接触网电分相两侧电压相位分析及运用探讨

2013-05-28陈昱，张裔

电气化铁道 2013年2期

陈昱，张裔

0 引言

在单相交流牵引供电系统中，电力机车是由单相电供电的，为了平衡电力系统的A、B、C 各相负荷，一般要实行三相轮流供电，所以各相之间要分开，被称之为电分相。在接触网电分相结构处，为防止两侧相间短路，各相间利用空气间隙或绝缘元件分割。电力机车通过接触网电分相结构时，必须按照《铁路技术管理规程》的要求，分断机车主断路器，惰性通过。如果操作不当，就会造成拉弧灼伤接触网、供电臂跳闸、甚至断线等故障，这将大大影响重载运输的效率和高速运行的安全。

在实际应用中，如能既考虑牵引变电所（下文简称“牵引所”）上级电力系统三相负载的平衡，又能合理地对牵引变压器（下文简称“牵引变”）二次侧接线进行调整，使电分相两侧电压相位角差达到最小，甚至相位一致，则可以降低电分相处电器设备承受的压差，延长电器寿命。如果相位角一致的话，还能避免电分相两侧发生相间短路故障，甚至可以对电分相处结构或运行方式进行调整，取消无电区。在电分相处设备故障的应急处理过程中，还可以提供多样的运行方式调整，减少对行车的影响。

1 接触网分相处电压相位分析与优化

上海铁路局管内，京沪高铁、沪宁城际、沪杭客运专线等高速铁路，牵引所采用单相V，x 接线牵引变；京沪线、陇海线、萧甬线和京九线等普速铁路，牵引所采用三相-二相的阻抗匹配式平衡牵引变；沪昆线牵引所采用单相和三相V，v 接线的牵引变。

由于电气化铁道是单相移动牵引负荷，会造成电力系统三相负荷的不平衡，为了尽量减少牵引负荷对电力系统的负序影响，目前电气化铁路普遍采用牵引所电源换相连接的供电方式，轮换接入电力系统中的不同相。针对不同接线型式的牵引变，综合考虑电源换相连接，并通过牵引变二次侧接线的调整，可将分相两侧电压相位角差进行优化。

1.1 三相-二相阻抗匹配式接线牵引变压器

三相-二相阻抗匹配式牵引变二次侧绕组端的电压相位角差为90°（牵引变端子标志及电压向量图略）。

当二次侧2 个绕组中的负荷电流相等时，一次侧三相电压平衡，所以牵引所间不需要进行换相连接（图略）。当每间隔一个牵引所，只要将牵引变二次侧接线进行一次交叉，就使得在分区所分相处同是α相（或者β相），那么分相两侧电压相位就相同。而在牵引所分相处仍是α相与β相间的90°的压差约38.8 kV。

1.2 单相接线牵引变压器

单相牵引变端子标志及接线见图1，牵引变低压侧端子a 与高压侧端子A 为同名端，相位相同。

图1 单相变压器端子标志及接线图

如果牵引所Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ只是简单地分别以正相序接入电力系统中的AB 相、BC 相、CA 相，形成一个均衡的循环。接触网的对地电压如图2所示，分别记为Uab、Ubc、Uca，则在分区所分相两侧电压相位角差为120°，承受的电压可达47.7 kV，空载时甚至更高。

图2 电压向量图

为了降低分区所分相两侧的电压相位角差，可以通过如图3所示的调整，采用每间隔一个牵引所，以逆相序接入的方法，每6 个牵引所一个循环接入电力系统，对于电力系统仍然是每3 个牵引所形成对称连接。

分别将牵引所Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ接入电力系统中的AB 相、AC 相、BC 相、BA 相、CA相、CB 相，参照图2所示的向量图。这样，就可以使分区所分相两侧电压相位角差降低为60°，承受相电压为27.5 kV。在牵引所分相处，因是同一母线馈出的电压，所以两侧电压相位完全相同。

图3 单相变压器全序列相位图

1.3 三相V，v 接线牵引变压器

三相V，v 接线牵引变为了简化牵引变高压侧线路接线，避免高压侧线路交叉，牵引变高压侧B端子一般为公共端子。Vv0 接线方式时，牵引变低压侧T1 端子与高压侧A 端子、低压侧T2 端子与高压侧C 端子为同名端，相位相同。牵引变端子标志及接线如图4所示。

如果只是按照牵引变低压侧X1 端子和X2 端子始终接地（Vv0 连接组），牵引所Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ换相连接后，分别接入电力系统的ABC 相、CAB相、BCA 相，形成一个均衡的循环。将牵引变二次接线交叉后。可知，牵引所与分区所的分相两侧电压相位角均相差 60°，承受相电压 U 均为 27.5 kV。

