于历史的原因,德国联邦铁路除从公用电网取电外,还有大量的铁路专用电厂和输电系统(集中式),同时与
其他国家不同,采用15kV 、162
3H z 的供电制式。

这
种模式使用范围有限,但在技术上不失为一种 理想牵引供电系统 ,值得借鉴,抓紧试验研究[3]。

1.1 系统构成
随着大功率电力电子技术的发展,功率半导体器件的容量、集成水平大幅提高,价格不断下降,为解决牵引供电系统与电力系统在电能质量上存在的矛盾及铁路自身电分相问题提供了新的思路,并在技术与装备方面提供了可能。

可借鉴德国模式,在变电所通过三相交流-直流-单相交流全变换方式实现同相供电,将牵引网互联,利用直流环节的转换与隔离作用,形成独立于公用电网的供电网络。

由于采用全变换,电力系统仅与牵引网侧交换有功,且三相负荷平衡,不存在负序问题,同时,铁路供电臂取消电分相,而且变电所之间可进行潮流调度,牵引变压器的容量利用率和负荷率都可得到极大提高。

理想供电系统 结构原理图如图1所示。

图中,牵引变电所取电于三相电力系统。

牵引馈线需加断路器及相关保护,可仿单相牵引变电所馈线予以实现,各断路器对应不同的故障区间。

分区所的断路器通常是闭合的,以实现牵引网的贯通供
电。

图2为 理想供电系统 中牵引变电所的内部原理
图。

图中,原边三相变压器应适应整流特性,但注意经
过正弦调制时谐波含量很低。

直流储能环节经三相四线逆变送出所内自用电,经单相逆变环节送出牵引电压,当电力电子器件集成后经济耐受电压足够或者逆变侧采用多重化级联结构时,可省去虚线框中的单相升压变压器,直接馈出27.5kV 、50H z 额定电压,直流储能环节还可联结其他可再生能源[4-5]。

由于全部采用四象限变流器,再生制动的电能可存储或反馈给电网,即可由用电转为发电过程。

1.2 运行过程
可将理想供电系统输出的牵引馈线电压视为电压源,其大小、相角均可调节控制,图3为牵引网各馈线电压调整(并网)示意图。

牵引网送电时,先将任意一个牵引变电所的牵引馈线投入,如牵引馈线1,设其电压为U 1;然后将牵引馈线2的电压U 2由任意向量U 2调整至与U 1大小、相位相同时投入,实现与牵引馈线1并网,其他牵引馈线的电压依次投入,以实现贯通供电。

牵引网馈线电压的可控性为牵引供电系统负荷潮流的有效调度提供了可能,使原来不可能的事情得以实现。

1.3 可靠性及其他
随机过程认为系统中两个及以上子系统或元件同时故障或修复的(转移)概率为零。

因此,可不考虑两个及以上牵引变电所同时故障。

理想供电系统的运行维护可仿照高压直流输电系统,如随机故障的检修,定期检修等。

当一变电所故障时,应退出运行并及时维修。

退出的情形可等效为这一变电所正被控制在其馈线电流为0的情形。

此时,该变电所的负荷潮流由相邻及其
他正常运行的变电所担当。

修复后牵引变电所的投入过程仍如图3所示。

当
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馈线电压大小、相位与运行中的牵引网电压相同时,即可并网投入运行。

牵引变电所中变流器全部采用相对独立的功率单元组合而成,功率单元采用冗余配置。

当一个单元故障时,可以及时替换,并且,该供电系统中各变电所已互为工作备用关系,整个系统的可靠性能够得到保障。

1.4 投资、效益与经济性
目前,购买国外电力电子器件(IGBT、IGCT等)仍比较昂贵,经济性较差。

但随着技术发展和国产化进程,器件成本会大幅下降。

目前,按同相供电装置容量折算为1000元/kV A计算,20M VA变电所要增加投资2000万元。

但理想供电系统的经济性可从以下几点考虑:
(1)因避免了电分相而使列车运行更平滑,并节省自动过分相的一次投资和日常维护费用。

(2)因变电所容量降低而节省固定容量电费。

以每月的固定容量电费为15元/kvar计,下降一个容量等级所节省的电费数目已很可观。

(3)通过工作备用,节省不必要的固定备用设备及场地所需的投资。

(4)减少铁路部门因电能质量问题而与公共电网运营商发生纠纷或受罚。

目前被罚款的主要原因为功率因数问题,今后也很难排除因负序电流、谐波干扰而造成的电能质量罚款。

(5)电力电子(如IGBT、IGCT)器件及集成产品愈来愈普及,特别是国产化后,单价将大幅度下降。

这更有利于理想供电系统的推广。

2 现行方式与同相供电系统
除德国模式外,其他国家无一例外地采用公用电网给工频(50H z或60H z)交流电气化铁路供电的标准制式。

其中牵引变电所的主变压器把110kV或220kV高压降为27.5kV或25kV的铁路标准用电。

它一般采用双绕组或多绕组接线,其中接线方式有I,i (单相)、V,v、YN,d11和Sco tt等。

高速铁路供电的关键主要取决电力系统对负序电流的耐受能力和牵引变电所接线方式对负序电流的抑制能力。

为降低负序电流的影响,除牵引变压器接线方式外,还要把供电臂相位轮流接入电力系统三相中某一相,简称换相[1]。

这都将导致沿线供电臂使用不同相位电压供电,而在变电所出口或分区所处设置电分相装置,又使之成为列车、特别是高速列车运行的薄弱环节。

实现同相供电是取消电分相、提高列车安全性和舒适性的唯一途径。

2.1 同相供电系统
解决现行供电方式存在问题最为有效的方法是在牵引变电所应用以负序、无功补偿为核心的对称补偿技术,实现同相供电,即全线用同一相位的单相电压供电[6-9]。

