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牽引供電系統(tǒng) 說起電氣化鐵路，大家可能首先想到的就是線路兩旁一根根的線桿和列車頭頂密如蛛網(wǎng)的電線吧。沒錯(cuò)電氣化鐵路與普通鐵路最明顯的不同在于，它除了地上一條線（軌道）、還有天上一張網(wǎng)（接觸網(wǎng)），是一種立體化的線路。電力機(jī)車所需的電能來自發(fā)電廠由輸電線路、變電裝置、牽引用電網(wǎng)絡(luò)、回流電路等組成的供用電系統(tǒng)供應(yīng)。世界各國采用的供電制式各不相同，我國的電氣化鐵路選擇了25千伏單相工頻（50赫茲）交流供電制式。這種供電制式與工業(yè)生產(chǎn)所使用電流頻率簡稱工頻相同能使?fàn)恳齽恿Λ@得最佳效果。從天上到下，一套復(fù)雜完整的大系統(tǒng)為電氣化列車的運(yùn)行提供了保證。1電氣化鐵路的心臟牽引變電所 牽引變電所是牽引供電系統(tǒng)的心臟，它的主要任務(wù)是將國家電力系統(tǒng)送來的三相高壓電變換成適合電力機(jī)車使用的單相交流電。牽引變電所從國家電網(wǎng)引入220千伏或110千伏三相交流電將三相電轉(zhuǎn)換為適合電氣列車使用的單相交流27.5千伏電源并送上接觸網(wǎng)。除此而外，它還起著供電保護(hù)、測量、控制電氣設(shè)備提高供電質(zhì)量，降低電力牽引負(fù)荷對公共電網(wǎng)影響的作用。為確保牽引供電萬無一失，牽引供電系統(tǒng)都采用“雙備份”模式，兩套設(shè)備通過切換裝置可以互為備用并隨時(shí)處于“戰(zhàn)備”狀態(tài)，以備不時(shí)之需。通常將變電所設(shè)備分為一次設(shè)備和二次設(shè)備，一次設(shè)備是指接觸高電壓的電氣設(shè)備，如牽引變壓器、高壓斷路器、高壓隔離開關(guān)、高壓（電壓和電流）互感器、輸電線路、母線、避雷器等，它們主要完成電能變換、輸送、分配等功能。二次設(shè)備則主要是控制、監(jiān)視、保護(hù)設(shè)備。隨著科技的發(fā)展，二次設(shè)備更加的集成化和智能化，形成了牽引變電所自動化系統(tǒng)為牽引變電所的遠(yuǎn)動控制提供了可能。2電氣化鐵路的動脈接觸網(wǎng)當(dāng)我們乘坐在電氣化鐵路的旅客列車上出行時(shí)，會看到路基兩旁有一根根電桿豎立著頂端安裝有單臂結(jié)構(gòu)裝置伸向線路側(cè)上方且懸掛有電線，并將其固定在距軌道面一定高度的地方，在股道多的車站或編組站，懸掛結(jié)構(gòu)及各種線網(wǎng)多如蛛網(wǎng)。這就是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的主要供電設(shè)備接觸網(wǎng)。 接觸網(wǎng)是在露天設(shè)置，不但受到各種氣象條件的影響，而且還受到電力機(jī)車行走時(shí)帶來的動作用力，加上接觸網(wǎng)又無法設(shè)置備用的條件，所以接觸網(wǎng)的工作環(huán)境條件非常惡劣。為了保證電氣化鐵路可靠安全運(yùn)營，接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)必須經(jīng)久耐用，這就決定了對接觸網(wǎng)要有特殊的結(jié)構(gòu)。接觸網(wǎng)的功能，不但要把電能輸送給邊行走邊受流的電力機(jī)車使用，還要保證電力機(jī)車在走行時(shí)其受電弓與接觸線在滑動摩擦接觸過程中有良好的受流條件，特別是在環(huán)境條件變化的時(shí)候，線路基礎(chǔ)引起的震動，軌道的不平順，車體上下彈性跳動，受電弓弓臂和接觸滑板在受壓狀態(tài)下機(jī)車快速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的垂直加速度，以及接觸網(wǎng)導(dǎo)線不平整等因素的存在，都不應(yīng)出現(xiàn)受電弓與接觸線分離現(xiàn)象（通常稱離線），否則將會導(dǎo)致受流惡化，嚴(yán)重時(shí)會產(chǎn)生電弧燒傷接觸線和受電弓的滑板，后果不堪設(shè)想。安全可靠的供電對接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)提出了特殊的要求。通過不斷優(yōu)化，現(xiàn)在的接觸網(wǎng)主要有以下幾個(gè)部分構(gòu)成： (1)接觸懸掛部分。包括承力索、接觸線、吊弦、中心錨結(jié)、錨段關(guān)節(jié)、補(bǔ)償裝置等。其中接觸線是與電力機(jī)車受電弓直接接觸處于滑動摩擦受流的導(dǎo)線。(2)支持裝置。用以懸吊和支撐接觸懸掛并將其各種受力載荷傳遞給支柱或橋隧等大型建筑物，還應(yīng)通過定位構(gòu)件將承力索和接觸線固定在一定范圍內(nèi)，使受電弓在滑行時(shí)與接觸線有良好的接觸。根據(jù)接觸網(wǎng)所在位置及工作環(huán)境的不同，支持裝置的結(jié)構(gòu)又可分為腕臂支持裝置、軟橫跨、硬橫跨、橋梁支持裝置及隧道支持裝置等。