高铁牵引供电中几个关键问题的研究

代礼前

（西安铁路职业技术学院陕西西安710014）

高速铁路以其节能、环保、高效、安全、舒适、快捷、准时等特点在许多国家迅猛发展，成为世界铁路的新潮流[1]。2002年11月27日，“中华之星”在秦沈客运专线试验综合试验中，成功创造了我国铁路的最高试验速度321.5 km/h，2008年6月5日京津城际高速开通，实现了最高运行速度394.3 km/h。之后，我国高速铁路发展异常迅猛，正在日新月异的改变着人民的生活、出行。而电气化高速铁路机车功率大、行车速度高，给担负其供电任务的沿线电网带来了更高的要求。本文从高速电气化铁道供电系统设计和实际运行中的几个关键问题进行了一些探讨、研究。

1 电气化铁路牵引供电[2]基本原理

电气化铁路的供电是在铁路沿线建设若干个牵引变电站，由电力系统双电源供电，经牵引变压器降压为27.5 kV后通过牵引网向机车供电，电力机车采用25 kV单相工频交流电压，在架空接触导线和钢轨之间行驶。电气化高速铁路的牵引变压器，分为纯单相变压器方式、单相（三相）V-V接线如图1所示、Scott平衡变压器接线方式如图2所示，以及三相YN，d11双绕组等供电方式[1]。

图1 牵引供电V-V接线图Fig.1Traction power supply V-V hookup

图2 Scott平衡变压器接线图Fig.2Scott balancing transformers hookup

可见，无论是单项变压器还是三相变压器方式，对三相对称的电力系统来说，电力牵引负荷都具有非线性、不对称和波动性的特点，将产生负序电流和谐波电流注入电力系统[3]。

2 高速电气化铁道供电中存在的几个关键问题及其对策

通过以上原理介绍，大家不难看出，牵引供电的谐波问题和负序电流问题直接影响到供电电能质量，已成为电网运行的不安全因素，对电力设备安全和经济运行带来不良影响。另外，由于机车受电弓与接触网之间是滑动接触，而接触网与受电弓之间的接触压力受多种因素的影响，当列车高速运行时，接触网和受电弓均会发生垂直方向的震动，当二者震动不一致时，就会发生离线，即受电弓与接触线的脱离，离线就会产生电狐。列车速度越高，离线的几率就越大，产生电弧就越大，如何抑制弓网电弧也是我们必须设法解决的问题。

2.1 供电负序电流的产生及治理方案

2.1.1 负序电流的主要危害

1）负序电流经过发电机定子绕组时，形成负序旋转磁场，它以2倍同步转速切割转子，在转子中就感应出2倍频率的电流，引起局部过热、降低转子部件的机械强度而影响励磁绕组的绝缘强度。

2）负序旋转磁场产生2倍工频的附加交变电磁转矩，作用在发电机转子转轴和定子机座上，引起附加的2倍工频频率的振动。引起金属疲劳和机械损坏。

3）负序电流在异步电动机的定子和转子绕组中引起铜损而造成局部过热烧毁绕组。同时，负序电流在定子绕组中产生的反向旋转磁场，在转子铁心中产生涡流，引起铁损增加，使转子发热，并产生反向制动转矩，降低电动机的出力和过载能力。