它与单相牵引变压器一样,都可避免在牵引变电所出口采用电分相。

两者最主要的区别在于对负序电流的抑制能力。

但即使在同一电力系统中,不同进线处的系统短路容量不同,承受负序电流的能力也不同。

因此,为减少不必要的投资和设备浪费,可将同相供电系统中的变电所分为3种:一是全补偿,它要求实现对称补偿,特别对负序有极好的抑制能力;二是半补偿,对补偿负序有适度要求;三是不补偿,只用牵引变压器。

对称补偿系统和牵引网组成的同相供电系统示意图如图4所示[10]。

2.2 牵引变电所的(最小)补偿容量
如上所述,根据不同接线,在变电所实施对称补偿时,也有技术难度和补偿容量大小之分。

理论上可证明:当认为功率因数为1而仅补偿负序时,最小全补偿容量等于牵引负荷功率[11]。

对称补偿有两种实现方式:其一为无功补偿方式,可以无源,如采用SVC装置;也可为有源的,用电子器件IGBT、IGCT实现,如SVG装置。

支持其实现的是变电所采用的平衡变压器。

图5以Sco tt接线方式为例,显示了平衡变压器实现最优补偿的原理。

与日本模式的不等边Scott接线方式不同[12],这里变压器次级绕组匝数n1等于变压器次级绕组匝数n2。

当全补偿时可使负序电流为0,并取消变电所出口的电分相环节。

其缺点是供电臂电压U无法与电力系统的任一线电压或相电压同相,即,无法与相邻变电所对应线电压(如单相接线、V,v接线)或相电压(如YN,vd接线)的供电臂实现同相。

当供电臂有再生反馈电流通过时[13],补偿要反性。

对各种接线方式是否适用要做具体分析[14-16]。

其二为有源补偿模式,即使用潮流控制器(PFC)与变电所的平衡接线变压器相配合。

PFC 实现的最优补偿如图6所示。

当功率因数为1时, PFC提供占牵引负荷功率1/2的有功功率即可消除
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第4期我国高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题
负序。

PFC 由2套 背靠背 SV G 组成,其无功功率亦折算为牵引负荷功率。

该设备的优点是供电臂电压U 可与电力系统相电压或线电压设置成同相,亦即可与所需要的单相或采用V,v 接线的变电所实现输出电压同相,也可与采用YN,d11接线的变电所实现输出电压同相。

当产生再生反馈时,PFC 亦向电力系统发送1/2再生功率。

当每个变电所的电能质量均达到国家标准要求时,可将处于同一个电力系统的牵引变电所之间的分区所相联,以求进一步减少电分相。

图6所示的原理亦适用于采用YN,d11、V,v 等接线方式的变电所,但PFC
的容量要增加。

需要说明的是,在电力系统要求牵引变电所三相接入条件下,现有高速铁路A T 供电方式的牵引变电所多使用V,x 接线。

要实现对称补偿、消除负序、取消电分相,只能用SVC 或SVG,且必须在3个端口进行补偿,增加了技术难度。

若如上所述采用2个端口补偿,则补偿容量非最优。

限于篇幅,不再祥述。

3 自耦变压器(AT)供电模式
3.1 AT 的特点
[17-18]
任何变压器都有其优缺点。

自耦变压器AT 是普
通双绕组变压器的一种特殊连接,其特点是高压与低压绕组间不仅有磁路耦合,且有电路直接联系,其传递的功率为感应功率和传导功率之和,就是说,功率的传递比普通双绕组变压器(纯感应功率)大的原因是存在传导功率。

由于AT 的高低压绕组间有直接电路联系,便要求低压侧与高压侧具有同样的绝缘水平,且其常用于高低侧电压比较接近的场合。

3.2 现行AT 供电模式简评
目前世界高速铁路AT 供电方式主要为55kV 日本模式和2 27.5kV 法国模式。

这两种模式在我国均有采用,如:京秦线采用55kV 日本模式,京津线则采用2 27.5kV 法国模式。

(1)日本模式
日本是最早采用A T 供电的国家,其特点为变电所内牵引馈线上均安装AT 。

在牵引网供电范围内,均通过AT 电磁回路实现牵引负荷能量的传递,即通过AT 供电回路实现电流在接触网T 与负馈线F 之间的分配(按自耦变压器变比分配,通常n 1 n 2为1 1)。