(3)支柱與基礎(chǔ)。用以安裝支持裝置、懸吊接觸懸掛并承受其載荷。另有因供電系統(tǒng)需要的供電線、加強(qiáng)線，以及因供電方式不同而設(shè)置的回流線、正饋線、保護(hù)線等附加導(dǎo)線均安裝在支柱的不同高度位置上，以及為了供電安全與維護(hù)檢修作業(yè)的需要而設(shè)置的保護(hù)設(shè)備、電氣設(shè)備等也安裝在支柱上。隨著電氣化鐵路特別是高速電氣化鐵路的發(fā)展，對接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)和供電質(zhì)雖提出了更加嚴(yán)格的要求。接觸網(wǎng)的懸掛方式也衍生出簡單接觸懸掛、簡單鏈形懸掛彈性鏈形懸掛、復(fù)鏈形懸掛等多種方式。由于篇幅限制，我們在此就不一一詳細(xì)介紹了。3電氣化鐵路供電方式的變遷電氣化鐵路中單相文流電的電流回路主要是由鋼軌擔(dān)任的。但鋼軌與大地之間不可能做到理想的絕緣，不僅可能帶來危險(xiǎn)，還會嚴(yán)重影響沿途通信。為防止電氣化鐵路的電磁干擾以及減輕回流的泄漏給地下金屬管道帶來的高電位差，人們采取了各種辦法，供電方式的結(jié)構(gòu)形式也在逐漸演變。(1)直接供電方式供電方式。（TR供電方式）所謂直接供電，就是牽引網(wǎng)不采取任何措施，回流電通過鋼軌返回牽引變電所。由于鋼軌和大地之間沒有良好的絕緣牽引回流從鋼軌泄漏到地中的回流分量較大，對鐵路沿線平行接近的架空通信線和廣播線路產(chǎn)生較大的電磁干擾。但這種方式結(jié)構(gòu)最簡單，投資最省。我國早期修建的電氣化鐵路大都是采用這種供電方式。(2)帶回流線的直接供電方式（TN-RF供電方式）為了改善鋼軌中的回路電流流入大地所造成的危險(xiǎn)影響和干擾影響，于是在接觸網(wǎng)的支柱上再架設(shè)一條與鋼軌并聯(lián)的回流線，利用回流線與鋼軌間的并聯(lián)連接線使鋼軌中的回路電流盡可能地由回流線流回到牽引變電所中，從而減少大地回流，減小對沿線通信的干擾。這種改進(jìn)型的直接供電方式的供電性能和供電質(zhì)量得到了改善，在我國電氣化鐵路上得到了廣泛的采用。(3)吸流變壓器供電方式（BT供電方式）BT是英文的Booster Transformer的縮寫，即“吸流變壓器”。吸流變壓器并非名符其實(shí)的變壓器，它既不升壓也不降壓，僅是一個(gè)原邊和次邊線圈匝數(shù)相等的電磁耦合器。它的作用就是通過電磁耦合使?fàn)恳娏鲝匿撥壩交亓骶€。由于接觸網(wǎng)與回流線中流過的電流大致相等、方向相反，因此對鄰近的架空通信線路和廣播線路的電磁感應(yīng)絕大部分被抵消。吸流變壓器使?fàn)恳W(wǎng)阻抗約增大50%，能耗增加，應(yīng)用就受到限制。(4)自耦變壓器供電方式（AT供電方式）AT是Auto Transformer（自耦變壓器）的英文縮寫。它是將單相自耦變壓器的原理移植到電氣化鐵路供電系統(tǒng)的供電方式，從自輻變壓器繞組的中點(diǎn)抽出一個(gè)端子直接接到鋼軌，就能把單相變壓器的輸出端分成兩個(gè)電壓相等的電源。電力機(jī)車受電的工作電壓是自耦變壓器輸入端電壓的一半，這時(shí)牽引變電所牽引變壓器的供電電壓可達(dá)到50千伏，大大提高了供電能力。電力機(jī)車從接觸網(wǎng)受電后，牽引電流一般由鋼軌流回，但由于自耦變壓器的作用經(jīng)鋼軌流回的電流經(jīng)自耦變壓器的另一段繞組和正饋線流回牽引變電所。當(dāng)電力機(jī)車取用電流時(shí)，由于自禍變壓器的作用，流經(jīng)接觸網(wǎng)和正饋線的電流僅為機(jī)車負(fù)荷電流的一半。另外，這種供電方式可在不提高牽引網(wǎng)絕緣水平的條件下將饋電電壓提高一倍，可成倍提高牽引網(wǎng)的供電能力，加上牽引網(wǎng)的阻抗小，電壓損失小，電能損耗低，供電距離長，牽引供電的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)十分優(yōu)越，在高速、重載等負(fù)荷大的電氣化鐵路，是一種首選的供電方式，目前已得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在，我國鐵路根據(jù)實(shí)際情況，對沿線通信無特殊要求的一般區(qū)段，基本上都還采用帶回流線的直接供電方式(TR-NF)，在重載、高速、大密度的繁忙干線和電源設(shè)施薄弱的地區(qū)，則采用AT供電方式。4電力牽引的特點(diǎn)及優(yōu)越性電氣化鐵路的供電系統(tǒng)是由發(fā)電廠集中提供電能，經(jīng)變電站，通過高壓輸電線（110kV）傳輸給牽引變電所，轉(zhuǎn)變成電壓27.5kV或55kV送到接觸網(wǎng)上，供給沿線運(yùn)行的電力機(jī)車。而牽引供電是指電力系統(tǒng)從鐵路牽引變電所開始，向牽引接觸網(wǎng)的供電。電力牽引是一種新型有軌運(yùn)輸牽引動力形式。在干線鐵路、城市軌道交通運(yùn)輸和工礦運(yùn)輸中有著廣泛的作用。