高速度铁路牵引供电系统适应性关键技术研究

智 慧 林宗良 李 剑 袁 勇 宋梦容

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

1 研究背景

随着京沪、成渝、鲁南等速度350 km/h高速铁路项目的开通运营，我国高速铁路牵引供电系统成套的设计规范和技术标准更加成熟。目前，我国高速铁路牵引供电系统采用2×27.5 kV单边全并联AT供电模式，其特征为牵引变电所内不设置AT，由牵引变压器二次绕组中间抽头与钢轨直接相接，常规供电模式如图1所示。

图1 常规供电模式示意图

常规供电模式满足350 km/h高速动车组连续追踪运行的供电能力需求[1-2]，但随着行车速度和密度的进一步提高，由列车的牵引阻力公式可知，400 km/h高速动车组的功率将增大20%～30%[3-4]。当同型大功率列车连续追踪运行时，牵引网供电臂首端载流能力将出现不足，故本文主要研究满足速度400 km/h及以上高速铁路牵引负荷需求的供电能力的提升优化措施，为列车保持更高速度运行提供技术保障。

2 供电能力提升措施

为满足牵引网供电臂首端载流能力的需求，主要研究均衡牵引网内上下行供电臂、相邻牵引变电所间供电臂之间电流分布的两种供电方式[5-6]。

2.1 供电臂中增加AT的供电模式

供电臂中增加AT的单边全并联AT供电模式如图2所示。其特征为供电臂内增设AT所，将原先 1个AT段三等分，在1/3处和2/3处分别增设1个AT所，缩短AT段间距，缩短列车在首端AT 段中的运行时间。全并联供电还可在上行供电臂间均衡电流，有效地提高供电系统的供电能力，

图2 供电臂中增加AT 的AT供电模式示意图

当机车运行在任意AT段时，牵引网的电流分布如图3所示。

图3 供电臂中增加AT的单边全并联AT供电牵引网电流分布图

假设AT为理想变压器，且上下行在每个AT所进行了并联。根据回路方程，当认为接触网与正馈线自阻抗近似相等时，简化的列车在AT段中的电流量值为：

(1)

根据以上分析，当线路上仅有一列动车组运行时，仿真得到牵引变电所出口处各导线的电流分配比例系数曲线如图4所示。

图4 供电臂中增加AT的单边全并联AT供电牵引变电所出口处各导线电流分配比例系数曲线图(单机运行)

当线路上同时存在两列新型动车组追踪运行时(考虑运行速度为400 km/h，追踪运行间隔为4 min)，绘制出牵引变电所出口处各导线的电流分配比例系数曲线如图5所示。

图5 供电臂中增加AT的单边全并联AT供电牵引变电所出口处各导线电流分配比例系数曲线图(追踪运行)

2.2 双边AT供电模式

双边全并联AT供电模式如图6所示。其特征在于通过牵引变压器二次绕组中间抽头，将牵引变压器出口的55 kV电压输送至2×27.5 kV 的T和F绕组，并在相邻两供电臂的分区所处实施双边供电。

图6 双边AT供电模式示意图

采用双边AT供电模式，机车在供电臂内的每个AT段中均具有相同的电流分布规律，因此，对机车运行在任意AT段时牵引网的电流分布进行分析即可，牵引网的电流分布如图7所示。

图7 双边全并联AT供电牵引网电流分布图

假设AT为理想变压器，且上下行在每个AT所进行了并联，则负荷点之前各AT段的上下行T线和F线电流大小相等，方向相反，且满足左右两侧T线电流之和与F线电流之和的差等于机车电流。根据回路方程，当认为接触网与正馈线自阻抗近似相等时，简化的列车在AT段中的电流量值为：

(2)

根据以上分析，当线路上仅有一列动车组运行时，仿真得到牵引变电所出口处各导线的电流分配比例系数曲线，如图8、图9所示。

图8 双边全并联AT供电牵引变电所A侧各导线电流分配比例系数曲线图(单机运行)

图9 双边全并联AT供电牵引变电所B侧各导线电流分配比例系数曲线图(单机运行)

当线路上同时存在两列新型动车组追踪运行时，牵引变电所A、B两侧出口处各导线的电流分配比例系数曲线如图10、图11所示。

图10 双边全并联AT供电牵引变电所A侧各导线电流分配比例系数曲线图(追踪运行)

图11 双边全并联AT供电牵引变电所B侧各导线电流分配比例系数曲线图(追踪运行)

