基于树形双边供电的重载铁路贯通同相供电方案

周志成

基于树形双边供电的重载铁路贯通同相供电方案

周志成

(神华包神铁路集团，内蒙古 包头 014014)

结合重载铁路既有供电方式特点，提出一种适用于重载铁路牵引供电系统的贯通同相供电方案。介绍该贯通同相供电方案的3项关键技术，即：组合式同相供电技术、树形双边供电技术以及牵引网分段供电与状态测控技术，并对树形双边供电系统的均衡电流以及单线牵引网阻抗进行详细研究；以某既有重载铁路牵引供电系统改造工程为例，将该贯通同相供电方案应用于该线路牵引供电系统工程改造中；通过理论分析以及实测分析，分别从运行模式、均衡电流实测分析、牵引网分段测控技术的适应性等角度对该既有线路贯通同相供电改造方案可行性进行分析。研究结果表明：基于树形双边供电的贯通同相供电方案可行，且兼顾更好的系统性能以及技术优势。

重载铁路；贯通同相供电；组合式同相供电；树形双边供电；均衡电流；牵引网分段供电

我国重载铁路发展于20世纪80年代初，在迅速发展的同时，重载铁路对于国民经济发展不可替代的作用日渐突出。电力牵引是实现提升铁路运输能力、加快铁路运输速度的目标的必然选择。牵引供电系统负责向重载铁路机车提供电能[1]，其供电能力的强弱对于重载铁路的运力具有重要影响。为适应煤炭运量等的不断增长，我国重载线路展开了运能提升改造工程。我国现行重载铁路的改造方案思路如下：1) 调整牵引网供电方式，例如将牵引网供电方式由直供方式变为AT方式；2) 增加外部电源数目，进而使得牵引变电所数目得到增加[1]，但同时会造成电分相数目的增加。目前，无论采用上述哪种方式，均存在一些技术以及经济上的问题，主要表现在以下2点：1) 电分相是牵引供电系统中的相对薄弱环节[2−12]，成为重载机车牵引力和速度损失的主要原因，限定了运输能力的进一步提高；2) 目前以负序为主的电能质量问题尤为突出[2−6]。通常重载线路普遍存在长大坡道情况，长大坡道对于电分相位置的设定、牵引供电系统的供电能力有更高的要求。对于电分相，国内外工程人员通过过分相技术解决电分相问题，过分相技术分为手动和自动。手动过分相，即驾驶员通过手动操作使得机车断电，机车以惰行方式过分相。此时，可能出现机车过分相失败的情形；司机操作失误可能造成供电系统短路，引起跳闸断电，严重时可能损坏供电系统和车载设备，对重载机车安全可靠运行造成了重大影响。自动过分相主要有车载和地面2种过分相方式[13]。重载铁路具有速度低的特点，若采用车载方式将使机可能会出现机车速度进一步降低的情形，在长大坡道一旦出现坡停，后果严重。若采用地面方式能够减少机车过分相时的无电时间，但是地面方式存在寿命低，一次性投资大，运维成本高等问题，并未从根本上解决电分相、负序等问题。伴随着同相供电技术在眉山牵引变电所、山西中南部通道沙峪牵引变电所以及温州市域铁路S1线的成功应用，理论研究、现场试验均以及工程案例实施表明，借助同相供电理论[2−11]、现代电力电子技术[8−11]、现代测控技术，在单个牵引变电所实现同相供电的基础上实现贯通式同相供电是重载铁路牵引供电技术提升的有益手段之一。为了进一步提升运能，并确保重载线路更加高效安全的发挥其性能，在充分进行理论研究以及仿真以及实测分析的基础上，提出一种基于树形双边供电的重载铁路贯通同相供电方案，并且在实现贯通同相供电的前提下，不会带来新的电能质量问题。基于该方案，以国内某条重载线路牵引供电系统工程改造为例，对该方案进行了理论和实测分析，研究表明了方案的可行，且兼顾更好的系统性能以及技术优势，能够为我国其他重载铁路采用同相供电技术提供工程应用参考经验，对全国乃至全世界采用工频单相交流制的电气化铁路也有着广阔的应用前景，具有重要的理论意义和工程应用借鉴价值。

