铁路电力供电系统关键技术研究

陈永涛

（保定朝雄电气化电力器材有限公司，河北 保定 071806）

近年来，随着我国铁路建设的快速发展，铁路企业内部也在积极地推动和合理地安排铁路电力系统的运输计划。在此基础上，提出了铁路供电部门要充分认识铁路供电的重要意义，积极发展自身的运输功能，多角度确保铁路供电安全、稳定、高效运行。一般来说，铁路供配电系统包括外部供电、配电和高压输电，为了提高高速铁路供电系统的管理水平，工作人员积极利用计算机和先进的通信技术对铁路供电系统运行过程进行监控，从而减少铁路供电系统的操作误差。

1 铁路电力供电系统组成及原则特点分析

1.1 系统组成

从结构上看，铁路电力供电系统包括线路上的变配电所、贯通的电力线路、室外照明、电力配线、监控设备等。为了提高铁路供电系统的运行质量和安全性，必须保证以上各子系统之间的协同工作。

近年来，随着智能管理的发展和生产技术自动化程度的提高，铁路供电企业积极将智能与自动化技术相结合，实现了对电力供电系统的全程监控管控。如何运用机电设备监测、火灾自动报警等技术，有效地避免了过去手工操作中出现的错误，提高了电力供电系统的安全和可靠性。

图1 供电组成

1.2 供电原则

针对高速铁路电力供电系统，在确定供电原理时，应从三个方面进行研究和分析：一方面，供电系统应严格遵守客运线路安全可靠供电的概念要求；另一方面，我们将从免维护、小修和实行休班原则等方面，主动改进和完善现有铁路供电系统，确保铁路供电系统稳定可靠运行。同时，从可靠、安全、可靠的理念出发，结合各用电装置的实际需要，对不同等级的供配电系统进行比较和分析。除非是由于不可抗拒的原因或人为的破坏，否则，铁路供电系统的可靠性必须满足24h运行的要求，包括天窗的维护时间。此外，必须严格遵守铁路供电标准模块化、标准化的原则，尽可能地降低维护和维护费用。

1.3 供电特点

根据运营经验，铁路供电系统具有以下供电特点：

（1）铁道供电系统的电压水平比较低，变电站结构比较单一。就国内大部分高速铁路的运营工作来说，在电压等级上都是要求比较低的，从实际出发，从电力系统的使用标准来看，高速铁路的电力系统主要是10kV和35kV。同时，由于其结构特点比较单一，对电力负荷的要求也比较低。

（2）线路电源系统的接线方式比较简单。有别于其他电力供电系统，在线路的接线方式上，它是一种典型的辐射型电网。其中，铁路变电站应沿线路方向合理布置。并根据科学合理的接线方法，在以往经验的基础上，确保其连续供电，这种模式的接线形式可以分成两类：孤线和贯通线。通常情况下，在线路上的线路能够使各变电站间的线路达到高效的衔接，为线路的安全运行提供可靠的供电保障。

（3）在可靠性和安全的需求上，铁道电力供电系统的性能更好。从客观上讲，铁路网是以铁路为基础的网络，负责发电、运输、客运和其他能源供应功能。它的主要目的是提供电力尽管线路供电方式比较简单，但其供电中断时间通常不能超过150s。一旦超出此限度，将会危及高速铁路的安全运营。

2 铁路电力供电系统关键技术分析

2.1 配电自动化控制形式

2.1.1 分布控制

分布式控制模式是电力系统的一个重要组成部分，它把传统的电力系统的综合保护和电力系统的电气保护转换成了配电自动化，从而保证了电力系统的数据采集和通信监测能够达到统一的发展目的。由于配电网自动化终端具备故障诊断和隔离的作用，使得整个电力系统无须经过主站即可进行整体的调整和优化，而且能够在某种程度上对电力系统进行重构。在实际中，可以从电流技术和电压-时间两方面进行分配控制。然而，由于分布控制的作用是重叠的，所以在多个区间的铁路上并不适合。对线路较为简单的电力系统，提出了一种分布式控制系统。

