地铁和电气化铁路的牵引供电系统比较研究

韩冬晓

摘 要：随着经济与科技发展，我国地铁网络规模在空间上不断扩大，提升了社会的整体运行效率，其中，牵引供电系统的发展成熟及其广泛应用直接促进了地铁和电气化铁路的发展进步。与此同时，牵引系统的安全性和稳定性也受到越来越多的关注，因其一旦出现故障将会带来重大的生命财产损失。为了促进牵引供电系统更加安全稳定地应用，对地铁和电气化铁路牵引供电系统的工作原理、运行方式和牵引供电保护方式进行了比较分析，希望能为牵引供电系统的应用提供理论与实践起到一定的借鉴作用。

关键词：地铁；铁路；牵引供电系统；运行方式

中图分类号：TM922.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）05-0171-02

Abstract： With the development of economy and technology， the scale of China's metro network has been expanding in space and improving the overall operation efficiency of the society. The development and maturity of traction power supply system has directly promoted the development and progress of Metro and electrified railway. At the same time， the safety and stability of traction system is also attracting more and more attention， because once it fails， it will cause significant loss of life and property. In order to promote the safe and stable application of traction power supply system， the working principle of the traction power supply system of metro and the electrified railway traction power supply operation mode and protection mode are analyzed， hoping to provide theory and practice plays a certain reference role for the application of traction power supply system.

Keywords： subway； railway； traction power supply system； operation mode

我国电力牵引系统技术的发展已走在世界的前沿，牵引供电系统是一套结构复杂、精度极高的系统，因此要在实际的运行中保障其安全性，使其供给合格、稳定的电力，从而确保了地铁和电气化铁路的安全运行。在地铁和电气化铁路的运行过程中要做好牵引供电系统的检查和维护工作，寻找系统的薄弱环节，同时要制定相应的应急预案，全方位地提升高铁与电气化铁路牵引供电系统可靠性。本文分别介绍了地铁牵引供电系统和电气化铁路牵引供电系统的概况，并总结了二者的保护原理。

1 地铁牵引供电系统概况

1.1 地铁牵引供电系统供配电方式

地铁牵引供电系统所使用的供配电方式主要为两种，即集中供电方式与分散供电方式。

1.1.1 集中供电方式

集中供电方式是城市地铁供电系统最常用的，是从城市电网接入电源，并且根据用电容量和城市轨道的长短来建立专门的变电站，沿着地铁线通常要建立2～3座110kV和220kV的主变电所。35kV中压网络纵向连接上级变电所、下级牵引变电所以及降压变电所，构成电网的主体，下级各变电所以横向连通的的方式形成轨道交通的内部供电网络，这样集中供电的好处是便于城轨公司的集中管理，在出现任何供电问题时也能够集中解决。另外，各个牵引变电所之间由35kV和10kV环网电缆供电，提升了电路系统的可靠性。

1.1.2 分散供电方式

分散供电方式是按照城规供电的原则来接入的，从城市电网引入多路电源，并由区域变电所进行降压供电，通常供电所使用的电压为19kV，以分散供电方式来为地铁供电可以保障每一座牵引变电所和降压变电所都能获得双路电源，提升了供电的稳定性。

1.2 地铁牵引供电系统结构

地铁的牵引供电系统主要由牵引变电所和牵引网两部分组成，这两者工作时可以根据供电系统的不同工作状态来进行调节，保证运行时牵引供电系统能够与之协调一致。地铁的供电系统可以为电动车辆以外的动力照明负荷供电，如车站和区间的动力、照明系统以及其他用电设备。牵引供电系统的稳定性和安全性很重要，因其一旦发生故障，轻则致使列车晚点，重则导致重大安全事故。

2 电气化铁路的牵引供电系统概览

2.1 铁路牵引供电系统的供电方式

电气化铁路牵引供电系统的供电方式主要有直接供电方式、自耦变压器（AT）供电方式以及直供+回流的供电方式。

2.1.1 直接供电方式

电气化铁路牵引系统的直接供电方式又被称为单边供电方式，供电原理是使用电力化铁路产生单项交流负荷并且能够在周围的接触网上产生交变磁场，形成电磁波，从而会对附近的通讯设备和无线电装置造成干扰，一定程度上影响了铁路周边的正常生产生活。目前我国铁路通信采用高屏性能的同轴电缆，接触网产生的电磁干扰影响很小，无需使用任何防护措施，对周边的生产生活的影響可以忽略不计。但目前我国电气化铁路的相关技术发展迅速，使得电磁干扰的问题迎来了新的挑战，现提供的解决方案是在接触网供电方式上采取相对应的防护措施，从而衍生出不同的供电方式。部分消除电磁干扰的方式是在接触网与接触悬挂相同高度的位置接上附加导线，当电力产生牵引作用时，附加导线能产生与接触网大小相等、方向相反的电流，从而形成相反的电磁干扰，进而相互抵消。endprint

