高速铁路同相供电

高速铁路同相供电西南交通大学电气工程学院高速铁路负荷特性（一）牵引负荷大，可靠性要求高客运专线列车速度高，高峰时段密度大。空气阻力随速度呈几何级数增长，列车牵引力主要克服空气阻力运行，牵引负荷很大。350km/h速度时，列车运行所需功率最高达到24000kW。客运专线速度快，运输能力大，将成为旅客运输的主要交通工具。在国民经济和社会生活中，具有十分重要的作用。高速铁路运输必须确保安全、可靠、正点。（二）列车负载率高，受电时间长列车在运行中，主要克服轮轨磨擦阻力、线路坡道阻力和空气阻力前进。轮轨磨擦阻力、线路坡道阻力与速度关系不大，而空气阻力随速度呈几何级数增长。高速时，空气阻力成为列车运行的主要阻力，列车需要持续从接触网取得电能。所以，高速列车负载率高，受电时间长。（三）短时集中负荷特征明显客运专线具有显著的时段特征。在早、晚时段和节假日的高峰客流期，根据客流量需要，可能组织大编组、高密度运输，甚至在短时形成紧密追踪，牵引负荷集中特征明显。牵引供电系统应具有应对各种集中负荷供电的能力和条件。（四）越区供电能力要求高由于旅客运输能力和准点的需要，牵引供电系统应具有应对各种各样条件下的供电能力。在出现某一牵引变电所解列，退出供电的情况下，往往采用由两相邻牵引变电所越区进行供电。为了尽量减少越区供电对运输能力和准点的影响，应避免过多的限制列车数量或降低列车速度，这样会相应加大两相邻牵引变电所的供电负荷。（五）国外普遍采用高电压、大容量电源供电日本、法国等国家高速铁路建设起步较早，积累了比较丰富的经验。目前，国外高速铁路考虑到牵引负荷大，可靠性要求高，绝大多数都采用220kV或以上的电压供电，个别采用132kV或154kV时，都要求有较大的系统短路容量。日本高速铁路建设最早，在电源问题上曾走过弯路。东海道新干线1964年建设时，限于当时电网的条件，采用了77kV电源供电。上世纪80年代，旅客运输量急增，供电能力严重不满足需要，只得对电源系统进行了改造，改用275kV电源供电，适应了旅客运输的需要，列车速度也提高到了270km/h，最高300km/h。我国客运专线建设刚开始起步，尚没有成熟的经验和标准。国外的经验值得我们研究和参考。世界主要高速铁路国家电铁供电电源电压等级一览表国名序号铁路名称最高速度（km/h）供电方式供电电压（kV）附注日本1东海道新干线300AT275个别牵引站154kV2山阳新干线300AT275个别牵引站154kV3北陆新干线300AT2754东北新干线260AT275个别牵引站154kV5上越新干线275AT275法国1巴黎－里昂300AT2251个牵引站400kV2巴黎－图尔300AT2251个牵引站400kV3巴黎－加莱300AT2251个牵引站400kV4里昂－瓦朗斯300AT2255瓦朗斯－马赛350AT2256巴黎－斯特拉斯堡350AT2251个牵引站400kV西班牙1马德里－塞维利亚250直供2203个牵引站132kV，但短路容量不小于2000MVA2马德里－巴塞罗拉350AT4003个牵引站220kV德国德国高速铁路最高速度330km/h，采用铁路自建电网供电。电铁供电制式为15kV、162/3Hz，采用独特的同相供电方式，牵引站间距约为普通不同相供电方式的1/3，牵引变压器容量一般为2×15MVA。牵引站外部电源采用110kV，系统短路容量不小于1000MVA。电力牵引是实现铁路货运重载和客运高速的必由之路，高速与重载铁路的发展,使原有的电气化铁路供电系统面临一系列的改造。目前我国牵引供电系统主要采用异相(两相)供电方式,为求得相对平衡必然要进行换相,即在牵引供电系统中设置分相绝缘器环节,电力机车受电弓如何平稳地通过电分相环节,采用自动过电分相装置是解决问题的方法之一,但由于装置工作电压高、转换动作频繁,可靠性方面还需进一步完善，这对实现货运重载和客运高速将产生极大制约作用。分相环节成为制约列车运行速度的主要障碍。