1 基于树形双边供电的贯通同相供电方案

基于树形双边供电的贯通同相供电方案，即在牵引变电所采用组合式同相供电(包含单相组合式同相供电技术和单三相组合式同相供电技术)取消变电所处电分相，同时治理负序，分区所通过构成树形双边供电取消分区所处电分相，实现贯通同相供电的目的；同时采用牵引网分段供电与测控技术确保牵引网供电可靠性[6]。

1.1 组合式同相供电技术

相对于既有方案采用轮换相序的方案降低牵引负荷对电力系统造成的三相电压不平衡度，采用贯通同相供电方案后由于采用同一相序，轮换相序的方法不再适用，必需选择一种新的方式。理论和实践表明，组合式同相供电技术是目前贯通方案解决三相电压不平衡的最佳选择[9]，如图1所示。

以单相组合式同相供电方案为例，图1(a)中牵引变压器TT端口与匹配变压器CPD高压端口相位相互垂直，如图2(a)所示。正常运行时，TT和CPD共同承当向牵引负荷供电的任务，其中，以TT为主，CPD为辅，同时CPD还起着调整三相电压不平衡度的任务。其补偿原理如图2所示，容量配置方法见文献[6]。

(a)单相组合式同相供电拓扑结构示意图；(b)单三相组合式同相供电拓扑结构示意图

(a) 补偿矢量关系图；(b) 负序矢量关系图

1.2 树形双边供电技术

交流电气化铁路双边供电中机车由原来的从单个牵引变电所取电，变成从相邻的2个牵引变电所取电。相较于单边供电，双边供电网压水平相应改善，还能减轻对沿线通信线路或者设备的电磁干扰。目前，双边供电在俄罗斯等前苏联国家电气化铁路中广泛采用[6, 14]，韩国亦有采用[15]。

单线区段的双边供电见图3，复线区段双边供电见图4。无论是单线区段还是复线区段，双边供电均通过分区所处的断路器合闸完成，此处分区所只设电分段，不设电分相(或者设置电分相，但按电分段运行)。

实行双边供电可能会带来均衡电流问题。均衡电流是指双边供电时牵引网因与电力系统(等效)输电线或者母线并联而在牵引网中增生的电流分 量[9]。均衡电流的存在会带来计量问题，增加成本的投入。

图3 单线区段双边供电方式

图4 复线区段双边供电方式

定义最低电压等级的牵引变电所为叶，最高电压等级的A型变电站(750 kV或者500 kV)为根，中间电压等级的B型(330 kV或者220 kV)、C型(110 kV)变电站为结点或者根，经输电线将其连接成从高电压等级到低电压等级的拓扑结构，将该拓扑结构称为树形结构[16]。一种树形结构如图5所示。

图5 一种树形结构示意图

简而言之，两牵引变电所进线一次侧电压相同，一种树形双边供电示意图简化为图6所示情形。

图6 树形双边供电示意图

根据图6得到图7所示等值电路示意图。分别对图7中的节点1，回路1和回路2列写方程，得

式中：和分别为牵引变电所TS1和TS2的进线阻抗；和分别为牵引变压器T1和T2的漏抗；牵引变压器T1和T2原、次边电压分别为和及和，对应的变比为k1和k2；Zq为牵引网的等值阻抗；和分别为牵引变压器T1和T2空载时的原边电流，即均衡电流。

进一步分析其牵引网阻抗，忽略上下行线路之间的横向连接线，将其等效为单线模型，其等值电路如图8所示。

图8 树形双边供等值电路示意图

设定线路最左端为起始位置，贯通同相供电方案机车距离起始位置km时，牵引网等值阬为

1.3 牵引网分段供电与测控技术

据工程统计，电气化铁路因牵引供电相关的故障多大多数情形下发生在牵引网。牵引供电系统相对薄弱环节可以视为是牵引网。基于可靠性分配的原则，将牵引网分段并加装牵引网状态测控系统，如图9所示，是提高牵引网供电和系统供电可靠性的有效途径之一。

图9 牵引网分段供电与测控技术方案示意图

图10 测控系统传输网络

以重载铁路的供电区间为单位，在区间分界处对系统拓扑结构进行相应改进，辅之以相应测控单元以及数据采集传输单元。当线路中出现故障时，只需将故障区段切除，非故障区段不受影响，正常运行，极大减少了牵引网的失电区间，不改变供电能力，但使牵引供电更可靠、更灵活。其中，测控系统传输网络如图10所示。

