同相供电装置及现场安装调试研究

全国军

（中铁十一局集团电务工程有限公司，湖北 武汉 430074）

1 工程概况

温州市域铁路S1线是国内交流供电制式同相供电技术在市域铁路中的首次应用，克服了前期同相供电方案的局限性，有效解决了现有的电气化铁道牵引供电系统以负序为主电能质量问题，以及电分相引起的列车速度和牵引力损失等问题。本项目主要基于温州市域组合式同相供电方案的创新性，把牵引变压器和负序补偿装置在结构上相互独立，在功能上相互组合，根据外部电源和牵引负荷实际，在相关电能质量指标（主要是负序指标）满足国标要求的约束条件下，能实现同相补偿装置容量最小化，从而达到技术经济兼优的目标。

2 同相供电系统研究

2.1 单相组合式供电方案

电力机车为单相负荷，对电力系统造成不平衡。若单相牵引负荷引起的三相不平衡超过了国标规定限值，可采用组合式同相供电技术进行补偿，使三相不平衡达到国标要求。组合式同相供电技术具备控制、保护、监测等功能，有效保证铁路供电系统的安全稳定性。组合式同相供电装置通过高压匹配变压器，与单相牵引变压器进行组合，可分别形成单三相组合式同相供电和单相组合式同相供电两种系统应用方案。经过仿真模拟、数据分析，牵引变电标准、在经济上也是最合理的，因此，组合式同相供电方案在技术经济上均是最优的。如图1所示。

2.2 同相供电系统保护装置

利用MATLAB/SMULINK平台完成组合式同相供电系统建模，分析了同相补偿支路的并联接入对原有系统各部分的保护配置的影响，通过设置交流过流保护、交流过压/欠压保护、过温保护、直流过压/欠压保护、短路保护、模块失电（模块通信故障）保护单元，完成同相所采用单相牵引变压器就是组合式同相供电的最简方式，组合式同相供电方案在技术上满足供电系统的稳定性和可靠性验证。同相项目供电装置电力电子控制原理图如图1所示，同相补偿装置投入前后效果对比如图2所示。

图1 同相项目供电装置电力电子控制原理图

图2 同相补偿装置投入前后效果对比

2.3 同相供电系统补偿装置

为了保证同相供电系统的安全稳定性运行，有效解决电能质量的问题，在同相供电系统中加入了同相补偿装置，基于k/n(G)系统对同相补偿装置不同备用方式可靠性进行了研究，分析了同相补偿装置备用数量与可靠性关系，对在1/2备用方式下牵引变电所内同相补偿装置运行方式进行了分析，如图5所示，基于实测负荷结合变压器温升模型对同相补偿装置运行方式进行了分析，基于牵引负荷特性进行组合式同相供电系统设计，对同相补偿装置运行与备用方式进行优化，经过试验数据分析，如图3所示，最终采用装置级备用的方案能有效提高同相供电装置的整体可靠性。

图3 备用容量比例不同时同相补偿装置可靠度曲线

3 市域铁路单相组合式同相供电系统调试

温州市域同相供电系统提出分步安装，单体调试和组合调试相结合的方式。通过设置不同类型的模拟信号，完成装置的模块化和系统的单体调试。利用在线监测的方式，实时判定同相供电系统输入和输出的有功功率。通过实施监控，可有效保证供电系统的稳定性和可靠性，确保同相供电补偿装置的功能。

4 市域铁路单相组合式同相供电系统实施效果分析

温州市域铁路S1线成功投运后，委托北京交通大学对同相补偿装置运行效果进行了测试。经测试，单相组合式同相供电技术能够取消电分相，消除无电区，消除电力机车(或电动车组)过电分相时失电(暂态过电压和过电流)、失速等对运营的影响，改善列车运行条件，保障行车安全，年均减少列车失电现象12万次，运输提速节约市民出行时间8.3万小时；能够综合治理负序、无功等对电力系统的影响；在两部电价制条件下，降低牵引变压器安装容量，提高牵引变压器容量利用率，节省了基本容量电费；扩大机车再生能量的吸收范围，提高牵引供电系统对再生能量利用率，降低电度电费。经分析，同相供电系统的成功应用，取得了良好的社会、经济效益。

（1）能够解决电铁对电力系统电能质量的影响，电能质量综合治理或同相供电技术能够解决电铁谐波、负序、无功等对电力系统的影响，能够提高电力系统和牵引供电系统的供电可靠性。（2）能够解决牵引变电所出口电分相对运营的影响。同相供电技术能够解决电力机车（或电动车组）过电分相时失电（暂态过电压和过电流）、失速等对运营的影响。（3）能够扩大机车再生能量的吸收范围。不采用同相供电技术时，只能是一个供电臂范围内的机车相互吸收再生能量，吸收不了的电能无偿反馈至电力系统；采用同相供电技术后，可使整个变电所供电范围内的机车能够相互吸收再生能量，相当于吸收再生能量的级车数量扩大了2倍。（4）减少电能再分配过程意味着减少电能线路损耗，实现全局节能和减排的环保功能。（5）由于两部电价制的基本容量减少，节省了基本容量电费。（6）电分相数量减少后，机车过分相次数也相应减少，能够延长车载断路器寿命和车载断路器的检修频率，从而可节省费用。

5 结语

温州市域铁路率先采用组合式同相供电技术，从根本上解决单相工频交流制供电方式带来的不利因素，提高了电力系统电能质量，减少了牵引变电所出口电分相对运营的影响，扩大了机车再生能量的吸收范围，延长了动车组车载断路器寿命，降低了车载断路器的检修技术标准；组合式同相供电技术最大程度上取消或避免电分相，避免列车过分相而造成的弓网事故、坡停事故、列车电气暂态过程、列车速度和牵引力损失问题，优化列车运行条件，改善旅客乘车体验，有利于市域铁路的安全稳定运行。避免牵引负荷对电力系统产生电能质量方面的不良影响，有助于铁路和电力事业和谐共同发展，实现双赢。显著提升我国轨道交通牵引供电技术水平和装备水平，促进我国同相供电及电力电子等配套行业生产制造与应用技术的整体进步。