2.3 仿真分析

基于牵引网潮流计算原理，构建高速铁路牵引供电系统计算模型[7-8]，针对不同的网络拓扑结构，建模分析其供电能力需求(主要是牵引网电流分布)，并采用专业技术软件仿真验证其牵引供电系统能力。

以成渝中线拟建的某牵引变电所右臂为例进行仿真(新型动车组以400 km/h速度追踪运行，双边供电时与相邻牵引变电所左臂贯通)，在上坡方向，常规AT供电模式、供电臂中增加AT的AT供电模式以及双边AT供电模式下，牵引变电所供电臂电流的对比如图12、图13所示，不同供电模式下牵引变电所供电臂电流的结果统计如表1所示。

图12 不同供电模式下牵引变电所供电臂电流T线电流对比图

图13 不同供电模式下牵引变电所供电臂电流 F线电流对比图

从图11、图12及表1可以看出，采用常规AT供电模式时，牵引变电所供电臂首端的接触网载流能力(20 min有效电流)在400 km/h运行时的最大需求为911 A，而现行设计中牵引网采用JTMH120+CTMH150导线组合的持续载流量为899 A，故需采取加强措施。采用供电臂中增加AT 的AT供电模式可将需求降低至862 A，采用双边AT供电模式可将需求降低至755 A，都有明显的改善效果，均可提高牵引供电能力，延长供电臂长度，满足更高行车速度的需求。

表1 不同供电模式牵引变电所供电臂电流统计表(A)

3 牵引供电系统方案

为进一步提高供电能力，实现电能潮流合理调配、再生制动能量利用和能耗综合管理，解决速度 400 km/h高速铁路牵引供电系统的技术难题，以成渝中线高速铁路为依托，拟定优化的牵引供电系统方案。

(1)柔性连续牵引供电系统方案

牵引变电所采用单相变压器，供电臂首端电分相处开关可调整为常闭状态，供电线分束上网，供电臂末端分区所处设置功率融通装置，实现两相邻供电臂间的功率平衡。柔性连续牵引供电系统方案布置如图14所示。

图14 柔性连续牵引供电系统方案示意图

该方案牵引变电所变压器结构简单、可实现左右供电臂同相供电。供电臂首端电分相处开关仅在越区供电时打开，配合供电线分束上网方向，实现不同供电方式的转换，缩小故障范围。但需利用广域保护判断故障方向，还需结合电网潮流分布校核负序等电能质量问题。若负序超标，可在牵引变电所内设置补偿装置。

只要两个牵引变电所的最大需量(即峰值功率)不在同一时刻出现，就可通过两个牵引变电所之间的能量调度，实现功率削峰填谷，即功率融通。

(2)单相变压器双供系统方案

牵引变电所采用单相变压器，取消供电臂首端电分相，牵引变电所从供电范围的供电臂中部上网向两边供电，并合理控制AT 段长度，使连续的两个AT 段同时仅有1列车运行，供电臂末端仍设置分区所。单相变压器双供系统方案布置如图15所示。

图15 单相变压器双供系统方案示意图

此方案牵引变电所变压器结构简单、可实现左右供电臂同相供电。取消了供电臂首端电分相，可保障列车高速运行的需求。利用广域保护判断故障方向，且为保证连续的两个AT 段同时仅有1列车运行，相邻两个AT 段的长度不能超过1个追踪间隔，即牵引变电所的供电范围不能超过2个追踪间隔，可有效减小牵引网的载流量需求。如当动车组以400 km/h的速度4 min追踪运行时，1个追踪间隔约为26 km，若采用常规供电方式，牵引变电所的供电范围需控制在60 km以内；若采用双向供电系统，牵引变电所的供电范围需控制在52 km以内。同时供电范围内列车数少，可有效降低负序等电能质量问题。以成渝中线为例，若采用此供电方案，结合线路方案，全线不需增设牵引变电所，且电分相数量可减少一半，还可取消接触网首端的加强线，方案适应性和经济性良好。

4 结束语

为满足牵引网供电臂首端载流能力的需求，本文主要研究了均衡牵引网内上下行供电臂、相邻牵引变电所间供电臂之间的电流分布的供电方式，提出了在供电臂中增设AT和双边AT的供电模式，并建模仿真其供电能力提升效果；提出了适应400 km/h及以上高速铁路的柔性连续牵引供电系统方案，通过在供电臂末端分区所处设置功率融通装置，实现两相邻供电臂间的功率平衡与能量调度；提出了牵引变电所采用单相变压器、取消供电臂首端电分相的双向供电方案，并分析了其在成渝中线高速铁路工程上的适用性和技术优势。