牵引交流供电系统探究及列车牵引制动介绍

牵引交流供电系统探究及列车牵引制动介绍

赵海生 张志锋

国能铁路装备有限责任公司 河北沧州 061113

摘要：伴随着电力机车的发展，交流AC27.5 kV供电应用越来越广泛。本文对交流27.5KV牵引供电系统的故障案例、接线方式及特点、三相不平衡补偿、电力机车牵引与制动原理做了简单介绍，争取为牵引供电系统的不断优化与同样问题的处理提供帮助。

一、探究背景

电力机车车辆在厂内试验线满牵引动态调试时，牵引变电所高压不平衡补偿装置跳闸，牵引电流为163A左右时，造成接触网跳闸失电，后经厂家设备调试及抓取波形分析，发现牵引供电系统10KV侧的A相采样电流一直为0A，下图是与2020年改设备调试时的波形对比，故判定为异常状态。

至此，初步怀疑该补偿装置的高压母线电流互感器采样故障，经现场查看、测量，发现电流互感器接线有误(之前接线有过改动)；随即将变电所停电，放电，对补偿装置采集用电流互感器线路排查发现有接地故障；将接线重新梳理，处理后，重新投入高压不平衡补偿装置验证，列车满牵引运行时，变电所不再跳闸，列车运行时再次抓取波形正常，牵引供电正常。

二、追根溯源

为搞清上述遇到的问题，对单相接线方式的牵引供电系统及克服三相不平衡的方法进行了学习；了解到在我国电力系统较发达的地区，电力机车牵引供电主要采用单相接线形式，主要应用于带回流线的直接供电方式，牵引变压器一次侧额定电压一般为110kV或10KV(主机厂内)，二次侧额定电压为25kV。单相接线牵引变压器的优点是：容量利用率高，牵引变电所内设备和布置均较简单，运营维修比较方便，设备少、占地少、投资少。其缺点是：对电力系统的负序影响较大，造成电力系统的三相不平衡，对系统电能质量产生严重危害，主要危害有:

1、增加线路电能损耗。三相四线制系统在发生不平衡时，因线路存在阻抗，不仅在相线上有电流损耗，在中性线上因有电流通过，也会产生损耗。由此可知，在三相四线制的系统中，不平衡程度越严重，线路损耗越多。此外，中性点的电流会产生压降，致使中性点发生漂移，进一步加剧了各相电压的不平衡度。

2、增加配电变压器的电能损耗。系统的三相不平衡会导致配电变压器的出力减少降低其过载能力，且易引起变压器线圈过热，危害绝缘，附加损耗增加，使得变压器寿命缩短，甚至烧毁配电变压器。

3、配变产生零序电流。三相四线制不平衡运行时，会有零序电流产生，零序电流会随不平衡的增大而增大，进而零序磁通也随之增大。零序磁通会产生磁滞损耗和涡流损耗，使配变温度升高，危害绝缘，亦降低配变寿命。

为降低影响，一般在需要调整系统不平衡的设备附近加装高压不平衡补偿装置，该装置与牵引变压器相配合，采用单相调节，可以实现变压器一次侧电流对称，降低电力系统的电流不平衡度。高压三相不平衡补偿装置工作时通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成与交流侧电网同频率的输出电压，类似一个电压型逆变器，其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。因此，当仅考虑基波频率时该装置可以等效地被视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源。它通过交流电抗器连接到电网上，电流的性质和大小靠调节电流来实现。其等效电路图如图1左半部分，图 1 中，系统是恒压源 (Us) ，该补偿装置是可控电压源(Ug)，通过调节该补偿装置交流侧输出电玉的幅值和相位来控制该装置所吸收电流 (lg)的幅值和相位，从而改变该装置功率的性质。

牵引变压器其一次绕组跨接于110kV（或10kV）的三相高压输电线的两线上，取用线电压，二次绕组则一端连于牵引变电所的牵引母线上，另一端连至钢轨和地。如图1右半部分所示。

图1 工作原理示意图

三、回归现状

目前铁路运输接触网一般使用单相交流电源为电力机车供电，工频单相交流供电的电力机车是功率很大的单相负荷，必然会导致电力系统三相电流严重不对称，并会产生波动性高次谐波，且在电力机车试验或运营启停时，负荷的剧烈变化也会引起电力系统无功功率冲击，因此牵引变电所的重要任务不仅是将电力系统送来的高压电变为电力机车所需的电压，而且还要保证供电系统运行在理想状态下，做好三相电流不平衡的补偿，保证电力系统为三相对称运行，提高列车动态运行的稳定性及可靠性。110KV高压经厂内降压变电所降压，输出10KV三相交流电；调试车间的牵引变电所从10KV三相交流电母线上取电，经变电所牵引变压器升压，输出27.5KV三相交流电；试验线接触网从27.5KV母线单相取电，为供电制式是交流27.5KV的电力机车提供电源。

受电弓从接触网受电，经主断，向列车牵引变压器供电，经列车牵引变压器一次绕组、列车车轮、钢轨，回流至牵引变电所N线（中性点）；牵引变压器二次绕组的AV960V电压经整流器整流后转换成DC1800V直流电，逆变器再将直流电转换成频率及电压可变的的三相交流电，给牵引电机供电，实现机车的牵引。列车电制动工况时，牵引电动机作为发电机使用，将机车的动能转化为电能输入至牵引变流器中间直流环节，再经整流器单相逆变后通过牵引变压器、主断、受电弓反馈回电网。