海内外基于牵引供电系统的电力供电方案研究

陈怡心，解绍锋，管亚敏，孙理欧，周彤昕



海内外基于牵引供电系统的电力供电方案研究

陈怡心，解绍锋，管亚敏，孙理欧，周彤昕

根据海内外铁路电力供电系统现状的调研结果，对接触网取电分布式供电、牵引变电所取电分布式供电、交直交电源设备集中式供电及与牵引变电所合建变电所供电4种电力供电方案进行了综合分析、对比，建议优先采用与牵引变电所合建变电所供电方案。

高速铁路；牵引供电系统；电力供电方案

0 引言

随着高速铁路的不断发展，行车速度与密度不断提高，其牵引供电系统的地位也得到日益提升。高速铁路沿线分布着通信系统、信号系统等不同类型的非牵引负荷，其电力供电方案直接关系到行车安全、运营费用和建设投资。目前对非牵引负荷用电问题缺乏更为深入的研究，且并未引起相关部门的足够重视[1]，这样就易导致非牵引负荷用电困难或者用电的经济合理性欠缺。

高速铁路的快速发展为合理利用牵引供电系统作为电力供电系统的电源提供了技术平台[2]。面对技术全球化的趋势，我国高铁要积极借鉴、吸纳国外先进技术，充分发挥我国高铁的优势，推动中国高铁又快又好地“走出去”，在服务“一带一路”战略中发挥更大的作用[3]。基于上述背景，本文对海内外电气化铁路电力供电方案进行调研，从经济、技术等方面对牵引供电系统取电的电力供电方案进行分析、比较，确定最优方案。

1 高铁沿线电力负荷分布特点及供电要求

1.1 电力负荷分布特点

高速铁路沿线电力负荷分布特点：车站负荷容量较大且集中；区间负荷容量小但点多、分散[4]。

1.2 供电要求

根据供电可靠性要求，电力负荷主要分3级。

一级负荷应由2路相互独立的电源供电，当一路发生故障时，另一路能正常供电。一级负荷中特别重要的负荷，除由2路电源供电外，还需配置应急电源[4]。

二级负荷应由2路电源供电，负荷较小或取电困难时，由一路10 kV及以上专用供电线路供电[4]。

三级负荷一般由1路电源供电。

2 海内外铁路电力供电系统现状

2.1 中国

为保证铁路沿线电力负荷用电的需要，中国铁路经过数十年的发展，形成了一套较为可靠的电力供电方案。根据不同的铁路线路，铁路供电方案主要有以下4种。

（1）“双贯通”方案。新建高速铁路、客运专线、客货共线铁路及普速复线铁路采用较多的是全线供电“双贯通”方案，即全线设1条10 kV综合负荷贯通线和1条10 kV一级负荷贯通线。

（2）“单贯通”方案。对于部分普速铁路、货运铁路及支线铁路等一级负荷较少的线路，可采用“单贯通”方案，即全线设1条10 kV综合负荷贯通线。

（3）环网供电方案。对于车站密度较大的城市及城际铁路，可采用环网供电方案，即全线设2条10 kV综合负荷贯通线。

（4）对于电源匮乏地区的铁路，可采用接引牵引供电系统电源作为备用电源的电力供电方案，即铁路沿线只具备1路贯通电源的条件，第2路电源由接触网越级供电，采用交直交设备或直接采用单相变压器供电，作为沿线区间和车站负荷的备用电源。

2.2 日本

日本新干线通常在每个车站设一座高压配电所，一般由地方引入一路电源，车站重要负荷的备用电源由1台应急发电机组提供[5]；车辆段配电所和牵引变电所共用外部电源。

在长大隧道、隧道较多的区间及带区间中继站的区域设双回电力贯通线；隧道较少或隧道较短的区间或无区间中继站的区域设单回电力贯通线[5]。

2.3 韩国

韩国高速铁路首尔—大邱段，全线设2条电力贯通线[5]，车站变配电所电源引自地方电网，区间不独立设置电力变配电所。

2.4 法国

法国高速铁路的设备供电如信号、车站等综合负荷电源来自国家的中压电网，车站及区间备用电源取自接触网，部分区间设有电力贯通线[5]。

2.5 德国

德国铁路主要采用网络供电和点式供电方式，铁路沿线大部分负荷、大型车站负荷主要依靠铁路供电网络供电，个别远离供电网络的地点采用点式供电[5，6]。由于德国环网电源点多，该类供电方式的供电可靠性相对较高，所以区间不设电力贯通线，只有道岔除雪设备采用从接触网取电方式。

