铁道电气化技术常见问题及解决对策

中铁十二局集团电气化工程有限公司 张 勇

1.什么是铁道电气化技术以及我国应用电气化铁道的情况

铁道电气化技术主要是对铁道电气化设备进行维护管理以及应用开发，以适应电气化铁路供电系统及其装置的设计、运输与施工技术管理。我国应用铁道电气化技术至今已经有四十年的历史，我国电气化铁路目前采用的是工频单相交流电力牵引制，将国家电力系统输送的电能以电能牵引供电设备变换为适合电力机车使用的形式，所以电气化铁路的两大主要装备就是牵引供电设备和电力机车，铁路上的基础设施和其他装备都是为了配合这两种设备的使用。牵引供电系统就是把电力系统的电能传送给电力机车的电力装置，又名电气化铁路的供电系统，两大组成部分是牵引变电所和接触网。牵引变电所的任务是将电力系统三相电压降低，将电力系统输电线路电压从110kV（或220kV）降到27.5kV，同时以单相方式馈出将电能送至接触网，降低电压是由牵引变压器来实现的，它是牵引变电所的“心脏”；接触网是沿铁路沿线架设的特殊电力线路，电力机车升弓后便可通过与之滑动摩擦接触而取得电能，用以牵引列车。

在供电方式上我国均采用单边供电方式，主要包括直接供电方式简称TR供电方式，目前有BT、AT和DN供电方式；吸流变压器（BT）供电方式；自耦变压器（AT）供电方式；直供+回流（DN）供电方式。在复线区段还可以提高末端网压，将上下行接触网通过分区亭联接，实现“并联供电”，如果牵引变电所发生故障，相邻变电所还可进行“越区供电”，我国的电气化铁路多数采用可控硅整流器电力机车，这种机车不但结构简单、牵引性能好、运行可靠、维修方便，而且各项经济技术指标较高。目前，国产主型电力机车为SS（韶山）型，SS1、3、4、6、6B、7和7B型均为客货两用型，近年来随着列车提速和高速铁路的发展，研制开发了SS7C、7D、7E、SS8和SS9型客运电力机车，以及DJ型（交—直—交）客运电力机车。此外，我国还先后引进过法（6Y、6G、8K）、日（6K）、德（DJ1）和前苏联（8G）等国的电力机车。

2.铁道电气化技术常见的问题

2.1 电分相方面

(1)由于我国列车速度大幅提高，因此在电气化铁路普遍采用的是锚段关节式电分相，而不是传统的器件式电分相，关节式电分相的绝缘锚段分为三跨、四跨和五跨三种形式，由于每个关节跨距的长短不一样，因此用来衔接两个关节的布置也不相同，关节式电分相也包括了五跨、七跨、八跨等等多种形式，关节式电分相的共同特点就是组成部分都是两个绝缘锚段关节和一段接触网中性区，电气绝缘的实现条件是在空气绝缘间隙实现的，因此列车在运行到关节式电分相的时候，乘务员就必须要将机车主断路器断、合电操作以及将其他受电弓下降，在高速列车运行中需反复操作，这样会加强乘务员的劳动强度，一旦遗忘或疏忽，就会造成接触网相间短路，形成供电事故，运输中断。

(2)在机车高速运行的过程中，升降受电弓会对接触网的安全运行造成威胁，发达国家以增加高速机车的中性区长度来解决这个问题，整列电动车组两手电弓的距离小于允许多弓运行的最小距离。但我国由于路网不发达，客货混运、高低速列车混跑的情况并不少见，如果采用较长的电分相中性区，会同时影响高低速列车的运行速度，而且，即使采用较长的电分相中性区，有时也会发生电力机车停在分相无电区的情况。

2.2 供电方式方面

(1)我国应用最广泛的供电模式是自耦变压器(AT)供电模式，受列车运行位置影响，为了降低绝缘标准，从55kV降低到27.5kV，这种供电模式虽然省却了一套设备容量，却失去了牵引网的供电能力和防护干扰能力。AT模式的导线截面相同而且边界为最大载流，假设日本模式供电能力为1，直供方式为0.5，而AT模式则介于二者之间，一个供电臂中的AT段越少，供电能力损失越显著。

(2)当发生接触网T与负馈线F短路，如果牵引变电所出口的接触网断路器与负馈线断路器也是联动的而不是同时跳开，在短时间内，先跳开的断路器就会承受55kV电压。如果另一个出口断路器拒动，那么，另一个断路器就会长时间的承受55kV电压。而且为了适应AT模式的轨一地接线要求，牵引变压器次边不但需要引出中间抽头，而且两组绕组还需要进行特殊设计和容量优化，设计制造难度和造价都增加了。