2.1.2 自耦变压器（AT）供电方式

自耦变压器供电方式的工作原理是利用变电所55kV输出电压，通过自耦变压器的耦合，变压比为2：1，向接触网输送电力，在变电所的一端接入接触网，在用电端口接入正馈线，通常这种正馈线架设在田野或者空旷无人区，要保障接触悬挂线与之等高，并将点抽头与钢轨相接。正馈线的作用和BT供电方式中的NF线类似，能够起到防干扰的功能，但前者的抗干扰功能要略胜一筹。另外，在正馈线下方还应当架设一条保护线，用来防止接触网绝缘破损时保护跳闸，并且还可以提供避雷和防干扰的功能。

2.1.3 直供+回流的供电方式

此供电方式的工作原理是供电带回流线的直接供电方式，这种供电方式能够与钢轨相连，具备防干扰作用，并且不需要附加吸流变压器，能够改善网压，简化接触网络结构，使供电系统更加安全稳定。

2.2 铁路牵引供电系统构成

铁路牵引供电系统对供电功率的要求很高，否则无法维持高速运行，因此需要依靠专门的外部供电装置来提供列车的电能。牵引供电系统是从电气化铁路接入电力系统输电网络接引电源，通过变电所降压转换后为电力机车提供动力的电力供给网络。因为铁路牵引供电系统功率大，所以产生的负序电流现象相较其他的电气化铁路系统更加突出。为了缓解这个问题，当前铁路牵引变电所的短路容量设计得越来越大，用以扩大负序电流的承载能力，但这类措施直接导致投资成本的升高，并且不能完全解决负序电流对电力系统的负面影响，因此要继续寻求新的对策来解决牵引供电系统的负序电流问题。

3 地铁和电气化铁路牵引供电系统保护对比

3.1 地铁运行的牵引供电保护原理

地铁供电系统包括交流中压系统和直流牵引系统，对于交流中压系统的保护有专门的国家规程和行业规范，是相关科研人员研究出的可靠、可行的方案，直流牵引供电系统保护的最大特点是系统的“多电源”和消除故障多发区。在对这二者的保护中最基本的是发生短路等电路故障时要立即切断电源，防止故障问题的事故化。消除故障多发区是优化配置，提升系统稳定性必须要遵循的规定，通过相关的规定来对系统进行故障排查，对于问题多发的系统部件与设置要进行更换并提升检察、探伤的频率。

除了通过以上两部分的保护之外，还要提升地铁运行的牵引供电的可靠性，可以从下几个方面入手：其一，加强对牵引供电系统的管理工作，加强设备操作工的相关培训，并加入定期职业考核机制，不断提升工作人员的职业素质。其二，定期和不定期进行故障演戏，检验工作人员对故障设备的应急处理能力，训练工作人员在最短的时间内处理紧急时间，将故障带来的威胁降到最低。其三，采取分点式的电路供电，在电路发生故障时能防止整个电路受到影响而导致交通系统的瘫痪。

3.2 电气化铁路运行的牵引供电系统保护原理

电气化铁路的牵引供电系统受到牵引负荷大小的影响，这会直接影响变压器温度，铁路牵引供电系统的容量负荷及其变压器的温升变化情况直接决定了电气化铁路的牵引供电系统的寿命长短。牵引负荷增加会导致牵引变压器温度的升高，从而降低变压器的使用寿命，所以在实际的运行过程中，针对不同的运输要求应采用不同的优化方案，这能在节省电力费用开支的同时降低牵引变压器的寿命损耗，从而最大限度地提升了经济效益。

4 结束语

随着我国城市交通压力的不断升高，各地对地铁和铁路的建设正如火如荼地开展，我国的铁路和城市地铁建设已步入正轨。本文通过对地铁和电气化铁道供电方式的异同分析，说明了两者在牵引供电系统保护的差异。地铁和电气化铁路在运行过程中最重要的动力就是电力供应，牵引供电系统的安全性和稳定性直接决定了地铁的运行质量，出现电力供应故障会给乘客的生命财产安全带来影响，因此要利用新的技术和新的建设方案不断加强牵引供电系统的可靠性和安全性，加强牵引变压器的过载能力和使用寿命，使其满足当今社会快节奏、低消耗、低污染的生产生活。

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