探秘电气化铁路供电

探秘电气化铁路供电

牵引供电大系统
　　说起电气化铁路，大家可能首先想到的就是线路两旁一根根的线杆和列车头顶密如蛛网的电线吧。没错电气化铁路与普通铁路最明显的不同在于，它除了地上一条线（轨道）、还有天上一张网（接触网），是一种立体化的线路。
　　电力机车所需的电能来自发电厂由输电线路、变电装置、牵引用电网络、回流电路等组成的供用电系统供应。世界各国采用的供电制式各不相同，我国的电气化铁路选择了25千伏单相工频（50赫兹）交流供电制式。这种供电制式与工业生产所使用电流频率简称工频相同能使牵引动力获得最佳效果。从天上到地下，一套复杂完整的大系统为电气化列车的运行提供了保证。



图1. 电气化铁路组成示意图
1-电站 2-高压输电线 3-牵引变电所4-供电线 5-回流线 6-接触网 7-电力机车 8-钢轨


电气化铁路的心脏——牵引变电所
　　牵引变电所是牵引供电系统的心脏，它的主要任务是将国家电力系统送来的三相高压电变换成适合电力机车使用的单相交流电。牵引变电所从国家电网引入220千伏或110千伏三相交流电将三相电转换为适合电气列车使用的单相交流27.5千伏电源并送上接触网。除此而外，它还起着供电保护、测量、控制电气设备提高供电质量，降低电力牵引负荷对公共电网影响的作用。为确保牵引供电万无一失，牵引供电系统都采用“双备份”模式，两套设备通过切换装置可以互为备用并随时处于“战备” 状态，以备不时之需。
　　通常将变电所设备分为一次设备和二次设备，一次设备是指接触高电压的电气设备，如牵引变压器、高压断路器、高压隔离开关、高压（电压和电流）互感器、输电线路、母线、避雷器等，它们主要完成电能变换、输送、分配等功能。二次设备则主要是控制、监视、保护设备。随着科技的发展，二次设备更加的集成化和智能化，形成了牵引变电所自动化系统为牵引变电所的远动控制提供了可能。


电气化铁路的动脉——接触网
　　当我们乘坐在电气化铁路的旅客列车上出行时，会看到路基两旁有一根根电杆竖立着顶端安装有单臂结构装置伸向线路侧上方且悬挂有电线，并将其固定在距轨道面一定高度的地方，在股道多的车站或编组站，悬挂结构及各种线网多如蛛网。这就是电气化铁路牵引供电系统的主要供电设备——接触网。
　　接触网是在露天设置，不但受到各种气象条件的影响，而且还受到电力机车行走时带来的动作用力，加上接触网又无法设置备用的条件，所以接触网的工作环境条件非常恶劣。为了保证电气化铁路可靠安全运营，接触网的结构必须经久耐用，这就决定了对接触网要有特殊的结构。


图2. 接触网结构示意图

　　接触网的功能，不但要把电能输送给边行走边受流的电力机车使用，还要保证电力机车在走行时其受电弓与接触线在滑动摩擦接触过程中有良好的受流条件，特别是在环境条件变化的时候，线路基础引起的震动，轨道的不平顺，车体上下弹性跳动，受电弓弓臂和接触滑板在受压状态下机车快速运行时产生的垂直加速度，以及接触网导线不平整等因素的存在，都不应出现受电弓与接触线分离现象（通常称离线），否则将会导致受流恶化，严重时会产生电弧烧伤接触线和受电弓的滑板，后果不堪设想。安全可靠的供电对接触网的结构提出了特殊的要求。通过不断优化，现在的接触网主要有以下几个部分构成：
　　(1)接触悬挂部分。包括承力索、接触线、吊弦、中心锚结、锚段关节、补偿装置等。其中接触线是与电力机车受电弓直接接触处于滑动摩擦受流的导线。
　　(2)支持装置。用以悬吊和支撑接触悬挂并将其各种受力载荷传递给支柱或桥隧等大型建筑物，还应通过定位构件将承力索和接触线固定在一定范围内，使受电弓在滑行时与接触线有良好的接触。根据接触网所在位置及工作环境的不同，支持装置的结构又可分为腕臂支持装置、软横跨、硬横跨、桥梁支持装置及隧道支持装置等。
　　(3)支柱与基础。用以安装支持装置、悬吊接触悬挂并承受其载荷。另有因供电系统需要的供电线、加强线，以及因供电方式不同而设置的回流线、正馈线、保护线等附加导线均安装在支柱的不同高度位置上，以及为了供电安全与维护检修作业的需要而设置的保护设备、电气设备等也安装在支柱上。
　　随着电气化铁路特别是高速电气化铁路的发展，对接触网结构和供电质虽提出了更加严格的要求。接触网的悬挂方式也衍生出简单接触悬挂、简单链形悬挂弹性链形悬挂、复链形悬挂等多种方式。由于篇幅限制，我们在此就不一一详细介绍了。

