客运专线AT供电方式的分析探讨

2010-06-20上海铁路局杭州供电段

上海铁道增刊 2010年3期

方伟上海铁路局杭州供电段

铁路从蒸汽机时代发展到内燃机时代，再到电气化时代，纵观铁路发展的历史，实则为铁路机车牵引方式的发展史。随着当今社会对铁路运输能力的需求增加，运行速度的需求提高，环境保护的意识增强，人们对电气化铁路发展给予了越来越高的关注。2008年国务院调整以后的《中长期铁路网规划》中指出，到2020年全国铁路营业里程达到1.2×105km以上，电气化率达到50%，建设客运专线1.6×104km以上。

铁路电气化技术的发展为铁路的提速提供了技术保障，也成为了高速铁路发展的主旋律；它具备运能大、速度快、经济效益好、环境污染少等特点，充分显示了电气化铁路技术的优越性。电气化铁路之所以具备如此多的优点，除了因为它以电能作为机车前进的能源，还有就是电气化铁路的牵引供电方式，因为它直接影响着铁路的牵引功率、运行速度以及环境影响等。因此，选择何种牵引供电方式直接关系到铁路的运输效率。

1 牵引供电方式的类型及特点

目前，电气化铁路的牵引供电方式有以下几种：

直接供电方式（简称TR供电方式）、带回流线的直接供电方式（简称DN供电方式）、自耦变压器供电方式（简称AT供电方式）、吸流变压器供电方式（简称BT供电方式）、同轴电力电缆供电方式（简称CC供电方式）等。

（1）TR供电方式是指牵引变电所通过接触网直接向电力机车供电，回流经钢轨及大地直接返回牵引变电所的供电方式，它的特点是：供电回路构成简单，工程投资、运营成本和维修工作量都少；但对临近通信线路的电磁干扰影响严重，钢轨电位也比其他供电方式高（见图1）。

图1 单线区段牵引供电原理图

图2 复线区段牵引供电原理图

（2）DN供电方式是在接触网同高度的外侧增设了一条回流线（见图2），牵引变电所通过接触网直接向电力机车供电后，牵引电流经回流线、钢轨及大地直接返回牵引变电所的供电方式，它的特点保留了直接供电方式的优点，同时又有了以下改善：

①原来流经轨道、大地的回流，一部分改由架空回流线流回牵引变电所，其方向与接触网中电流方向相反，因此，相当于对邻线通信线路增加了屏蔽效果（见图3）。

②牵引阻抗和轨道电位都有所降低。

图3 直供加回流线供电方式原理图

（3）AT供电方式与BT供电方式相比具有供电电压高、牵引功率大、牵引所间距大、防护效果好等特点，能够满足高速大功率电力机车运行需要（见图4）。

图4 AT供电方式原理图

（4）BT供电方式的特点是在牵引供电系统中加装吸流变压器(约3～4 km安装一台)和回流线的供电方式。这种供电方式由于在接触网同高度的外侧增设了一条回流线，回流线上的电流与接触网上的电流方向相反，因此，减轻了接触网对邻近通信线路的干扰。其供电原理如图5所示。

图5 BT供电方式原理图

（5）CC供电方式是一种新型的供电方式，它的同轴电力电缆沿铁路线路埋设，内部芯线作为供电线与接触网连接，外部导体作为回流线与钢轨连接。每隔5～10 km作一个分段。这种供电方式对邻近的通信线路几乎无干扰，同时电路阻抗小，因而供电距离长。但由于这种供电方式造价高、投资大，目前很少采用。

综上所述，从供电电压、牵引功率、防护效果、建设成本等各方面综合考虑，AT供电方式都展现了其巨大的优越性。因此，在目前电气化铁路尤其是客运专线和城际铁路的建设中，AT供电方式得到了广泛地应用。

2 AT供电方式的原理及应用分析

自耦变压器（Auto Transformer）供电方式，简称AT供电方式。目前，AT供电方式在我国高速铁路中得到了广泛地应用，新建的京津、合武、武广、沿海、沪宁等城际客专线路都采用AT供电方式。

2.1 AT供电网络工作原理

AT供电方式的电路主要包括牵引变电所S、接触悬挂T、轨道R、自耦变压器AT、正馈线AF、保护线PW、电力机车EL等。下面介绍AT供电方式的原理电路图。

如图6所示，T为接触网，R为轨道，F为正馈线，沿供电臂接触网架设。AT1、AT2为自耦变压器，变比为2:1，其一端与接触网连接，另一端与正馈线连接，中点与轨道连接。假设接触网与轨道之间的绕组匝数为w2，正馈线与轨道之间的绕组匝数为w1，故w1=w2。绕组w2（即副边）接负载，电压为U（即27.5kV）；绕组w1电压与绕组w2相同，故电压也为U（即27.5kV）；绕组w1与w2串联（即原边）接入电源，故电压为2U（即2×27.5kV）；因此，AT供电方式在无需提高牵引网设备绝缘水平的情况下，即可将供电电压提高一倍。