2.1.2 集中控制

集中控制模型是配电系统数据的实时反馈，主基站统一消除这些故障，然后，通过精确的计算和分析建立科学合理的恢复方案，通过实际运行向配电系统提供最终反馈。根据实践经验，中央控制对可靠性和安全性提出了更高的要求，通常需要保证工业系统的高可靠性和安全性能，以保证能够快速地传递信息，并执行相应的指令。这样，就能将故障分离出来，并进行高效的处理。根据过去的经验，中央控制模式在功能上有以下几个特点：（1）配电自动化终端的有关设备可以对整个系统的工作进行监控和分析，并将收集的数据传输给主控中心；（2）将数据上传到主机控制中心根据处理结果进行统一数据处理和正确定位。并根据问题的具体表现提出具体的解决方案，以保证整个系统的运行质量和安全性；（3）主变电站能够实现对电力系统的集中控制和监控，为电力系统的运行质量和安全提供了保证。

2.2 电力贯通电缆线路的电容电流补偿分析

在电力系统的运行中，穿线电缆往往会出现接地电容的问题。如果对地电容问题表现得太过突出，这可能导致电缆导体之间的相互干扰和电缆线路的电容电流问题。例如，可能出现变压器电压过载、重复电弧燃烧和电容器过度运行等问题。如果这些问题太突出，将会对整个铁路供电系统的运行质量造成严重的影响。为了及时解决这个问题，研究者将重点放在了10kV远端输电线路的实际应用上，特别是对电缆线路中电容器的补偿进行了深入的研究和分析。其中，为了保证电力系统的稳定运行，研究人员积极使用补偿电抗器并将其应用于实践。在补偿方面，可通过在变电站内安装动态补偿机构和在直线上分散并联补偿机构来解决。应该指出，从目前国内铁路的实际运行状况来看，主要采用的是后一种方法。另外，为了及时地对电容进行补偿，每隔10km就会安装1台电抗器。从实际应用中的反馈看来，采用以上方法进行处理，基本上能提高电力系统的可靠性和安全性。

2.3 贯通线中性点接地方式的合理选择

根据国内输电线路的实际运行状况，目前主要采用的是架空线路。这是由于架空线路的电缆数量比较少，容量也比较小，因此，在安全和可靠性上有很大的优势。最主要的是，这种线路模式可以在10kV电力系统中不采用中线点接地。但有一点要注意，当高速铁路线路发生单相接地时，这种接线方式将会造成很大的电压，从而危及铁路供电的正常运营。为此，提出了采用中性点接地的方法来提高高速铁路供电的整体可靠性。

2.4 电力贯通线电缆金属护层接地方式

针对电力穿线型电缆的金属护层接地方式，其接地形式可分为单点接地、中心单点直接接地和双端直接接地3种方法。根据目前的实际应用，国内大部分的高速铁路线路都是采用一端单地接地。造成这种情况的主要原因在于，由于高速铁路的输电线路通常都是4km以下的，采用集中的单点接地会增大线路的运行风险。而采用直接接地的方法，既能保证电缆技术的保护，又能降低线路的运行风险。另外，这种模式降低了运营成本和成本，有利于提高高速铁路运输的经济效益。

2.5 电力远动控制系统分析

铁路远程控制在一定程度上保证了铁路供电系统的有效运行。这是由于电力远动系统结合了计算机网络和通信技术，根据铁路供电的实际情况，对10kV配电所和贯通的电力线路进行了全程自动化监控与管理。它与传统的控制方式相比，能够实现对高压、低压、电流等各种参数的监测和管理，并能实现无人值班和对目标的遥控。在电力系统运行中，当存在质量问题时，通过线路故障检测和遥控功能，实现对故障的自动判定和截断。另外，本系统中的调度中心还可以实现与调度人员进行人机互动的功能，从而降低了以前手工作业中出现的错误。