电气化铁路供电方式的变迁
　　电气化铁路中单相文流电的电流回路主要是由钢轨担任的。但钢轨与大地之间不可能做到理想的绝缘，不仅可能带来危险，还会严重影响沿途通信。为防止电气化铁路的电磁干扰以及减轻回流的泄漏给地下金属管道带来的高电位差，人们采取了各种办法，供电方式的结构形式也在逐渐演变。
　　(1)直接供电方式供电方式。（TR供电方式）
　　所谓直接供电，就是牵引网不采取任何措施，回流电通过钢轨返回牵引变电所。由于钢轨和大地之间没有良好的绝缘牵引回流从钢轨泄漏到地中的回流分量较大，对铁路沿线平行接近的架空通信线和广播线路产生较大的电磁干扰。但这种方式结构最简单，投资最省。我国早期修建的电气化铁路大都是采用这种供电方式


图3. TR供电示意图
1-牵引变电所 2-接触网(T) 3-机车 4-钢轨(R)

　　(2)带回流线的直接供电方式 （TN-RF供电方式）
　　为了改善钢轨中的回路电流流入大地所造成的危险影响和干扰影响，于是在接触网的支柱上再架设一条与钢轨并联的回流线，利用回流线与钢轨间的并联连接线使钢轨中的回路电流尽可能地由回流线流回到牵引变电所中，从而减少大地回流，减小对沿线通信的干扰。这种改进型的直接供电方式的供电性能和供电质量得到了改善，在我国电气化铁路上得到了广泛的
采用。


图4. TR-NF供电示意图
1-牵引变电所 2-接触网(T) 3-回流线(NF) 4-机车 5-钢轨(R)

　　(3)吸流变压器供电方式（BT供电方式）
　　BT是英文的Booster Transformer的缩写，即“吸流变压器”。吸流变压器并非名符其实的变压器，它既不升压也不降压，仅是一个原边和次边线圈匝数相等的电磁耦合器。它的作用就是通过电磁耦合使牵引电流从钢轨吸引到回流线。由于接触网与回流线中流过的电流
　　大致相等、方向相反，因此对邻近的架空通信线路和广播线路的电磁感应绝大部分被抵消。吸流变压器使牵引网阻抗约增大50%，能耗增加，应用就受到限制。


图5. BT供电示意图
1-牵引变电所 2-接触网(T) 3-吸流变压器 4-回流线(NF) 5-机车 6-钢轨(R) 7-吸上线 H-机车负荷电流

　　(4)自耦变压器供电方式（AT供电方式）
　　AT是Auto Transformer（自耦变压器）的英文缩写。它是将单相自耦变压器的原理移植到电气化铁路供电系统的供电方式，从自辐变压器绕组的中点抽出一个端子直接接到钢轨，就能把单相变压器的输出端分成两个电压相等的电源。电力机车受电的工作电压是自耦变压器输入端电压的一半，这时牵引变电所牵引变压器的供电电压可达到50千伏，大大提高了供电能力。电力机车从接触网受电后，牵引电流一般由钢轨流回，但由于自耦变压器的作用经钢轨流回的电流经自耦变压器的另一段绕组和正馈线流回牵引变电所。当电力机车取用电流时，由于自祸变压器的作用，流经接触网和正馈线的电流仅为机车负荷电流的一半。另外，这种供电方式可在不提高牵引网绝缘水平的条件下将馈电电压提高一倍，可成倍提高牵引网的供电能力，加上牵引网的阻抗小，电压损失小，电能损耗低，供电距离长，牵引供电的各项技术指标十分优越，在高速、重载等负荷大的电气化铁路，是一种首选的供电方式，目前已得到广泛应用。


图6. AT供电示意图
1-牵引变电所 2-自耦变压器 3-接触网(T) 4-正馈线(AF) 5-钢轨(R) 6-机车 I-机车负荷电流

　　现在，我国铁路根据实际情况，对沿线通信无特殊要求的一般区段，基本上都还采用带回流线的直接供电方式(TR-NF)，在重载、高速、大密度的繁忙干线和电源设施薄弱的地区，则采用AT供电方式。