此外，当流过电力机车的牵引电流为I时，通过分析可知，流过w1、w2的电流分别为I/2，即从牵引所流到接触网上的电流等于正馈线流回牵引所的电流，都等于I/2；也就是说，在相同地牵引负荷条件下，接触网和正馈线中的电流可以减少一半。同时，由于自耦变压器本身具备阻抗，在并入牵引网后，使得整个牵引网单位阻抗约为BT供电方式牵引网阻抗的1/4，降低了牵引阻抗，从而大大减小了牵引网的电压损失和电能损失。

两台自耦变压器之间的距离一般为10～16 km，但实际的间距按对通信线防干扰及牵引供电的要求计算确定。如沿海铁路客专线浙江段中根据不同地段的要求不同，各AT变压器之间的实际距离也不尽相同，距离最长的两自耦变压器之间，相隔18.3 km；距离最短的两自耦变压器之间，相隔10 km。

图6 AT供电方式原理电路图

2.2 AT牵引供电系统中牵引所亭的介绍

AT牵引供电系统中牵引所亭一般包括了牵引变电所、AT所、分区所以及开闭所，它们在牵引供电系统中起了各自不同的作用（见图7）。

图7 牵引所、亭与接触网示意图

（1）牵引变电所

牵引变电所的功能是将三相220 kV（客运专线一般采用220 kV电力系统供电）高压交流电变换为两个单相27.5 kV的交流电，然后向上、下行两个方向对接触网供电。每个牵引变电所设置四台单相变压器，每组主变采用两台单相变压器外部组合成V/X接线方式。

AT供电方式牵引变电所，按牵引变压器接线形式可分为三相-二相平衡接线、三相十字交叉接线、V,v接线和单相接线；按牵引侧母线电压系统可分为55 kV单相电压系统、2×27.5 kV两相三线电压系统。目前在客运专线AT供电方式中应用最多的是三相V,v接线方式，如新建的合武、沿海、沪宁等客运专线牵引变压器均采用这种接线方式。

牵引变压器三相V,v（或连体式V,x）接线方式的供电原理图如图8所示，它由两台牵引变压器构成，每台副边的两个绕组皆带中点抽头，即每个副边绕组皆为2×27.5 kV两相三线电压系统。两台三相V,v接线牵引变压器中，一台运行，另一台固定备用。运行的这台三相V,v接线牵引变压器，两个原边绕组分别接入三相电力系统的AC相和BC相；两个副边绕组的出线端子a1、1和a2、x2分别接到两组55 kV牵引母线上。两相牵引母线分别通过馈线向变电所两侧供电臂的牵引网供电。亦即运行的三相V,v接线牵引变压器中，两台单相变压器器身各供应变电所的一侧供电臂。两个副边绕组的中点抽头o1，o2分别接到N母线上。N母线与轨道连接，并通过放电器F接地。

图8 三相V,v接线方式

（2）AT 所

AT所有两台自耦变压器同时接在母线上，每台自耦变压器通过双极断路器和双极电动隔离开关接于母线上，一台运行，一台备用。供电臂上、下行之间采用一台断路器和两台电动隔离开关相联。正常运行时，断路器和隔开闭合，实现供电臂上下行并联供电。

当正在运行的自耦变压器故障时，通过断路器跳闸，使故障自耦变压器退出运行，再将另一台自耦变压器投入运行。

（3）分区所

分区所设于两个牵引供电臂之间，可使相邻的接触网供电区段（同一供电臂的上、下行或两相邻变电所的两供电臂）实现并联或单独工作。此外，当相邻变电所出现故障无法向接触网供电时，分区所还具备向相邻区段接触网越区供电的作用。

分区所内设有两组自耦变压器，分别向两侧接触网区段供电；每组分别有两台自耦变压器接于同一个供电臂的母线上，一主一备运行。供电臂上、下行之间采用一台断路器和两台电动隔离开关相联；正常运行时，断路器和隔开闭合，实现供电臂上下行并联供电；

