电气化铁路同相供电技术探究

康亚周

摘 要 我国电气化铁路采用单相供电系统。牵引供电系统存在负序、无功、谐波等电能质量问题，同时过分相装置存在实现复杂、寿命短、投资大、可靠性低的问题。同相供电技术可从技术上全面取消过分相装置，实现牵引供电系统全线同相供电，不仅可彻底解决高速列车自动过分相问题。且可避免牵引负荷对电力系统电能质量产生不良影响。从而为电气化铁道牵引供电系统的升级改造提供了可行方案。

关键词 电气化铁路;同相供电;方案

1同相供电系统结构探析

同相供电系统中的每个變电所均采用单相供电，原边相位不再轮换，牵引变电所和分区亭处接触网中可取消分相绝缘器，代之以分段绝缘器。

经过牵引变电所，110kV三相电力系统变为单相27.5kV牵引电压供给电力机车。所有变电所输出电压的相位相同。由于要对电力系统侧进行平衡补偿，兼谐波、无功补偿，因此在变电所内安装平衡变换装置BCD（简称平衡器）。

经由牵引变电所，110kV三相电力系统变为2X27.5kV系统，变电所出线端分别接至接触网（T）、轨道（R）和正馈线（F）。正馈线和接触网之间的电压为55kV，接触网和轨道之间的电压为27.5kV。所有变电所输出电压的相位均相同。同样，为使电力系统侧具有三相平衡的特点，在牵引变电所内安装平衡变换装置。

由于采用的供电方式不同，此上两种同相供电系统的总体结构有所不同，尤其体现在牵引变电结构方面。但是，AT供电方式相比直接供电或BT供电更具优势[1]。

2电气化铁路同相供电方案分析

（1）基于无源对称补偿的同相供电方案。无源对称补偿技术是以可调并联电抗器、电容器为依托，通过并联无功补偿或并联电容补偿来消除或消弱单相牵引负荷引起的系统不平衡，同时兼补无功，从而实现同相供电。从理论上来说任何一种接线形式的牵引变压器均可以构造出三相/单相对称变换系统，实现同相供电。在结合常规接线的牵引变压器的对称补偿时，如YNdll变压器、vv变压器，必须在三个端口均安装可调补偿器，这就使得补偿装置的总安装容量大于牵引负荷容量，增大了投资，补偿设备容量利用率偏低，补偿协调的控制手段和设备较为复杂。而采用特殊接线，如不等边Scott接线、不等边V，V接线等的对称补偿技术，只需在制定两端口设置补偿容量，使得补偿装置总安装容量小于牵引负荷容量，简化了系统结构，并能实现与单相牵引变压器相配合。随着电力电子技术的发展，在对称补偿理论基础上提出了基于有源补偿的同相供电技术方案。

（2）基于有源补偿的同相供电方案。为了有效解决电网谐波污染和无功冲击等问题，随着电力电子器件的发展，有源对称补偿技术得到了大量的研究和运用。同相牵引供电系统是在现行牵引供电系统结构的基础上在各个牵引变电所内引入平衡变压器和变流器，使现有变电所的两供电臂合并，实现单相供电，接触网各区段电压相位相同。在由平衡变压器供电的牵引系统中，当两个供电臂的负荷相等时，即两个负荷的电流幅值相同、功率因数相等时，变压器高压侧的三相电流是对称的，利用平衡变压器的这个特性在如下图中机车所需的有功功率是变压器提供，同时当两个供电臂的负荷不相等的情况下，右边的变压器提供一部分有功功率给左边的供电臂，其结果是变压器两个绕组均输出相同的有功功率，实现供电臂有功功率平衡，并且供电臂的无功功率由两个四象限变流器提供，最终实现两个供电臂电压和相位的相同，取消变电所出口分相。

（3）组合式同相供电方案。在现有同相供电系统的基础上加以改善后提出的组合式同相供电系统，能够实现补偿装置容量最小化、技术经济最优化的目标，因此对组合式同相供电设计方法进行研究有着更为实际的意义。①单相组合式同相供电。单相组合式同相供电原理是由牵引变压器TT和高压匹配变压器HMT构成不等边的Scott变压器，即一种供电容量不等，电压相位垂直幅值相等的特殊类型的平衡变压器。当单相组合式同相供电系统正常运行时，单相变压器和交直交装置一同给牵引网负荷供电，其中牵引变压器承担主要的供电任务，交直交装置承担次要的供电任务，即牵引负荷的计算容量为牵引变压器计算容量与交直交装置的计算容量之和。交直交装置的计算容量由引起三相电压不平衡度超标部分的牵引负荷容量确定。②单三相组合式同相供电。对于现有电气化铁路的改造和原边需要大电流接地的情况来说，单三相组合式同相供电系统更加满足铁路设计需求。组合式同相供电技术是新一代牵引供电系统的最关键技术之一，它不仅可用于铁路的新线建设，也方便于我国高速铁路、重载铁路广泛采用的单相接线（型）牵引变电所的同相供电改造与升级，具有良好的适用性。比较单相组合式同相供电与单三相组合式同相供电可见，组合式同相供电方案省却了一级匹配变压器，这不仅节约成本，减少占地，还可提高系统效率。新发展起来的MMC（modularmultileveconverter）技术可以使交直交变流器直挂于牵引母线，则可进一步省却牵引匹配变压器。

（4）双边供电技术。双边供电就是用分区所SPk中的断路器将相邻的牵引网TNk和TNk+1联通，相邻的牵引变电所SSk和SSk+1对TNk和TNk+1构成双边供电。新的双边供电方案是在SSk的牵引馈线串接电抗器Lk，在SSk+1的牵引馈线串接电抗器Lk+1，SSk用单相牵引变压器TTk，SSk+1用单相牵引变压器TTk+1，分别在公共连接点PCCk和PCCk+1处接入电力系统输电线ABC。电力系统与牵引变电所的电气联结方式称为外部供电方式，它取决于电力系统结构以及其与牵引变电所的相对位置等因素。一般说来，有环形单回路、环形双回路、单电源双回路、放射式等方式[2]。

3结束语

针对电气化铁路牵引供电系统存在的大量负序、谐波、无功等电能质量问题，本文介绍了传统同相供电技术方案及其局限性，介绍了有源补偿设备容量最优化的组合式同相供电技术方案，最后提出了新型双边供电技术方案，为同相供电的理论研究和实际应用提供了参考。

参考文献

[1] 肖刚.基于MMC的同相供电实验系统研究[D].成都：西南交通大学，2016.

[2] 胡家喜，周方圆.电气化铁路列车过分相技术现状及发展[J].机车电传动，2019，（3）：1-5.