2 某既有重载铁路贯通同相供电改造方案

2.1 既有牵引供电方案介绍

该重载线路全长约130 km，既有方案供电示意图如图11所示。全线设置牵引变电所1，牵引变电所2，牵引变电所3以及牵引变电所4，分区所1，分区所2以及分区所3，共设置7处电分相。牵引网采用带回流线的直接供电方式，牵引变压器采用Vv接线。

2.2 贯通同相供电改造方案介绍

贯通同相供电方案全线由同一相序供电，如图12所示。全线只设电分段不再设电分相。牵引变电所1和牵引变电所4变为开闭所1和开闭所5，分区所1，分区所2以及分区所3依次变为开闭所2，开闭所3以及开闭所5。该线路牵引变电所2和牵引变电所3均接自于变电站3或变电站4(220 kV)即符合图6所示结构。

该重载线路改造方案中的3相关键技术，即：单相组合式同相供电技术、树形双边供电技术以及牵引网分段供电与状态测控技术。单相组合式同相供电技术已经在温州市域铁路S1线成功运行，理论研究亦很成熟，此处不再介绍。同时，为了节约占地面积，本线路改造方案中采用单相组合式同相供电技术。图12中牵引变电所2和3均由变电站3(或者变电站4)供电，二者之间的分区所连通，即构成树形双边供电。牵引网分段设置以及部分分段细节改造方案见图13。

图11 既有供电方案示意图

图12 贯通同相供电改造方案示意图

(a) 牵引网分段改造方案示意图；(b) 牵引网一个区间分段改造方案示意图；(c) 牵引所2改造方案主接线示意图；(d) 牵引所2与3之间分区所主接线改造示意图

3 贯通同相供电改造方案可行性分析

3.1 贯通同相供电改造方案运行模式分析

采用贯通同相供电改造方案后，运行模型进一步增加，可以确保线路多种状态下机车的安全运行，概括起来有2种模式：

1) 正常供电模式(贯通同相供电)，即牵引变电所2与3均投入运行，且均由变电站3(或变电站4)供电，构成树形双边供电；

2) 非正常供电模式，即牵引变电所2和3之间发生故障时，故障段切除，形成单边供电方式；或者牵引变电所2(或3)运行，另一个牵引所解列，由上一级变电站供电，形成越区供电。

实际中，在正常状态下，线路运行在贯通同相供电模式，只有在故障状态下，根据实际情况运行在相应的常规供电模式下。

3.2 牵引网等值阻抗曲线

根据式(3)得到单线贯通同相供电改造方案(两牵引变电所牵引网变压器变比均为110 kV/27.5 kV=4)的牵引网阻抗曲线。单线既有方案与贯通同相供电改造方案的牵引网阻抗曲线对比如图14 所示。

图14 牵引网等值阻抗模值曲线对比结果

由图14知，既有方案牵引变电所2与牵引变电所3 的供电区间内，相应贯通同相供电方案牵引网阻抗明显小于既有方案，体现了双边供电的优势。图12 中牵引变电所3的左供电臂与牵引变电所4的右供电臂等同于单边供电，随着距离牵引变电所的长度增加牵引网阻抗也会增加，因此，会在既有方案牵引变电所1与牵引变电所4的部分供电区间内，出现贯通同相供电方案牵引网阻抗大于既有方案的情形。通过校验，该部分仍然满足供电 能力。

3.3 以负序为主的电能质量分析

改造前对该线路的牵引变电所的三相电压不平衡度进行评估，进行为期1 d测试数据分析，以图11中的牵引所2为例进行分析，三相电压不平衡度情况见图18，其中95%概率值为2.48%，最大值为3.91%。根据文献[17]知，牵引变电所2处三相电压不平衡度超标。牵引变电所采用单三相组合式同相供电后，可使三相电压不平衡度达到国标的要求。

图15 牵引所2电力系统侧三相电压不平衡情况

3.4 均衡电流实测分析

为研究树形双边供电空载时均衡电流情况，项目组在牵引变电所2和牵引变电所3之间的分区所进行为期一天的测试，测点位置见图16。通过对比牵引网空载时测点YH1与YH2、测点YH3与YH4的电压和相位相关数据，来说明该改造方案实行树形双边供电是否产生均衡电流。

图16 测点位置

为此，提取牵引网空载以及小负荷情形下分区所处两侧的电压。提取测点YH1与YH2在时刻1.0~2.2 h数据，见图17；提取测点YH3与YH4在时刻1.0~2.2 h的数据，见图18。