德国铁路重要负荷除保证可靠供电外，还需配置应急电源。

2.6 墨西哥

区间和中间车站通信、信号、消防风机等重要负荷的主用电源取自沿线1条27.5 kV单相电力供电线，备用电源取自接触网馈线。27.5 kV单相电力供电线采用环网供电方式，从相邻两座牵引变电所27.5 kV馈线回路接引。单相负荷由27.5/0.23 kV单相变压器降压后供电；三相负荷由27.5/0.23 kV单相变压器及交直交电源设备变换为三相交流400 V或220 V电源供电。该方案也将被西班牙采用实施。

2.7 西班牙

西班牙铁路供电形式主要为分散点式供电和环形供电。分散点式供电较为普遍，尤其是普速铁路，采用从地方公共电网线路取电；负荷比较集中的地区采用环形供电；高速铁路上获取2路地方独立电源比较困难的小型车站一般采用从接触网直接取交流电供电；在获取2路地方独立电源比较困难的区间，从接触网取电，经交直交设备转换为三相交流电供电，如马德里—塞维利亚的高速铁路车站。西班牙已大量采用了接触网越级供电电源设备[7]，区间不设电力贯通线。

2.8 阿根廷

Pilar-Junin铁路各车站设置1台杆架式变电台作为信号、暖通等负荷的主用电源，由当地电网接引；设置1台箱式低压柴油发电机，作为信号负荷的备用电源。

Roca既有电气化铁路设1台专用动力照明变压器，配合牵引变电所共用高压电源馈出13.2 kV三相电力贯通线，向沿线车站照明等设备供电；变电所内的单相变压器取三相电力贯通线中的两相转换为两相电源，馈出13.2 kV单相电经电力贯通线作为通信、信号设备的电源。

2.9 泰国

利用110 kV牵引变电所合建22 kV配电所，全线设置22 kV双回路电力贯通线；沿线各车站设置22/0.4 kV双变压器通信信号专用变电所，为车站内通信、信号负荷供电；设置400 V柴油发电机组作为备用电源；区间各用电负荷附近设置22/ 0.4 kV双变压器箱式变电站。

2.10 老挝

与110 kV牵引变电所合建的35 kV配电所的电源从牵引变电所110/35 kV动力变压器二次侧接取或从地方电源接取，全线设1条35 kV综合负荷贯通线，电缆大多采用以架空为主的混合敷设方式。新设配电所通过综合负荷贯通线形成互供系统。

2.11 利比亚

以EL-KH站至EL-MP站段为例，设1条20 kV电力贯通线，于EL-MP站设1座110/20 kV变配电所。各车站、区间红外轴温探测设备均由20 kV电力贯通线环网接引电源，并配UPS进行供电。其中EL-KH、EL-MP为大站，各设2台50 kV·A 20/ 0.4 kV变压器供电，除由贯通线接引一路电源外，还设1台太阳能变电站，且从地方电网接引一路电源，其余小站设2台10 kV·A 20/0.4 kV变压器供电，由20 kV电力贯通线环网接引电源，并配UPS进行供电。

2.12 乌兹别克斯坦

以Marokand–Karshi铁路为例，全线设1条 10 kV三相电力贯通线和1条25 kV三相电力贯通线，分别从各牵引变电所的三绕组变压器的10 kV侧和25 kV侧引出，为所有信号及调度设备需提供2路电源，当主用电源失电或电压频率不满足要求时，自动切换至备用电源；若2路电源均不满足电压220V +5%/-10%要求，自动转为柴油发动机作为第3路电源供电。所有电子设备均配备UPS设备。

3 从牵引供电系统取电的供电方案分析

从上述海内外铁路电力供电系统现状调研结果可知，高速铁路从牵引供电系统取电的电力供电方案可归纳为4种，具体分析如下。

3.1 接触网取电分布式供电方案

3.1.1 工作原理

该方案采用从接触网直接取电，为沿线区间和车站负荷供电。铁路沿线通信基站、直放站、越行站及区间其他单相负荷通过单相变压器供电，铁路沿线中间站、信号中继站、区间隧道等三相负荷的供电点，每处设交直交电源设备将单相27.5 kV电源转换为三相电源供电。供电方案示意见图1。