为了进一步降低分区所电分相两侧电压相位角差，可以通过如图5所示的调整，采用每6 个牵引所一个循环接入电力系统。

图4 三相V，v 变压器端子标志及接线图

其中，将牵引所Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ牵引变低压侧T1端子和T2 端子接地（Vv6 连接组），牵引所Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ分别接入电力系统中的ABC相、BCA 相、CAB 相、ABC 相、BCA 相、CAB相，对于电力系统仍然是每3 个牵引所形成对称连接。调整后，分区所分相两侧的电压相位相同，牵引所分相两侧电压相位角仍差60°，承受相电压U为27.5 kV。

图5 三相V，v 变压器全序列相位图

1.4 AT单相牵引变压器

目前高速铁路普遍采用AT 供电方式，牵引变采用单相或单相V，x 接线，牵引所出口不设AT自耦变压器。AT 单相牵引变端子标志及接线如图6所示，牵引变低压侧端子a 与高压侧端子A 为同名端，相位相同。

图6 AT 单相变压器端子标志及接线图

1.4.1 AT供电方式单相接线牵引变

AT 单相牵引变与前述1.2 节中单相牵引变的换相连接方式一样，仍采用每间隔1 个牵引所以逆相序接入电力系统的方法，这样牵引所分相两侧电压同相位，分区所分相两侧电压相位角差60°，承受相电压U 为27.5 kV。

1.4.2 AT供电方式单相V，x 接线牵引变

按照牵引变低压侧a 端子始终与接触网（T 线）相接、x 端子始终与正馈线（F 线）相接、0 端子接地的方式。牵引所Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ换相连接后，分别接入电力系统的ABC 相、BCA 相、CAB 相，形成一个均衡的循环。可知，牵引所与分区所的分相两侧电压相位角均相差60°，承受相电压U 为 27.5 kV。

为了进一步降低分区所电分相两侧电压相位角差，可以通过如图7所示的调整，采用每6 个牵引所一个循环接入电力系统。

图7 V，x 变压器全序列相序图

将牵引所Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ分别接入电力系统中的ABC 相、CAB 相、BCA 相、ABC 相、CAB 相、BCA 相，对于电力系统仍然是每3 个牵引所形成对称连接。调整后，分区所分相两侧的电压相位相同，牵引所分相两侧电压相位角仍差60°，承受相电压U 为27.5 kV。

为了简化牵引变高压侧线路接线，避免高压侧线路交叉，可以将牵引变低压侧a、x 端子交叉与接触网（T 线）和正馈线（F 线）相接，0 端子接地，仍是采用每6 个牵引所一个循环接入电力系统，如图8所示。

图8 单相V，x 接线AT 牵引变全序列相序接线优化图

2 分相处相位关系总结

依据以上的相位分析和接线调整，结合上海铁路局普速铁路、高速铁路牵引所实际选用的牵引变类型，如果在实际运行管理中，能够科学周密地进行优化，各分相两侧电压相位会达到表1的效果。

表1 上海铁路局管内各铁路线别分相处相位优化效果列表

3 实际应用中的探讨

（1）由于接触网分相结构复杂，维护作业时，不仅安全防护措施严密，而且调整时的技术要求也很高，一直是接触网作业中的难点。采用三相-二相阻抗匹配式牵引变、三相V，v 接线牵引变或单相V，x 接线AT 牵引变时，无论在正常单边供电或越区供电方式下，其分区所分相两侧电压相位始终相同。综合考虑供电臂空载和满载情况下引起的电压波动，在电分相两侧压差允许的情况下，将电分相中的接触网开关采用常闭的运行方式，或将电分相结构，改为绝缘锚段关节形式，取消无电区。在京沪高铁测速试验期间，为了减少电分相无电区对动车行驶时的速度损失，就临时采用电分相处接触网开关闭合的越区供电方式，减少了试验区段电分相无电区的数量。

（2）当电力机车意外停在电分相无电区时，在救援过程中，列车调度员需要安排行驶方向后方供电单元内电力机车停车，接触网停电，然后再闭合分相处接触网开关，进行救援。据统计，每次救援过程需要15 min 左右，若接触网开关远控失败的话，安排非电力机车救援，那时间将更长。如果电分相处两侧电压相位相同，则可以直接通过分区所越区开关，采取短时的双边供电方式，在无需后方单元停电的情况下，闭合分相处隔离开关，把电送到无电区，进行救援。这样，就不会影响其他电力机车的正常行驶，能更好地维护运输秩序的畅通。

（3）按照行车组织规定，列车调度员必须提前2 个车站发布限速或者降弓命令，机车方可驶入关系区间。在运营期间，发生过分相处隔离开关误动闭合的现象。因在紧急状况下，可能无法及时限制电力机车降弓通过。如果分相两侧电压相位相同，即使司机按照过分相时的正常规定行驶，也不会造成两供电单元间短路跳闸或灼伤接触网导线。