当正在运行的自耦变压器故障时，通过断路器跳闸，使故障自耦变压器退出运行，再将另一台自耦变压器投入运行。两个供电臂之间设有电动隔离开关，可以实现越区供电。

（4）开闭所

开闭所是不进行电压变换而用开关设备实现电路开闭的配电所，一般有两条进线，然后根据需要分多路馈出向枢纽站场接触网各分段供电。进线和出线均经过断路器，以实现接触网各分段的停、送电灵活运行的目的。同时由于断路器对接触网短路故障进行保护，从而可以缩小事故的停电范围。开闭所一般用于站场和枢纽等需多路馈出的地段。

2.3 防护效果及主要影响因素

AT供电方式中由于接触网与正馈线距离相对较近，且其电流大小近似相等，方向相反，两者产生的交变磁场基本上可相互抵消。因此，显著减弱了接触网和正馈线周围空间的交变磁场，大大减小了牵引电流对邻近通信线的电磁干扰。

研究发现，影响AT供电方式防护效果的主要因素有以下几方面：

（1）电力机车运行位置

当电力机车位于AT处时，由于AT存在着很小的阻抗，故在全供电臂内将有部分牵引电流流经轨道、大地返回变电所，所以对邻近通信线存在电磁感应，但由于此电流较小，故影响也很有限，这就是所谓的"长回路"感应影响。"长回路"感应影响的大小与AT的阻抗，以及接触网、正馈线和通信线的相对位置以及轨道的"二次感应"等因素有关。

当电力机车运行于两台AT之间时，产生的牵引电流流入轨道和大地对邻近通信线路的影响，在直线区段基本不产生干扰影响，在曲线区段会产生一定地影响，这个影响称为"短段效应"。

（2）AT漏抗

理论证明，AT漏抗越小，AT将轨道和大地中电流吸至正馈线的效果就越好；反之，就降低了吸流效果。但是，AT漏抗越小其造价也就越高。因此在实际应用中，必须全面考虑技术和经济双重因素。根据实践经验，在工频交流条件下，AT漏抗值取0.45 Ω（归算至27.5 kV侧）时，能够在技术和经济两方面达到相对平衡点。

（3）AT间隔长度

减小AT间距，特别是减小变电所端第一个AT段的长度，可以显著地减小最大区段安培公里值，使防护效果更好。但是AT间距过小，又将增加投资成本。根据实践经验，由于受地形和铁路两旁建筑物等条件的限制，AT间距一般在10~16 km左右。

（4）轨道对地漏泄电阻

该电阻值越大，从轨道漏泄到地中的电流就越小，防护效果就越好；反之，防护效果就降低。

（5）正馈线的阻抗

正馈线中的阻抗与接触网的阻抗愈接近相等，两者中的电流也愈接近，防护效果也就愈好。

3 AT供电方式的优缺点

随着我国高铁建设的稳步推进，AT供电方式的应用也将越来越普遍。

3.1 AT供电方式的优点

AT供电方式在防护效果、牵引功率等方面都有良好的效果，下面以BT供电方式为比较对象来介绍它的优点：

（1）供电电压高。AT供电方式无需提高牵引网的绝缘水平即可将牵引网的电压提高一倍。BT供电方式牵引变电所的输出电压为27.5 kV，而AT供电方式牵引变电所的输出电压为55 kV，线路电流为负载电流的一半，所以线路上的电压损失和电能损失大大减小。

（2）防护效果好。AT供电方式接触悬挂上的电流与正馈线上的电流大小相等，方向相反，其电磁感应相互抵消，防护效果好。并且，由于AT供电的自耦变压器是并联在接触悬挂和正馈线间的，不象BT供电的吸流变压器串联在接触悬挂和回流线之间，因此没有因励磁电流的存在而使原、副边绕组电流不等，以及在短路时吸流变压器铁芯饱和导致防护效果很差等问题。另外也不存在"半段效应"问题。

（3）能适应高速大功率电力机车运行。因AT供电方式的供电电压高、线路电流小、阻抗小(仅为BT供电方式的1/4左右)、输出功率大，使接触网有较好的电压水平，能适应高速大功率电力机车运行的要求。另外，AT供电也不象BT供电那样，在吸流变压器处对接触网进行电分段，当高速大功率电力机车通过时产生电弧，烧坏机车受电弓滑板和接触线，对机车的高速运行和接触网的运营维修极为不利。

（4）牵引变电所间距大、数量少。由于AT供电方式的输送电压高、线路电流小、电压损失和电能损失都小，因此输送功率大，牵引变电所之间的间距可以大大增加，牵引变电所的数量减少，从而建设投资和运营管理费用都会减少。