图1 接触网取电分布式供电示意图

3.1.2 供电质量

该方案单相电力负荷点电压波动较大，但电压偏差满足供电要求，且电压可通过调压器进行调节；对于谐波问题，可在单相变压器低压侧设置单相滤波器，或采用具有隔离功能的交直交电源设备供电，使谐波满足国家标准要求。采用该方案三相电力负荷点处的交直交电源设备均能正常工作，变换后的三相电源稳定在额定电压范围内，谐波满足要求。

3.1.3 可靠性

可靠性主要取决于交直交电源设备可靠性和接触网停电2方面。

交直交电源设备采用+1备用形式[8]，可靠性高；高速铁路接触网一般每天有4 h维修天窗，不能保证供电连续性，对于电力供电的可靠性有一定影响；接触网负荷等级为一级负荷，从其接引的电源即可满足电力供电可靠性要求。

3.1.4 灵活性

由接触网越级供电，分布式交直交电源设备均为独立安装，灵活性高，建设周期短，可进行局部调整和全线配电。

3.1.5 投资成本

电力工程投资成本核算主要考虑电力变电所和分布式交直交电源设备。以某线路为例，线路全长63.2 km，按22处单相负荷供电点、9处三相负荷供电点、各负荷点提供1路电源供电的工程量核算工程投资。

经核算，接触网取电分布式供电方案的工程投资估算为1 140万元。为满足供电质量要求，各单相负荷点采用交直交电源设备取代单相变压器供电时，工程投资另需增加约330万元。

3.2 牵引变电所取电分布式供电方案

3.2.1 工作原理

采用从各牵引变电所主变二次侧母线接引27.5 kV电源，全线通过交流单相27.5 kV电力贯通线供电。铁路沿线通信基站、直放站、越行站及区间其他单相负荷供电点设单相变压器从单相贯通线取电；铁路沿线中间站、信号中继站、区间隧道等三相负荷供电点，每处设交直交电源设备，将单相27.5 kV电源变换为三相电源供电。供电方案示意如图2所示。

图2 牵引变电所取电分布式供电示意图

3.2.2 供电质量

该方案单相电力负荷点电压偏差满足电力供电要求；谐波不满足要求，可在单相变压器低压侧设置单相滤波器，或采用具有隔离功能的交直交电源设备供电，使谐波满足国家标准要求。采用该方案三相电力负荷点处的交直交电源设备均能正常工作，变换后的三相电源稳定在额定电压范围内，谐波满足要求。

3.2.3 可靠性

交直交电源设备采用+1备用形式[8]，可靠性高；牵引变电所停电的概率较低，其供电可靠性完全满足要求。

3.2.4 灵活性

沿线分布式交直交电源设备均为独立安装，灵活性高，建设周期短，可进行局部调整和全线配电。

3.2.5 投资成本

牵引变电所取电分布式供电方案的工程投资估算为3 040万元。为满足供电质量要求，各单相负荷点采用交直交电源设备取代单相变压器供电时，工程投资另需增加约330万元。

3.3 交直交电源设备集中式供电方案

3.3.1 工作原理

采用从各牵引变电所主变二次侧母线接引27.5 kV电源，通过大容量交直交电源设备变换后馈出交流三相电源向地区负荷和三相10 kV电力贯通线供电。铁路沿线负荷点通过单相或三相电力变压器从电力贯通线接引电源供电。供电方案示意如图3所示。

图3 交直交电源设备集中式供电示意图

3.3.2 供电质量

该方案电力负荷点电压偏差、谐波均满足电力供电要求。

3.3.3 可靠性

由于大容量交直交电源设备采用+备用形式[8]，设备的可靠性极高；牵引变电所停电的概率较低，其供电可靠性完全满足要求。

3.3.4 灵活性

交直交电源设备集中式供电的三相电力贯通线为全线安装，基于现有的架空和电缆线路，建设周期会受到线路施工的限制，工期较长，因此灵活性相对不高。

3.3.5 投资成本

交直交电源设备集中式供电方案的工程投资估算为4 130万元。

3.4 与牵引变电所合建变电所方案

3.4.1 工作原理

采用与牵引变电所合建变电所方案，共用高压电源，设动力变压器为地区负荷和三相10 kV电力贯通线供电。铁路沿线负荷通过单相或三相电力变压器从电力贯通线接引电源供电。供电方案示意如图4所示。

