电气化铁路双边供电技术应用研究

李群湛，王 辉，解绍锋

0 引言

电气化铁路列车负荷为大功率单相负荷，通过牵引供电系统从三相电力系统直接获取电能[1，2]。列车负荷取电时会在三相电力系统中产生负序电流分量和负序电压分量。为降低负序分量对电力系统的不良影响，现行惯常做法是将电气化区段的各牵引变电所的供电臂（单相牵引负荷）轮换接入三相电力系统的不同相别（相电压或线电压），即电气化区段内各牵引变电所馈出不同相别的电能为列车负荷供电。不同相别的牵引网之间需设置电分相，电分相中间设置不带电的中性段，形成无电区。电分相亦简称分相，现行牵引供电系统有两类分相，一类位于变电所出口处，一类位于两相邻变电所之间的分区所处。列车通过电分相的过程称为过分相[3，4]。电分相环节是牵引供电系统中最薄弱的环节之一，不仅成为列车速度和牵引力损失的主要原因，也是限制运输能力的瓶颈[5，6]。

为避免列车带电过分相引发相间短路和拉弧烧损接触网而造成事故，最常用、最直接的方法是使列车断电利用惯性通过电分相。列车过分相存在失电、增加列车运行时间、产生过电压、影响弓网状态、降低供电可靠性等问题。列车的牵引需要电能，而且制动首选电制动，也需要电能，过分相失电不仅影响牵引和运力，也影响制动和安全性。同时，电分相分割了两个供电臂，短供电臂也不利于列车再生电能被同行车经济地吸收、利用。

电分相问题一直是制约电气化铁路发展与运用的瓶颈，尤其对于复杂艰险山区、大坡道、重负荷铁路，电分相的影响因素日益受到各方关注，如何减少甚至取消电分相也备受各方关注。目前，我国高原铁路涉及青藏铁路和川藏铁路，坡道长、大、多，川藏铁路桥隧比极高，客货混跑，过分相失电会使列车掉速，不仅影响运力，还存在趴窝风险，一旦出现停车和列车长时失电，将酿成事故，甚至停电造成制氧机停运，危及乘客生命安全，后果不堪设想。双边供电技术可以进一步取消相邻牵引变电所间分区所的电分相，本文将从系统方案、技术可行性以及供电安全性等方面对双边供电技术的应用进行探讨。

1 电气化铁路双边供电技术

电气化铁路双边供电是指在分区所实现连通供电，列车由原来的单边供电的单个牵引变电所取电，实现从两个相邻的牵引变电所（甚至更远的其他变电所）同时取电的一种供电方式。

将电力系统对牵引变电所的供电方式称为外部电源的供电方式，其包括环形（双侧）单回路、环形（双侧）双回路、单电源（单侧）双回路和放射式（树形）供电。外部电源供电方式的选择与牵引负荷的用电等级和电力系统的分布情况等有关，显然，电气化铁路单边供电的外部电源供电方式对于双边供电仍适用。

实现双边供电应至少满足以下条件[2]：（1）两相邻近牵引变电所需由同一电力系统供电，以确保具有相同的频率；（2）两相邻近牵引变电所牵引端口应同相。

根据外部电源构造的不同，将电气化铁路双边供电分为树形双边供电和平行双边供电两种供电方式。树形双边供电是指2个牵引变电所TS1和TS2之间的分区所连通，TS1和TS2的外部电源均能够追溯至电力系统的同一变电站，即外部电源对铁路构成辐射式供电，如图1所示。图1（a）中TS1和TS2的外部电源均同时来自电力系统变电站S1或S2的同一母线的不同分段；图1（b）中TS1和TS2的外部电源均同时来自电力系统变电站S3的同一母线的不同分段。

图1 树形双边供电示意图

平行双边供电是指2个牵引变电所TS1和TS2之间的分区所连通，TS1和TS2分别取电于电力系统同一输电线，输电线两端通常可追溯到2个变电站S4和S5。图2为一种平行双边供电示意图。

图2 一种平行双边供电示意图

2 电气化铁路双边供电技术可行性分析

相较单边供电，双边供电牵引网的电压损失和电能损失进一步减小，网压水平进一步改善，供电可靠性和再生制动电能利用率进一步提高。目前包括俄罗斯在内的苏联国家电气化铁路主要采用双边供电方式[7]，该方式是一种平行双边供电方式。由于牵引网与电力系统（等效）输电线或母线并联，会在牵引网中增生电流分量，将该电流分量称为均衡电流，对应的潮流分量称为穿越功率。穿越功率的存在会导致电费计量的改变。相较于平行双边供电，采用树形双边供电时，在两牵引变压器变比一致的情形下，均衡电流和穿越功率为0[8]。此时，树形双边供电不需要增加额外措施，即可实现无均衡电流供电。我国部分线路具备形成树形双边供电的线路条件，如神华巴准线的四道柳牵引变电所和纳林川牵引变电所，格库线的东柴山、油砂山、茫崖镇牵引变电所，神华朔黄线的小觉、回舍、灵寿牵引变电所等。