2.6 对于高速铁路牵引变电所中的关键设备分析

高速铁路牵引变电所的关键设备很多，而牵引变压器是其中最重要的一种，目前，国内的高速列车主要采用的是中点拔线和V/x接线。（1）分析了单个V/x接线牵引变压器的使用模式。单个V/x接线牵引变压器由两个单相三绕组组成，都是由左右AT牵引网供电，二次侧绕组的中性电被拉出并接地，使得两个线圈的电压都在±27.5kV以下，然后，再与F母线或者T母线相连，从而形成AT电源，从而省去了牵引变电站的输出端AT。采用单个V/x接线牵引变压器，其优点是容量大、使用简便、接地方式简单，因此，这种牵引变压器在国内的高速铁路施工中得到了广泛的应用。（2）对中点拔出型牵引变压器的使用模式进行了分析。中点拔出式斯科特接线牵引变压器次级端与单个V/x接线牵引变压器在使用上表现出相似之处，均能将二次侧的中性点拉出并达到接地，F母线及T母线则能为其提供±27.5kV的电压。其中，220kV中点拔出型斯科特牵引变压器是杭甬客专上虞北牵引变电站首次应用于世界各地。中点拔出型Scott型牵引变压器是一种非常常见的平衡型变压器，它可以有效地减少牵引电源对外部电网造成的不均衡现象，从而有效地解决了这个问题。

2.7 对于全并联AT供电系统的分析

全并联AT供电系统在高速铁路中得到了广泛的应用，而全并联AT网络是在AT网络的基础上，通过AT连线完成的，上下两条都有一台自耦变压器，也就是说，所有AT所处的中正馈线和所有AT所处的导线都与轨道并联，并且还应该位于变电站的出口处，使得上、下两条馈线都是相同的。由于电网与主馈线的电力表现出某种对称性，因此，在下行、上行两条线路之间的电流分布情况也是十分类似的，因此，全并联AT供电系统的供电性能比单AT供电系统以及复线AT供电系统来说，大大地提高了牵引网的传输线路长度，也相应地减少了线路中的牵引变电站的实际数量，所以，全并联AT供电系统的实际数量，所以，全并联AT供电系统的应用得到了有关人士的重视，将其大范围地应用到我国的高速铁路建设中。

3 铁路电力供电系统可靠性提升要点分析

针对铁路供电系统运行中存在的诸多问题,有关部门必须在以往的规划设计方案中遵循铁路供电系统可靠性运行标准,从多个角度对其进行准确识别与科学预防。同时，积极主动地根据铁路电力供电系统的最新技术发展趋势，提高其运行可靠性。一方面，在高速铁路供电系统中，必须严格按照国家规定的要求，配置相应的设备。同时，为了防止线路运行中存在的隐患，应结合高速铁路的实际情况，选用适当的供电设备来保证其安全使用。在选用有关的电源装置时，员工必须始终把设备的品质作为挑选的准则。积极地结合有关规范的内容，合理地配置和使用辅助设施。应指出，选用的电力系统及其相关设备应具备良好的抗干扰性，以防止由于环境因素和操作条件的影响而发生故障。另外，在高速铁路供电设备的运营和维修工作中，必须充分认识自己在工作中的作用。对高速铁路、供电系统的运行进行全面的监控，避免发生安全事故。在此过程中，有关部门在对铁路供电系统进行维修时，应当根据铁路供电系统的运行数据，对目前的铁路供电系统的运行状况进行动态的掌握。一旦出现故障，应立即进行处理。

4 结语

综上所述，随着社会的发展，人们对快捷的需求与日俱增。这一形势为我国高速铁路建设带来了新的机遇，包括受电弓、外部馈线和车网等关键技术，以充分利用和及时完善牵引供电的核心技术，建立有效的管理体制和机制进行规范，设备管理的规范化和自动化将大大提高铁路设备运行的质量和安全水平，这就是我国高速铁路发展的重要保障。