3.4.2 供电质量

该方案电力负荷点电压偏差、谐波满足电力供电要求。

3.4.3 可靠性

该供电方案可靠性高，运营维护方便。

图4 变电所与牵引变电所合建示意图

3.4.4 灵活性

当电力负荷很大但负荷所在区域一般位于发达区域时，电源问题并不是一个难题，只要投资合理，利于运营，即可方便实现电力变电所与牵引变电所共用高压电源。当电力负荷很小且位置偏僻时，若要实现电源共用，将面临很多需要解决的技术问题，且该方案采用的三相电力贯通线需进行全线安装，基于现有的架空和电缆线路，建设周期将受到线路施工的限制，工期较长，因此灵活性较差。

3.4.5 投资成本

变电所与牵引变电所合建方案的工程投资估算为3 830万元。

4 电力供电方案对比及结论

通过对4种电力供电方案的分析，得出其技术性、经济性比较表，如表1所示。

根据表1，得出以下结论：

（1）优先考虑采用与牵引变电所合建变电所的供电方案。在很多区域取2路独立电源较为困难，即使取到电源，供电能力也受到限制，发展空间有限，此时，直接设变电所是解决该问题的有效手段。与牵引变电所合建变电所方案具有以下几个优势[9]：利用牵引所高压电源，节省电力供电工程投资；与牵引变电所合建，共用重复部分，紧凑布置房屋及设备，可节约占地和工程投资；提高取电电源等级且为独立的2路电源，可靠性高；供电能力大，可扩展性强，满足远期的发展要求；电源质量较好（仅存在少量谐波影响）。

表1 供电方案技术性、经济性比较表

在大型枢纽和大型车站处，只要投资合理，利于运营，原则上就可采用与牵引变电所合建变电所供电方案。但对于很多电力负荷很小且地理位置偏僻的工程，需要实现电源共用，将面临很多需要解决的技术问题。因此，在设计前期必须结合工程实际，综合考虑供电质量、经济性等诸多方面因素，做好技术经济比较，才能确定是否采用与牵引变电所合建变电所供电方案。

（2）在对电能质量要求不高的情况下，可考虑采用接触网取电分布式供电方案，作为高速铁路一般中小站、信号设备等重要负荷的备用电源。随着电力电子技术的发展，交直交电源设备性能不断提高，其优势将日益明显[5]。

（3）对比接触网取电分布式供电方案，牵引变电所取电分布式供电方案电能质量较好，但投资成本较高，因此需要考虑各方面因素从而确定是否采用牵引变电所取电分布式供电方案。如果接触网取电分布式供电不能作为长大隧道的备用电源，此时则可采用牵引变电所取电分布式供电方案。

（4）对比接触网取电分布式供电方案和牵引变电所取电分布式供电方案，交直交电源设备集中式供电方案电能质量好，但投资成本太高；对比与牵引变电所合建变电所供电方案，交直交电源设备集中式供电方案电能质量稍差，且投资成本更高。

5 结语

综合地方电网分布、供电质量、投资成本等诸多因素，在铁路设计过程中确定合理、经济的供电方案通常比较困难，此时，可优先考虑采用与牵引变电所合建变电所供电方案。近年来，该方案已在多项工程中得到应用，实践证明其有显著的优越性。在对电能质量要求不高的情况下，可优先考虑采用接触网取电分布式供电方案。

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According to the investigation results from railway power supply systems at home and abroad, schemes of distributed electric power supply led from the catenary, distributed electric power supply led from traction substation, electric power supply based on centralized AC-DC-AC power supply equipment, and electric power supply of distribution substation combined with traction substation are analyzed and compared. And the results show that the electric power supply scheme of distribution substation combined with traction substation will be recommended for the first priority.

High speed railway; traction power supply system; power supply scheme

U223.5

A

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.023

1007-936X(2018)01-0092-05

2017-03-08

陈怡心.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生；

解绍锋.西南交通大学电气工程学院，教授；

管亚敏.中铁第四勘察设计院集团有限公司，高级工程师；

孙理欧，周彤昕.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生。

国家自然科学基金（51307143），中铁第四勘察设计院科技开发项目。