图17 YH1和YH2的测量数据比较

图18 YH3和YH4的测量数据比较

分析图17和图18数据可得出如下结论，牵引网空载(或小负荷)时：

1) YH1，YH2和YH3，YH4的电压测量数据非常一致；

2) 分区所两侧电压有效值最大差值约为600 V，误差来源于测量误差、牵引侧并联补偿设备等；

3) 分区所两侧电压相位差非常小，接近于0°。

3.5 牵引网分段供电与测控技术适应性分析

由于改造方案构成树形双边供电，当两牵引变电所均接自于同一变电站相同母线的不同分段，可以视为一个负荷，即与单边供电相比继电保护整定方式一致，并不会引起新的问题。因此，只需关注牵引供电系统本身。

采用改造方案后短路故障区间概括起来主要分为图19中两牵引变电所之外(故障区间类型1)、两牵引变电所之间(故障区间类型2)以及变电所出口处(故障区间类型3)。

图19 故障类型

传统方案既有保护以距离保护作为主保护，且仅安装在牵引变电所，当任一接触网部件发生故障时，既有保护将会切断牵引变电所到分区所整个供电臂。由于改造方案实施了双边供电，若故障发生在2个牵引变电所距离1段保护范围内(故障区间类型2)，既有保护将会切除两个牵引变电所之间的供电臂；若故障发生在变电所出口处(故障区间类型3)，该变电所1段保护动作，该变电所两端变电所距离2段保护将动作，严重扩大了停电范围；若发生故障区间类型1，既有保护动作，同样可能扩大停电范围。因此，传统单端距离保护不能作为主保护应用于同相供电系统。

此外，由于设置过渡区(带电的并可以操作的原电分相中性区)，可以避免机车从故障区驶入非故障区(或从非故障区驶入故障区)造成的二次短路 故障。

因此，牵引网分段与状态测控系统利用牵引变电所与分区所双端电气量，可以及时发现、隔离和排除故障，并且把故障限制在最小范围，把故障影响降低到最低程度。采用牵引网分段供电与测控技术后，通过相应的判据，只将故障段切除，非故障段仍然正常工作，可靠性大大提高。

4 结论

1) 理论分析和实测数据表明，牵引变比一致的情形下，可以实现无均衡电流供电；双边供电两牵引所之间的牵引网阻抗较单边供电更小，可以延长供电区间的长度。

2) 采用组合式同相供电技术可以有效治理负序，使电压不平衡度满足规定的要求，牵引网分段供电与测控技术可以有效确保贯通运营的可靠性，采用树形双边供电技术可以有效实现无均衡电流供电。因此，该线路应用本文所提贯通供方案是可行的，同时能够兼顾更好的系统性能以及技术 优势。

3) 本文所提贯通同相供电方案在该重载线路的工程应用，能够为我国其他重载铁路采用同相供电技术提供工程应用参考经验，具有重要理论意义和工程应用借鉴价值。

[1] 吴凤娟. 重载铁路牵引供电系统改造方案浅析[J]. 铁道标准设计, 2005(12): 85−88. WU Fengjuan. Brief analysis of retrofitting scheme of traction power supply system for heavy haul railway[J]. Railway Standard Design, 2005(12): 85−88.

[2] 李群湛. 牵引变电所供电分析及综合补偿技术[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2006: 72−73. LI Qunzhan. Power supply analysis and comprehensive compensation technology for traction substation[M]. Beijing: China Railway Press, 2006: 72−73.

[3] 李群湛. 论干线铁路与城市轨道统一牵引供电方式[J].中国科学: 技术科学, 2018, 48(11): 1179−1189. LI Qunzhan. Unified traction power supply mode for trunk railway and urban rail transit[J]. Sci Sin Tech, 2018, 48(11): 1179−1189.

[4] 李群湛, 张进思, 贺威俊. 适于重载电力牵引的新型供电系统的研究[J]. 铁道学报, 1988(4): 23−31. LI Qunzhan, ZHANG Jinsi, HE Weijun. Study of a new power supply system for heavy haul electric traction[J]. Journal of the China Railway Society, 1988(4): 23−31.

[5] 李群湛. 我国高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题[J]. 铁道学报, 2010, 32(4): 119−124. LI Qunzhan. On some technical key problems in the development of traction power supply system for high- speed railway in China[J]. Journal of the China Railway Society, 2010, 32(4): 119−124.