它具有通信干扰的全程防护作用。

以单线铁路为例,其电流分配见图7所示。

(2)2 27.5kV 法国模式
这种AT 供电模式的特点是省却日本模式中变电所内的自耦变压器AT ,而在牵引变压器次边的中点抽头,成为2 27.5kV 模式。

在AT 段内,存在由接触网T 、钢轨R 和牵引变压器组成的直供回路以及由T 、F 、R 和自耦变压器组成的AT 电磁回路两条能量
传递途径,图8为单线铁路模式的各部分电流分配示意图。

由此可见,日本模式通过纯粹的电磁传递关系来分配电流,分配仅取决于AT 回路,与牵引网阻抗无直接关系,这也是两种供电模式的本质区别。

2 27.5kV 模式具有与日本模式相似的功能,但会受阻抗关系影响。

图8中,机车正运行在第一个AT 段内某处,其各部分电流的分配情况将随着机车位置的变化而不断变化,直供回路将降低对通信干扰的防护作用。

2 27.5kV 模式在实际工程应用中还存在如下几点问题:
(1)设备容量与供电能力
该供电方式受列车运行位置影响。

当列车越靠近
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铁 道 学 报第32卷
牵引变电所时,实际上越接近由牵引变电所中点抽头与接触网之间形成的27.5kV 直接供电方式。

这样看来,它省却了一套AT (设备容量)却损失了牵引网的供电能力和防护干扰能力。

选相同截面导线且以最大载流为边界,设日本模式供电能力为1,则直供方式为0.5,而2 27.5kV 模式介于二者之间。

一个供电臂中的AT 段越少,供电能力损失越显著。

为提高供电能力则需要对接触网设置加强导线。

文献[19]专门比较了2 27.5kV AT 模式与直供方式的导线截面问题。

当一个供电臂中的AT 段较少(如2个)时,为避免AT 供电方式结构复杂的固有缺点,应将直供+加强线或直供+加强线+回流线方式与2 27.5kV 模式作对比研究,优胜劣汰。

(2)断路器断口电压问题
2 27.5kV 模式供电方式的初衷可能是降低绝缘标准,从55kV 降低到27.5kV 。

实际上,按27.5kV 设计断路器有潜在缺陷。

当接触网T 与负馈线F 短路时,若牵引变电所出口的接触网断路器与负馈线断路器亦联动而非同时跳开时,在短暂时间内,先跳开的一个断路器必然承受55kV 电压。

若其中一个出口断路器拒动,另一个断路器将长时间承受55kV 电压。

出于安全考虑,出口断路器绝缘仍应采用55kV 的电压绝缘等级设计。

(3)对变压器制造要求高
为适应2 27.5kV 模式的轨-地接线要求,牵引变压器次边需引出中间抽头,且次边两组绕组需做特殊设计,并进行容量优化,增加了设计制造难度和造价。

这种模式在前苏联的普通速度铁路上就有应用[20]。

3.3 新型AT 供电模式
结合上述分析,可提出一种新型AT 供电模式,图9为新型AT 供电模式在单线铁路的应用示意图,图10为新型AT 供电模式在复线铁路的应用示意图。

该供电模式的特点是:
(1)与日本模式相比,其牵引变电所内可不设
AT,把AT 布置在线路上,从而简化系统,节约投资,
并增加设计选择的灵活性。

对此应结合实际做进一步研究。

(2)与2 27.5kV 模式相比,其牵引变压器不需中间抽头,可很大程度简化牵引变压器的制造难度,同时,省去了牵引变电所的轨-地回流线布置。

(3)其供电能力高于2 27.5kV 模式,等同于日本模式,在增加供电能力之同时,有助于延长供电臂,减少电分相数目。

(4)其牵引侧开关由2 27.5kV 模式提升为55kV 双极开关,避免了前面提到的断路器断口电压问题。

开关的绝缘等级提高,但工作电流比2 27.5kV 模式小,在高压侧采用220kV 大容量供电条件下,有利于开关选型。

(5)在相同的供电能力下,55kV 模式要求牵引变电所的母线、馈线的导线截面更小,有助于省掉设置于大运量线路首个AT 段的加强线,更有利于接触网悬挂的轻型化。

4 结论
本文结合我国高速电气化铁路发展之实际展开讨论,得到的主要结论是:
(1)相对世界而言,我国电气化铁路供电系统具有多种牵引变压器接线形式和AT 供电方式,更应结合我国高速铁路实际,研究最适合的、具有自主知识产权的新模式。

(2)目前我国高速铁路的牵引变电所多采用三相方式接入电力系统,平衡接线最节省补偿装置容量。

这也便于与单相变电所相配合,形成同相供电系统而
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第4期我国高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题
尽可能避免电分相,亦适于对既有线的改造。

(3)AT供电系统的绝缘等级和断路器均应配套设计。

(4)认真研究新型AT供电模式,避免日本模式与2 27.5kV模式的缺憾。

新型AT供电模式既适用于现行供电系统,也适于 理想牵引供电系统 。

(5)可作为远期发展设想,积极研究 理想牵引供电系统 ,在解决电能质量问题的同时,完全实现电气化铁路的无分相化。

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(责任编辑 武晓明)
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