周志成，刘童童，刘雪晴

（1 神华包神铁路集团，内蒙古包头 014014；2 西南交通大学 电气工程学院，成都 611756）

随着铁路运输速度越来越快、运输需求功率越来越高，我国现行单相工频电气化铁路牵引供电技术在实现列车高速与重载电力牵引时，存在以下几个突出问题［1-3］：

（1）过分相时存在必不可少的机电转化过程，会造成列车牵引力减小和速度下降。

（2）自动过分相装置动作频繁、寿命短、可靠性低。

（3）在高速、重载铁路中因牵引功率的增大会使得负序问题更加严重。

（4）重载铁路线路发车间隔较大，制动能量不能被相邻机车及时利用，造成制动能量利用率较低。

为解决上述问题，最好的方法就是减少电分相数目，延长供电臂距离。李群湛教授提出的同相供电技术［4］，眉山牵引变电所、山西中南部通道沙浴牵引变电所以及温州市域铁路S1 线成功应用，效果显著，不仅可取消牵引变电所出口处电分相，且能使系统功率因数达0.95 以上，提高系统供电能力，其中组合式同相供电方案更加经济灵活。实现长距离供电可以采用无功补偿、减小牵引网阻抗等方法，具体技术包括并联加强导线、装设无功补偿装置、AT 供电等。

文中采用无功补偿和同相供电技术相结合的方法实现既有线路长距离供电改造。相较于固定电容补偿，动态无功补偿能够跟踪牵引负荷的变化，在重负荷情况下容量利用率较高［5-7］，是未来的发展趋势。动态无功补偿装置包括静止无功补偿器SVC、静止无功发生器SVG 等，组合式同相供电与传统的同相供电方式相比优势明显［8-9］：牵引变压器与同相补偿装置在结构上相互独立，互不影响，容量配置上也不相互制约，并且当补偿装置退出时不影响系统中的正常供电，既满足国标限值又能保证同相补偿装置容量最小，可减少系统投资，经济性良好。

文中所提的既有电气化铁路长距离供电改造方案，在牵引变电所内设置SVG 和组合式同相供电装置，将牵引变压器设置或改造为单相变压器，并实现贯通式供电。电气化铁路长距离供电改造后，可以提高线路的供电能力，提高再生制动能量利用率，提高变压器负载率，并解决过分相带来的各种问题。

1 既有线改造方案

随着动态无功补偿技术和同相供电技术的发展和成熟，提出一种既有电气化铁路长距离供电改造方案：在牵引变电所内设置SVG，延长供电距离，减少牵引变电所数量；将牵引变压器设置或者改造为单相变压器TT，与同相补偿装置CPD 共同构成组合式同相供电方案，如图1 所示；取消牵引变电所出口处的电分相，在分区所设置开关，且开关闭合，实现全线的贯通。

图1 单相组合式同相供电方案示意图

以国内某重载铁路为例，介绍具体的实施方案。全线原有4 个牵引变电所，牵引变电所内设置Vv 接线变压器，牵引变电所接至不同的外部电源。改造后牵引供电系统如图2 所示。

图2 长距离供电改造方案系统结构图

具体改造内容包括：全线牵引所内均设置SVG 进行无功补偿，延长供电臂距离，中间2 个牵引变电所Ts2、Ts3 进行全线的供电，其余牵引变电所退出运行，可作为备用（备用牵引所的SVG 是否投入运行由线路负荷情况决定）；取牵引变电所内Vv 接线变压器中容量较大的绕组作为单相变压器，并进一步改造为单相组合式同相供电装置，取消全线电分相，在分区所sp1、sp2、sp3 装设开关，正常工况下开关闭合，实现全线贯通式供电；对牵引变电所的外部电源接线进行改造，使2 个牵引变电所接至同1 个外部电源S1 或S2，避免出现均衡电流。

在系统运行过程中，可能会出现牵引变电所解列情况，以Ts2 解列为例，此时仅保留Ts3 进行全线供电，Ts1、Ts2、Ts3、Ts4 的SVG 均投入运行，解列后的牵引供电系统如图3 所示。

图3 Ts2 解列后的牵引供电系统图

经仿真分析，对于重载线路，可能在供电臂末端出现网压越限问题，此时应减负荷运行，且应优先切除Ts3 左供电臂上的负荷，以保证电力机车正常运行。

2 牵引供电系统建模及潮流计算

电气化铁道交流牵引供电系统的研究已日趋成熟，牵引供电系统元件的建模与算法改进等在大量文献中均有详细介绍［10-12］，文中针对上述所提长距离供电改造方案，主要探讨当牵引变电所处设置SVG 和组合式同相供电装置后，次边端口电压降的计算模型。