同单边供电方式类似，当负序超标时，双边供电需要考虑负序的治理。对于平行双边供电，2个牵引变电所对应于2个不同的公共连接点（Point of common coupling，PCC），负序治理参照单边供电方式即可，即在每个牵引变电所采用有功型补偿方案，该方案视为一种分布式补偿。有功型补偿方案最典型的就是采用组合式同相供电。组合式同相供电又分为单三相组合式和单相组合式2种，如图3所示，先后被应用于山西中南部通道的沙峪牵引变电所和温州市域铁路S1、S2线等。对于树形双边供电，除采用上述分布式有功补偿外，当外部电源均来自于同一个变电站时，以该变电站的母线为PCC进行负序考核，选择其中的一个变电所进行负序集中补偿，其他变电所采用最简接线主变-单相主变即可，如此安排便于设备维护和管理。负序集中补偿宜采用无功型补偿方案，即由匹配变压器和单相静止无功发生器（Static var generator，SVG）组成的方案，匹配变压器可采用YNd接线和Dd接线等，在匹配变压器的次边相应端口设置SVG对负序进行动态治理，如图4所示。

图3 组合式同相供电方案示意图

图4 无功型补偿方案示意图

实行双边供电后，为了减小牵引网故障范围，提高牵引网故障定位的精度，宜采用牵引网分段保护与状态辨识技术，一个分段示意如图5所示。图中LH为电流互感器，YH为电压互感器，通过采集相应的电流和电压信号，根据相应的判据可以实现更加准确、更小范围内的故障辨识及故障切除，提高供电的可靠性。

图5 分段保护示意图

3 供电安全性及优势分析

双边供电系统由输电线、变压器、开关（断路器、隔离开关）、母线、电机、电抗器、电容器等元件组成。计N为供电系统的独立元件数，“N-1原则”是判定电力系统安全性的一种准则，又称“单一故障安全准则”。按照该准则，供电系统的N个元件中的任一独立元件发生故障而被切除后，应不造成因其他线路过负荷跳闸而导致用户停电，也不破坏系统的稳定性。

树形双边供电的两路高压进线来自同一地区变电站的不同分段母线或两个不同变电站，均属于两路独立电源，满足铁路作为一级负荷的要求，安全性、可靠性可以得到有效保障。平行双边供电的两路高压进线来自两个不同变电站，也属于两路独立电源，满足铁路作为一级负荷的要求，安全性、可靠性可以得到保障。

对于树形双边供电而言，可以进一步实现多个牵引变电所间的双边供电，牵引变电所TS1、TS2、…、TSn构成一个变电所群，该供电方案称为牵引变电所群贯通供电方案[8]。牵引变电所群贯通供电方案如图6所示，采用该方案可以进一步取消线路中的电分相。但需注意的是，随着同一群中变电所数量的增加，外部高压输电线的数量和长度会增加，投资也会增加。从既有铁路和变电所的供电范围来看，通常1个变电所群不超过3座变电所为宜。

图6 牵引变电所群贯通供电方案

以双边供电为特征的变电所群供电方案可以取得更好的技术经济效益。以青藏铁路格尔木至拉萨段（简称格拉段）为例，该线路为国家Ⅰ级单线铁路，线路全长1 136.338 km，其中海拔4 000 m以上地段长度约为960 km。格拉段的线路限坡和牵引负荷均较大，且沿线的自然条件较恶劣，线路中的无电区应尽可能少。全线采用树形变电所群双边供电方案后，与传统供电方案相比，牵引变电所数量减少了20%（6座），且牵引负荷分布更加合理，列车再生能量能够得到充分利用；分相数量由原来的57处减少为8处，可以有效解决坡度大、坡道长、不宜设置分相的突出问题，减少供电设施的运维工作量，提高供电可靠性。

4 结语

本文从系统方案、技术可行性、供电安全性等方面对双边供电技术的应用进行了探讨。根据外部电源的结构，将电气化铁路双边供电分为树形双边供电和平行双边供电，树形双边供电可以实现无均衡电流供电。当外部电源满足时，双边供电优于单边供电，且技术先进可行。以青藏铁路格拉段为例，全线采用树形变电所群双边供电方案后，有效解决了坡度大、坡道长、不宜设置分相的突出问题，减少了供电设施的运营维护工作量，提高了供电的可靠性。

收稿日期：2021-07-07