2.3 牵引供电系统方面

(1)由于变压器、牵引电机以及电力电子器件的非线性和非线性调节，同时电力机车的基波电流滞留后电压一定的角度，因此机车的电流中有大量的谐波成分，这些谐波在三相供电系统中不对称分布，时间性和随机性很强，导致了无功功率和谐波电流的存在，使得变压器、电力线路以及旋转电机的附加损耗加大，引起局部过热，金属疲劳和机械损坏，缩短设备的使用寿命，在串联和并联谐波比例比较高的牵引变电站附近发生电网和电容器组的并联谐振，造成电容器组的损坏，使得继电器出现频繁发动，误动、拒动等现象，为了弥补无功功率对电力系统的损失，铁道部门每年都要支付大量的额外费用给电力部门。

(2)牵引变电所采用单向联接、单相V形联接和Y，d-11这三种基本接线方式时，会在三相电力系统产生负序电流，除了会产生无功功率，还会降低变压器的额定输出功率，运行效率低，引起旋转电机的附加发热和振动，对安全运行造成危害，而且负序电流流过电力系统时，不仅占用输电系统的容量，还会造成电能损失，电气化铁道产生的大量负序侵入时会导致以负序电流或负序电压为动作条件的继电保护装置的误动作，引起供电中断。

3.铁道电气化技术常见问题解决方案

3.1 电分相问题的解决方案

通过研究法国、日本德国的电气化铁路运行，我们可以知道四跨、五跨绝缘锚段关节都可以满足列车的高速运行，因此要在200m的范围内布置三个绝缘锚段关节，跨距长度为31m，采用四跨绝缘关节，4#，6#支柱采用两根支柱，锚段关节隔断绝缘子采用直径小的有机绝缘子，移至跨中距定位点10m处，将5#支柱处的锚段设计成小锚段，做成硬锚，在电分相区域以外的锚段另一端安装补偿装置，采用三跨绝缘锚段关节方式布置，转化跨长度大于45m以保证受电弓高速取流的稳定，控制转化跨距内接触线的坡度。

3.2 供电方式问题的解决方案

对接触网设置加强导线提高供电能力。当一个供电臂中的AT段较少时，为了避免AT供电方式结构复杂的固有缺点，可以适当考虑采取直供+加强线或直供+加强线+回流线方式，也可以利用新提出的AT供电模式，牵引变电所内不设AT，把AT布置在线路上，从而简化系统，节约投资，牵引变压器也不需中间抽头，可很大程度简化牵引变压器的制造难度，同时，省去了牵引变电所的轨一地回流线布置，增加供电能力，延长供电臂，减少电分相数目。出于安全考虑，出口断路器绝缘仍应采用55kV的电压绝缘等级设计。断路器断口电压问题也可以得到很好地避免。开关的绝缘等级更高，但工作电流比AT模式小，在相同的供电能力下，新模式要求牵引变电所的母线、馈线的导线截面更小，有助于省掉设置于大运量线路首个AT段的加强线，更有利于接触网悬挂的轻型化。

3.3 牵引供电系统问题解决方案

(1)改善机车的性能，尽量减少谐波，配备用来校正功率因数的装置，在“交-直-交”和“交-直”机车上是机车的输入电流的基波与电压同相位，在牵引变电所采用同相供电系统与对称补偿技术或同相贯通供电技术对机车产生的谐波电流和无功功率就近补偿，也可以采用SVC和APF补偿。SVC是解决电铁负序补偿.并兼顾滤除高次谐波的理想方式。不仅可以改善电气化铁道对电网综合电能质量的影响。提高电气化铁道本身的供电质量，还能获得经济效益。同时为了整体减轻进入电力系统的负序分量，各种接线的牵引变电所应轮换接入电力系统的不同相。还可在电力系统变电站安装承受负序电流的能力大、负序阻抗较低且防震性能良好的特殊的同期调相机。

(2)牵引变电所采用220kV高电压大容量的电源对机车供电，提高电网的供电能力，缓解三相电压不平衡即负序电流问题。采用阻抗匹配平衡变压器、斯科特变压器等三相-两相平衡牵引变压器，国内比较常用的是Scott接线、三相V/V接线牵引变压器(AT供电方式)。也可以采用相序轮换技术来实现牵引供电系统公共接入点的三相平衡，虽然可以降低整个系统的不对称系数，但这种技术会增加机车操作的复杂性，增加了安全隐患，给列车运行带来负面影响。

(3)科学铺画列车运行图，合理安排列车运行方式，采用综合天窗，使日单相负载均衡分配在电气化铁道沿线。

4.结束语

本文通过结合个人在工作中的实际，针对铁道电气化技术中电分相、供电方式以及牵引供电系统中存在的问题加以分析和研究，从而得出解决对策，为实际工作中这些问题的解决提出解决途径，促进我国铁道电气化技术的发展。

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