[6] 李群湛. 论新一代牵引供电系统及其关键技术[J]. 西南交通大学学报, 2014, 49(4): 559−568. LI Qunzhan. On new generation traction power supply system and its key technologies for electrification railway[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2014, 49(4): 559−568.

[7] GUO Xinxin, LI Qunzhan, XIE Shaofeng,et al. Modeling and capacitance effect analysis of the cable traction network of an electrified railway[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F: Journal of Rail & Rapid Transit, 2016, 230(8): 1803−1811.

[8] CHEN Minwu, LI Qunzhan, Clive Roberts, et al. Modelling and performance analysis of advanced combined co-phase traction power supply system in electrified railway[J]. IET Generation, Transmission & Distribution, 2016, 10(4): 906−916.

[9] SHU Zeliang, XIE Shaofeng, LU Ke, et al. Digital detection, control, and distribution system for co-phase traction power supply application[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(5): 1832−1839.

[10] SHU Zeliang, XIE Shaofeng, LI Qunzhan, et al. Single-phase back-to-back converter for active power balancing, reactive power compensation and harmonic filtering in traction power system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011, 26(2): 334−343.

[11] SHU Zeliang, GUO Yuhua, LIAN Jisan. Steady-state and dynamic study of active power filter with efficient FPGA-based control algorithm[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, 55(4): 1627−1536.

[12] 宫衍圣. 电力机车过关节式电分相过电压研究[J]. 铁道学报, 2008(4): 103−107. GONG Yansheng. Research of over-voltages of electric locomotive passing the articulated phase insulator[J]. Journal of the China Railway Society, 2008(4): 103−107.

[13] 黄沁悦. 地面自动过分相技术研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2018: 1−3. HUANG Qinyue. Research on ground automatic phase passing technology[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2018: 1−3.

[14] 康古马克瓦尔特.电气化铁路供电[M].袁则富, 何其光, 译. 成都: 西南交通大学出版社,1989: 12−18.Kang Gumakwalt. Electric railway power supply[M]. YUAN Zefu, HE Qiguang, Trans. Chengdu: Southwest Jiaotong University Press, 1989: 12−18.

[15] Choi K H. A Phase-shifter for regulating circulating power flow in a parallel-feeding AC traction power system[J]. Journal of Electrical Engineering and Technology, 2014, 9(4): 1137−1144.

[16] 李群湛, 郭锴, 解绍锋, 等. 一种电气化铁路外部电网供电构造[P]. 中国: CN201720647769.1, 2018−02−27. LI Qunzhan, GUO Kai, XIE Shaofeng, et al. A power supply structure of external power grid of electrified railway[P]. China: CN201720647769.1, 2018−02−27.

[17] GB/T15543—2008, 电能质量: 三相电压不平衡度[S]. GB/T 15543-2008, Power quality: Three-phase voltage unbalance[S].

Cophase connected power supply scheme of heavy haul railway based on tree bilateral power supply

ZHOU Zhicheng

(Shenhua Baoshen Railway Group, Baotou 014014, China)

Considering the existing characteristics of power supply modes of the heavy haul railway, the cophase connected power supply scheme for traction power supply system of heavy haul railway was proposed. Firstly, three key technologies of the cophase connected power supply scheme were introduced, namely, combined cophase power supply technology, tree bilateral power supply technology and traction network sectional power supply and state measurement and control technology. The balanced current of tree bilateral power supply system and the impedance of the single-line traction network were studied in detail. Secondly, taking the reconstruction project of a heavy haul railway traction power supply system as an example, the scheme of cophase connected power supply was applied to the engineering renovation of traction power supply system of the line. Finally, through the theoretical analysis and actual measurement analysis, the feasibility of the existing line cophase connected power supply renovation scheme was analyzed from the aspects of operation mode, the actual measurement analysis of the balanced current and the adaptability of the traction network sectional measurement and control technology. The results show that the cophase connected power supply scheme based on tree bilateral power supply is feasible, and has better system performance and technical advantages.

heavy haul railway; cophase connected power supply; combined cophase power supply; tree bilateral power supply; balanced current; traction network sectional power supply

U223

A

1672 − 7029(2020)03 − 0722 − 10

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20191011

2019−11−18

包神铁路集团科研资助项目(2018H0101286)

周志成(1964−)，男，河北承德人，高级工程师，从事电力系统自动化研究；E−mail：20024314@chnenergy.com.cn

(编辑 蒋学东)