国内外铁路牵引供电技术发展现状及趋势

国内外铁路牵引供电技术发展现状及趋势

王超王辰杨靖

济南铁路局济南供电段山东济南250000

摘要：经济在快速的发展，社会在不断的进步，牵引供电系统是电气化铁路的能源动脉，本文从牵引供电制式、过分相、电能质量及同相供电等方面对国内外电气化铁路牵引供电技术现状进行总结，并结合新能源利用等分析了铁路牵引供电技术的发展趋势。

关键词：牵引供电；过分相；电能质量；同相供电；新能源

引言

一直以来，我国在铁路牵引供电系统防雷技术方面的研究力度和强度都没有停滞过。这主要是由于铁路牵引供电系统防雷技术对于铁路安全和发展具有重要影响。有学者对铁路牵引供电系统在缺乏避雷线的情况下展开了研究，研究结果表明，此种情况下，雷电特性主要表现为雷击次数翻倍增长，与此同时，在高架桥平均高度达到一定数值后，感应电压会非常小，进而引发铁路安全事故。然而，近年来，随着我国铁路建设规模的不断扩大，也伴随高架桥高度的不断增高，感应雷以及直击雷所引发的绝缘闪络次数也呈现出快速增长的趋势。因此，铁路牵引供电系统防雷技术研究力度和强度还应不断加强。

1铁路牵引供电系统组成

在铁路系统运行过程中，牵引供电系统为列车的正常运营提供了动力支持。由于铁路列车运行密度大、车辆运行速度快、列车运行可靠性要求比较高，所以铁路列车设备选型和技术方案和普通铁路均有所不同。铁路牵引供电系统主要可以划分为接触网和牵引变电所两个组成部分。其中，牵引变电所主要通过牵引变压器将区域电力系统电源变压为适合电力机车运行的电压，然后利用馈线将电压引到接触网。电力机车通过受电弓从接触网获得连续电能，为其运营提供足够的能量。

2过分相技术

2.1车载过分相技术

欧洲国家大多采用单相变压器为铁路供电，省去变电所出口处过分相，铁路牵引供电系统一般接入高电压等级三相电网，短路容量较大，供电距离长，过分相数量进一步减少。欧洲铁路针对过分相问题采用车载自动过分相方式，英国和德国铁路也采用该过分相方式。我国高铁普遍采用车载自动过分相，列车检测地面传感器信号自动断合车载主断路器，惰行通过中性区。该方式适应多速度要求，但需要开/闭车载主断路器，对车载设备存在暂态冲击，需设置相关保护。

2.2地面自动过分相技术

1）机械开关型地面自动过分相方式以日本为代表，日本早期多采用真空断路器地面自动过分相。该装置由位置传感器、真空断路器及逻辑控制器构成。其问题在于过分相过程中断电时间较长（约300ms），真空断路器控制不够精确，无法控制合闸相位，开关开/闭过程中的过压、过流较严重，且真空断路器寿命较短，后期维护繁琐，维护成本较高。我国铁路科学研究院20世纪90年代研制了带有智能选相功能的真空断路器过分相。该装置包括永磁操作机构和智能相控关合，可实现在主断路器工作情况下转换时间小于（0.13±0.02）s，备用断路器工作情况下转换时间小于（0.4±0.05）s；系统额定电流可达到1250A或1600A，短时可承受大于16kA电流冲击，断路器寿命大于3万次开合。该装置后期维护成本较高，已在神朔、宝成等长大坡道、重载铁路广泛应用。2）电子开关型机械开关型过分相在控制和寿命上均存在固有缺点，日本逐渐采用电子开关型过分相代替。电子开关过分相主要采用晶闸管阀组和阻尼电路代替真空断路器，晶闸管可控性强，响应快，可靠性高，使用寿命长，维护费用低，系统断电时间和换相时间都大大缩短。电子开关型过分相可精确控制开/闭角，对缓解电压暂态冲击很有帮助。西班牙也采用了和日本相似的电子开关过分相方案，装置采用模块化设计，方便后期更换和维护。国内一些高校和科研院所从2002年开始，对电子开关过分相展开理论和工程应用研究。2018年6月，由中车株洲电力机车研究所研制的电子开关型地面自动过分相装置（或称：重载铁路智能电分相装置）在神朔铁路成功投用，取得重载铁路领域的全球首创。该装置最大电流可达2000A，换相时间小于1.5ms，可实现列车无感知自动过分相。