4）大量负序电流入侵将使以负序电流或负序电压为动作条件的继电保护和自动装置误动作，引起供电中断。

2.1.2 牵引负序电流的产生原理

原边高压侧的三相电流满足

联立公式（1）～（4），并代入复数变换矩

利用叠加原理可得n个单相端口电流共同作用时的原边三相电流，再利用对称分量法，解得正、负序电流通用表达式：

可见，在各种负荷条件不变的情况下，只要合理安排负荷所在的端口，就能最大程度地使构成负序电流的各分量互相抵消，从而减少总的负序电流。

牵引变电所一般是2个供电臂，即有2个不同相位的单相牵引端口，且端口电压模值相等。令负序电流为零，可得：

可见，要减弱负序电流，采用三相—两相平衡牵引变压器，如Scott变压器具有最佳效果[4]。

2.1.3 负序电流的治理措施

根据负序电流产生的原理，不难看出，要减小负序电流，需从以下几个方面进行治理：

1）每个变电所尽可能使用三相—两相平衡变压器替代单相变压器；各牵引变电所进行换相联接，整体减轻进入电力系统的负序分量，即各个变电所轮换接入电力系统的不同相。

2）采取加装动态无功补偿装置措施进行有效治理，同相贯通供电技术是电气化铁道牵引变电所电能质量治理的最终方案，它是基于高压直流输电技术而设置的交—直—交牵引变电所供电方案，理论上，实现对单相负荷的对称补偿所需的最小容量与牵引容量相当[5]。

3）可在电力系统变电站安装特殊同期调相机，允许承受负序电流的能力较大，负序阻抗较低，而且有良好的防震性能。

4）提高牵引变电所接入电压等级，经过对110 kV和220 kV两类接入系统方案进行对比计算，计算结果表明，若采用110 kV电压等级供电，大多数的公共连接点电负序电压分量均超出国标要求，采用220 kV供电，可以提高电力系统负序承受能力，满足国标要求。如果采用更高的电压等级，治理负序问题效果更佳。

2.2 牵引供电谐波电压的解决对策

由于牵引电机是通过交直交或交直变换后驱动电机运转的，因此，不可避免要产生谐波，谐波对电网的危害众所周知，所以需要采取有效办法予以降低，降低谐波的方法也很多，但是对于大功率的牵引电机来说，最为有效的办法就是通过加装静止无功补偿装置加以抑制，在牵引变电所并联加装静止无功补偿装置，可以有效减少波动的谐波量，同时，也可以抑制电压波动、电压闪变，还可以补偿功率因数[6]。另外，研究表明，当电力机车采用交直交机车时，谐波电流含量得以降低，对电力系统影响较小[1]。

2.3 弓网电弧的产生及抑制方法

2.3.1 弓网电弧的产生

机车高速运行时，通过其顶部的受电弓从高压接触线获取所需的电流，当二者良好接触时，两者的电压相等。但当受电弓在升弓取流时，由于接触网硬点、接触网（受电弓弓头）的振动、导高突变、接触网（受电弓）结冰、接触网锈蚀等原因会造成“弓-网”间的电气接触不可靠，“弓-网”间会出现离线现象。在接触线和受电弓滑板分离的瞬间，两者之间的电压急剧增加，使得它们之间的气体发生“击穿”现象，从而引起气体放电现象。放电现象发生时，在电极最近处空气中的正负离子被电场加速，且在移动过程中与其他空气分子碰撞产生新的离子，这种离子大量增加的现象称之为“电离”。空气发生电离时，温度急剧上升，同时以弧光的形式放射出能量，这就是“弓网电弧”。产生这种弧光一般并不需要很强的电压，它属于低电压大电流放电，是一种大气放电的产物[7]。

2.3.2 弓网电弧的抑制方法

弓网电弧在产生时刻，会出现一个峰值不是很高的冲击电压，并开始消耗电源和线路电感所储存的能量。当电流过零点时，电弧熄灭，在熄灭瞬间产生一个峰值很高、初始上升率很高的过电压。电弧消耗的能量达到最大。在车载变压器的高压侧并联一个适当大小的电容对抑制弓网电弧产生的过电压，减小电弧的能量损耗都有较好的作用。当受电弓和接触线分离而产生电弧时，由于电容的存在，使得负载两端的电压基本保持不变，受电弓和接触线之间产生的过电压得到很好的抑制，电弧所消耗的能量也相应减少。

3 结束语

我国高速铁路发展迅猛。尽管高速铁路供电方面与普通国铁有一些改进，但是，由于高速铁路速度太高，取流太大，而且接触网又在户外露天，受多种条件影响，特别是接触网的震动、硬点等造成的弓网电弧很大程度地影响了弓网取流；同时，由于牵引供电的特殊性，不可避免要产生负序电流和谐波电流，而两种电流都将很大程度地影响电力系统供电质量，必须设法进行有效治理，本文通过分析，提出了一些治理措施，仅供牵引供电工作者参考和借鉴。

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