電力牽引是利用電能作為牽引動力，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動鐵路列車、電動車組和城市軌道交通車輛等有軌運(yùn)輸工具運(yùn)行的一種運(yùn)輸形式。電力牽引按其牽引網(wǎng)供電電流制式不同，分為工頻單相交流制、低頻單相交流制和直流制。我國電氣化鐵路采用工頻單相交流制電力牽引，直流制電力牽引僅用于城市軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)和工礦運(yùn)輸系統(tǒng)。我國電力牽引供電系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有以下幾方面：(1)電力機(jī)車是單相移動性隨機(jī)負(fù)荷，是一種負(fù)序源。(2)非線性整流器機(jī)車，成為一種諧波源，并從電力系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)獲取無功。(3)供電方式及設(shè)備種類多樣化，有直接供電方式、帶回流線的直接供電方式、串聯(lián)吸流變壓器、BT供電方式、自耦變壓器AT供電方式，這些供電方式的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)特性有較大的差異。對牽引變壓器，有單相、YN，d11接線、斯科特接線、伍德橋接線、阻抗匹配平衡型、三相不等容量型等形式，它們具有不同的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)。由于供電方式不同，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)類型也較多。(4)牽引供電系統(tǒng)和電力機(jī)車在電氣上是個(gè)連續(xù)的整體，易于實(shí)現(xiàn)自動化和信息化管理。電力牽引的優(yōu)越性主要有以下幾點(diǎn)：(1)電力牽引的動力大，生產(chǎn)效率高電力牽引的能量取于強(qiáng)大的電力系統(tǒng)，牽引動力大，能最大限度適應(yīng)鐵路運(yùn)輸多拉快跑的需要。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，電力牽引的生產(chǎn)效率比內(nèi)燃機(jī)車的生產(chǎn)效率高50以上，對于客貨運(yùn)輸繁忙的鐵路干線，電力牽引的這種優(yōu)越性尤為顯著。(2)電力牽引節(jié)省能源，經(jīng)濟(jì)效益好一方面電力機(jī)車本身的電能轉(zhuǎn)換效率高；另一方面，電力的生產(chǎn)能夠高效率地綜合利用各種廉價(jià)的自然能源，這對于節(jié)約國家有限的煤炭、石油資源，提高鐵路運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益十分有利。(3)有利于優(yōu)化生態(tài)環(huán)境，改善勞動條件電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)不會產(chǎn)生有害氣體，對鐵路沿線的居民和列車乘客不會造成危害，特別是在多隧道的山區(qū)線路，這種無有害氣體產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)更為可貴。電力機(jī)車的司乘人員工作條件好，維護(hù)檢修工作量小，大大降低了工人的勞動強(qiáng)度。5電氣化鐵路供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問題(1)牽引變壓器的選型問題鐵路部門從經(jīng)濟(jì)性考慮，在牽引變壓器選型方面大多會采用V/V（V/X） 接線變壓器，會產(chǎn)生較嚴(yán)重的三相功率不平衡問題。而可大大減少對電力系統(tǒng)負(fù)序影響的阻抗平衡牽引變壓器或Scott牽引變壓器，由于造價(jià)相對較高，往往不被選用。特別是220kV 三相平衡牽引變壓器，鐵路部門認(rèn)為目前尚無可靠制造和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，廣泛推廣面臨困難。(2)系統(tǒng)短路容量問題從保證高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的電壓水平、確保動車組穩(wěn)定正常運(yùn)行的角度出發(fā)，要求在牽引變電站進(jìn)線處外部配套電源的系統(tǒng)短路容量一般不小于特定數(shù)值。目前給牽引變電站供電的110kV電源，鐵路方面提出的系統(tǒng)短路容量大都低于1000MVA，相當(dāng)多的牽引變電站短路容量在500 MVA 以下，有的甚至只有200、300 MVA，按此標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)電氣化鐵路供電工程，將導(dǎo)致系統(tǒng)壓降很大。從供電安全可靠性考慮，要達(dá)到這個(gè)要求供電部門有一定困難。因此為保障電氣化鐵路的安全