2.3柱上开关自动过分相技术

柱上开关自动过分相方式以瑞士为代表，我国原福州铁路分局20世纪90年代曾采购过2套柱上开关自动过分相装置。该装置将真空开关和线包控制系统安装在接触网分相绝缘器附近的支柱平台上，通过磁控线包控制真空开关分、合闸操作，缩短电力机车过分相的距离和断电时间，司机可以不操纵机车使其惰性运行驶过分相绝缘器。该装置在我国实际应用时需要对机车的控制系统进行相应改造，且分相区结构复杂，换相过程过压、过流严重，给车载设备带来损害。

3铁路牵引供电技术发展

3.1牵引供电关键技术

1）外部电源牵引变电所进线电源应采用两回独立进线，互为热备用，优先采用220kV。本高速铁路属于繁忙干线，是重负荷线路，采用220kV电源电压供电能满足远期最高时速为350km/h的高速列车稳定正常运行需要。2）牵引供电方式本高速铁路牵引网的供电方式初步选定以下两种，并展开技术经济性分析。（1）AT供电方式。在采用这种方式进行供电时，分别设置了1座开闭所、4座AT所、2座牵引变电所、1座分区所兼开闭所、2座分区所。（2）带回流线的直接（RT）机械供电的供电方式。在采用这种方式进行供电时，全线分别设置了1座开闭所、3座牵引变电所、1座分区兼开闭所、3座分区所。上述两种方案均可满足本高速铁路运输要求，对其开展技术经济性分析，可以得出以下几点结论：（1）两种方案下变电所、接触网的复杂程度与投资额无显著差异。（2）在保证电压水平方面采用AT供电方式优势更加明显，使用到的接触网电分相数更少，列车运行的安全性更高。

3.2雷击保护线与避雷线过电压防护设计

为最大限度降低雷击危害，在电压防护设计中，应注重保护线提升，进而保护正馈线和承力索。在高架桥上架设避雷线后，正馈线和接触网对直击雷的防护会发生重大变化。因此，也就成了两种方式的有效防护，一种是反击雷防护，而另一种则是感应雷防护。其中，对于反击雷的解决方式较为常用的一种就是局部地区接地电阻降低，进而有效降低冲击接地电阻。

3.3“绿色”牵引供电系统技术

随着电力电子技术的不断进步，制约电气化铁路发展的电分相问题和电能质量问题将得到很好的解决。我国乃至世界新能源发展迅速，铁路作为电能的消耗大户也应顺应这一潮流，提高新能源在铁路供电中的占比，不仅包括动力用电，还应包括牵引供电。德国等欧洲国家相继提出提高铁路新能源用电占比，德国甚至提出至2050年，德国列车将完全采用新能源供电，实现电气化铁路零碳排放。电气化铁路再生制动能量利用率低，降低电气化铁路碳排放需将再生制动能量利用和新能源结合。再生制动能量通过储能系统对牵引供电削峰填谷，将列车制动能量存储用于列车加速工况下使用，降低牵引供电系统安装容量。

结语

本文总结了国内外牵引供电系统的主要制式，分析了国内外解决电气化铁路电能质量和过分相问题的主要措施，其中RPC和电子开关型地面过分相装置已在国内得到应用。同时，国内外非常重视同相供电技术在牵引供电中的应用，已投入运行的工程实践证实了其优越性，我国同相供电也在不断优化和完善。随着制约电气化铁路发展的电分相问题和电能质量问题逐步得到有效解决，新能源并网技术取得重大突破，在节能减排大环境下，“绿色”牵引供电系统将成为未来电气化铁路牵引供电发展的新趋势。

参考文献：

[1]李群湛.论新一代牵引供电系统及其关键技术[J].西南交通大学学报，2014，49（5）：559-568.

[2]周福林.同相供电系统结构与控制策略研究[D].西南交通大学，2012.