考虑SVG 的实际容量和所需无功补偿的容量，经计算可得补偿后的负荷电流。根据该负荷电流的大小，考虑经济性原则，选择合适的补偿策略，由此可知单相组合式同相供电装置可提供的补偿电流，继而可知单相组合式同相供电装置中牵引变压器和同相补偿装置的端口电流。

次边端口的电压降落应包括2 部分：一部分为原边三相电力系统侧输电线路的电压损耗，负荷电流均会在原边产生电压损耗；另一部分为单相牵引变压器漏抗的电压损耗，此处只有流经单相牵引变压器支路的电流产生电压损耗。

2.1 一次供电系统产生的电压降落

当不考虑谐波电流时，牵引负荷电流iL（t）为式（1）：

式中：IL为负荷电流的有效值；ϕ为负荷电流的相位；ω=2πf，f为频率，Hz。

将该电流进行分解，可得基波有功电流ILp和基波无功电流ILq，式（1）可表示为式（2）：

SVG 可以根据负载的特点，动态调节输出无功功率的大小，无论牵引负荷从外部电源获取能量的方式如何，SVG 输出的无功补偿电流ip（t）为式（3）［13］：

式中：I′Lp为考虑SVG 补偿装置容量后的SVG 输出无功电流有效值，I′Lp=mILq（m<1）。

则经过补偿后的负荷电流i′L(t) 为式（4）、式（5）：

式 中：i′Lp(t)、i′Lq(t)为 经 过SVG 补 偿 后 的 有 功 电 流和无功电流。同理，设负序补偿度为KN，无功补偿度为，如图1 所示，次边α 端口的电压为Uα，β端口的电压为Uβ，且两端口电压之间满足的关系为Uβ=nUα（n<1），当考虑负序和无功补偿度时，同相补偿装置端口的补偿电流为式（6）［15］：

设α 端口的接线角为ψ，由以上各式，可得式（8）：

在文中所提的既有线改造方案中，采用单相组合式同相供电系统，单相牵引变压器与高压匹配变压器构成了类Scott 接线变压器，根据原次边电压电流变换关系，可得式（9）：

式 中：IABC为 原 边 三 相 电 流 矩 阵 的 向 量；Iαβ为 类Scott 接线变压器端口输出电流的向量；M′为类Scott 接线变压器的电流变换矩阵。

一次供电系统的三相阻抗矩阵记为ZS，则原边三相电压UABC可表示为式（10）：

牵引变压器选用单相变压器，取线电压UBC=UB-UC，并将该电压折算至变压器的二次侧，可得在采用单相组合式同相供电系统结构时，一次供电系统在牵引变压器二次侧产生的电压降Ubc可表示为式（11）：

式中：k为单相变压器的变比。

2.2 牵引变压器支路产生的电压降落

由以上分析可知，加入同相补偿装置后，馈线电压U′为式（15）：

式中：UN为馈线额定电压，kV。

3 改造方案分析

以上述既有重载铁路为例，进行算例分析。全线长约130 km，设有车站5 座，采用直供带回流供电方式。改造前，全线共有4 个牵引变电所，各个牵引变电所的具体参数见表1。

表1 传统供电方案牵引变电所设置

改造后，全线有2 个牵引变电所参与供电，且设置组合式同相供电装置和SVG，具体参数见表2。

表2 长距离供电改造方案牵引变电所设置

该线路为运煤线路，上行满载去，下行空载回，车辆为交流电力机车，功率因数设置为0.98，发车间隔为1 h，运行图如图4 所示。

图4 发车间隔1 h 运行图

在以上条件设置下，进行负荷过程仿真，仿真结果见表3。

表3 仿真结果统计

通过仿真结果，可得经过长距离供电改造后，在满足线路供电能力的基础上，所需牵引变电所的数量减少，牵引变压器的容量能够得到更合理的利用，再生制动能量利用率也有明显的提高，贯通式供电还解决了列车过分相时的各种问题。同时在该方案中，组合式同相供电装置的投资费用为600 万元/台，SVG 的投资费用约为300 万元/台，改造后两所总的投资费用为1800 万元，参考某牵引变电所的电费为0.75 元/kW⋅h，则每年制动能量利用可以节省的电费为267.8 万元，经计算，该改造方案的回收年为6.7 a，小于铁路行业基准投资回收期16.7 a，经济性良好。

4 结 论

文中提出一种既有电气化铁路长距离供电改造方案，在牵引变电所内设置SVG 和组合式同相供电装置，将牵引变压器设置或者改造为单相变压器，取消牵引变电所出口处的电分相，实现全线的贯通式供电。

文中对牵引变电所设置SVG 和组合式同相供电装置后母线电压的求解进行了探讨，并在牵引供电系统建模和连续性潮流计算的基础上，结合工程实际进行负荷过程仿真。通过对既有电气化铁路改造前后的各项指标比较，可得长距离供电改造后，平均功率因数和负载率都得到提高，制动能量利用率大幅度增加，同时线路能耗减小。