自动过分相技术研究两相供电方式直接供电方式两相供电方式AT供电方式车载自动过分相地面自动过分相技术当机车从A相电源驶入位置传感器1CG范围，经轨道电路1CG动作，启动、控制真空断路器1ZK闭合，接触网的A相电源被输入到转换区给机车供电；当机车驶入中性段转换区的位置传感器2CG范围，启动控制真空断路器1ZK开断，控制2ZK真空断路器跟随闭合，完成转换区的供电电源由A相，自动转换成B相电源，实现了接触网中性段转换区，不同供电电源的相位自动转换与连续供电。机车在电分相区运行时，机车乘务员不用进行任何地操作。机车继续行驶前进到达3CG位置传感器，操作执行子系统将真空断路器2ZK断开，转换区失去供电电源，恢复为无电区。运行机车始终在机车断路器闭合状况下，实现了带电、带负荷、免操作自动通过电分相区段。（Ａ）电源（Ｂ）电源架线中间断电区轮轨在线检测电路开关断路器（Ａ）「断开」开关断路器（Ｂ）「闭合」※无列车状态地面自动过分相技术（Ａ）电源（Ｂ）电源架线中间断电区轮轨在线检测电路开关断路器（Ａ）「断开」开关断路器（Ｂ）「闭合」※列车靠近（Ａ）电源（Ｂ）电源架线中间断电区轮轨※在线检测开关断路器（Ａ）「断开」开关断路器（Ｂ）「闭合」※进入中间断电区、在线检测（Ａ）电源（Ｂ）电源架线中间断电区轮轨开关断路器（Ａ）「断开」开关断路器（Ｂ）「断开」在线※开关断路器（Ｂ）「断开」（Ａ）电源（Ｂ）电源架线中间断电区轮轨在线开关断路器（Ａ）「闭合」开关断路器（Ｂ）「断开」※开关断路器（Ａ）「闭合」（Ａ）电源（Ｂ）电源架线中间断电区轮轨无列车开关断路器（Ａ）「断开」开关断路器（Ｂ）「断开」※开关断路器（Ａ）「断开」高速与重载铁路运行对供电电网容量的需求更大,对电网的不平衡影响(主要是负序影响)也更大，现有牵引供电系统结构受到极大挑战。在这种情况下,牵引变电所如仍采用现行的两相供电方式和两相无功补偿、滤波方式将难以满足供电部门对电气指标的要求。一相供电无需电分相环节，不会影响列车速度，实现同相供电是取消电分相提高列车最适性的唯一途径。因此借助电力电子技术的同相供电研究十分必要。同相供电德国电气化铁路：非工频电压，采用独立交流系统为铁路供电。铁路供电系统与公用电网相互独立，互不影响。法国电气化铁路：交流、工频电压，但进线电压高、系统容量大，使负序影响降到最低。多采用单相牵引变，分相大为减少。日本电气化铁路：进线电压与我国接近，但使用了三相-两相平衡牵引变压器，还有大量可调无功补偿装置，SVC、SVG等。216Hz3同相供电就是在论及区段上各牵引臂均由同一相电压供电,由分区所处断路器的分、合状态,可以实现单边供电或双边(多边)贯通式供电。采用以对称补偿技术为核心的同相供电系统,有可能最大限度地取消电分相环节,并使牵引变电所负序、功率因数、网压指标得以综合解决或改善。同相供电技术是解决由于目前牵引供电系统本身结构的制约而难以实现货运重载和客运高速这一问题的方案之一。同相供电方式采用对称补偿技术构成的同相供电系统理想供电系统结构原理图牵引变电所结构原理图同相供电技术指标一次侧（110kV或220kV）母线电压不对称度不超过国标规定（正常运行时2%，短时4%）；无功电量按“反送正计”计量，全日计量的平均功率因数不低于0.9；兼顾谐波限制指标，即通过适当的滤波设计尽可能降低牵引负荷的谐波影响。同相供电关键技术对称补偿模式，与电能质量指标最佳配合；牵引变压器接线方式，如减少对称补偿的复杂程度和最大限度地减少对称补偿装置的容量需求等；同一电力系统中实施双边供电或实施灵活双边供电的配套技术等。牵引变压器的接线同相供电中牵引变压器的接线：①YN,d11接线②V,v接线③YN,2d（十字交叉）接线④不等边Scott接线等不等边平衡接线⑤YN,vd接线PRC补偿实现同相供电①YN,d11接线②V,v接线③YN,2d（十字交叉）接线④不等边Scott接线⑤YN,vd接线YN,vd接线（1）原边为Y接，可大电流接地；（2）次边有三角形绕组，可供三次激磁通路；（3）必要时，次边三角形绕组可为牵引变电所提供三相动力电源。次边绕组用铜量高于不等边Scott接线，但比不等边Scott用铁量少，总的材料利用率相近。YN,vd接线在设计与制造上类似普通三相三绕组，无特殊工艺要求，成本降低。有源补偿实现同相供电控制图