牵引供电系统贯通供电方案研究

董志杰，杨振龙，马志远，许永坚，张 宇，杨嘉琛

0 引言

我国从20世纪50年代开始采取单相工频供电制式后电气化铁路得到了快速发展[1，2]，目前全国电气化铁路里程已超过10万km，电气化率超过了73%。我国的电气化铁路一直采用单边供电，通过设置电分相将供电臂进行划分，各供电臂之间电气不连通，功率无法在各供电臂之间转移，牵引变电所通过供电臂轮换相序降低对电力系统的负序影响。

为响应“双碳”目标要求，提升清洁能源利用率，应从降低牵引供电系统损耗，提高牵引供电系统能源利用率；降低化石能源在牵引供电系统比例，提高牵引供电系统新能源渗透率；降低再生能向电力系统返送率，提升在牵引供电系统内部消纳率几个方面提出合理方案。通过电分相分割的供电臂难以满足“双碳”目标的要求，急需提出一种新的贯通供电技术方案解决上述问题。

针对上述问题，国内外专家学者开展了大量研究。一方面，贯通同相牵引供电系统可以进一步降低牵引供电系统损耗，提高供电品质[1，2]，主要研究同相供电系统的系统方案[3～5]、潮流计算方法[6]、经济性分析[7]、牵引网谐振特性[8]等，证明了贯通同相供电系统在可用的基础上对于我国铁路的适用性。另一方面，基于牵引负荷波动的强随机性，研究利用电气化铁路再生制动能量[9，10]，主要研究再生电能利用装置设置方案及控制算法等，并可为新能源接入预留接口。本文将针对接触网贯通后对供电品质产生的影响，找出劣化因素，提出一种新的接触网贯通供电技术方案。

1 接触网贯通对供电品质的影响

接触网贯通供电后将在接触网损耗、短路电流、负序、网压、电磁环流、再生能利用、载流能力、新能源消纳、灵活供电等方面有别于目前的以供电臂为单元的供电模式，需要深入分析。

1.1 接触网贯通对牵引供电系统损耗影响

为了分析接触网贯通后对损耗的影响，以2座牵引变电所为例，分析带回流直接供电方式下不同追踪间隔时接触网损耗变化情况，列车速度按照250 km/h，带电电流取500 A，2座牵引变电所之间距离50 km，供电臂长度按照25 km进行分析，结果见表1。

表1 不同追踪间隔下单双边供电接触网损耗对比

从表1中可以看出，双边供电能够降低牵引网损耗，随着追踪间隔加大，双边供电相对于单边供电损耗降低。追踪间隔越大，双边供电损耗降低越明显。

1.2 接触网贯通供电对短路电流影响

接触网贯通供电后，接触网上的短路电流会增大，不仅影响接地安全，也对设备承受短路电流的能力以及制造提出更高要求。图1为3座牵引变电所牵引网贯通运行示意图。按照每座牵引变电所之间距离50 km考虑，3座牵引变电所牵引变压器容量相同，外部电源短路容量相同，表2中数据为不同情况下短路电流数值。

图1 3座牵引变电所接触网贯通示意图

表2 不同工况下短路电流

从表2可以看出，接触网贯通后短路电流增加最少60%以上。短路电流直接影响牵引变电所跨步电压、接地引下线截面、钢轨电位、贯通地线截面，对于既有运行项目将对接地系统产生较大的影响。

1.3 接触网贯通供电对负序影响

我国对三相不平衡度标准有以下规定：若公共连接点连接有多个用户，每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不超过2.6%。对于110 kV电源，短路容量一般为1 000～2 000 MV·A；对于220 kV电源，短路容量一般大于5 000 MV·A。按照正常安装容量校核负序容量，不同短路容量下为了抑制电磁环网影响，从同一个地方变电站允许接入变电所数量见表3。可以看出，负序是制约多所接触网贯通运行的关键因素。

表3 不同短路容量下允许系统接入单相负荷

1.4 接触网贯通供电对接触网压降、载流能力影响

接触网贯通后列车取电将由线路上贯通的多个牵引变电所提供，有别于目前的单边供电模式。以2座牵引变电所为例，列车速度按照250 km/h，带电电流取500 A，2座牵引变电所之间距离按照50 km，供电臂长度按照25 km，带回流直接供电方式不同追踪间隔下接触网网压和载流能力计算结果见表4。

从表4可以看出，相同追踪间隔下，双边供电比单边供电的接触网压降小，能够降低牵引网上的电能损失；从载流需求看，在追踪间隔小于等于一个供电臂时，载流能力没有大的改善，而当追踪间隔大于一个供电臂时则效果明显。

表4 接触网贯通运行对接触网压降、载流能力影响

1.5 接触网贯通对电磁环网电流影响

设计试验验证接触网贯通供电后电磁环网对系统的影响。在2座110 kV变电站分别为2座牵引变电所供电的情况下，2座变电站间亦通过架空输电线路连接，系统主要参数见表5。

表5 电磁环流对牵引供电系统影响的仿真试验参数

接触网贯通运行后需要考虑电磁环网影响。电气化铁路采用单相供电模式，当通过接触网连通电力公司不同变电站后，将产生电磁环网，但又有别于电网自身合环运行时产生的电磁环网，其主要差异为：（1）牵引供电系统27.5 kV侧接触网贯通运行，折算到高压侧110/220 kV的阻抗大，产生的电磁环网电流较小；（2）牵引供电系统为单相牵引模式，无法通过接触网传输三相电能，当电力公司出现N-1模式，潮流不能通过接触网进行转移；（3）通常铁路运营方与电网公司是 2个独立产权单位实体，通过用户侧虽然可以使三相电网与牵引供电系统形成电磁环网，但由于电气化铁路存在再生制动电能，将很难区分返送电力系统是电磁环网电流还是再生制动返送电流，将造成铁路运营方的运营成本增加。

图2和表6体现正常及故障等不同工况下电磁环网电流情况。从表6可以看出，当来自牵引变电所SS1、SS2的电源，即2座电网变电站的出口电压相等时，基本可认为没有电磁环网电流。当电网A、B相出现单相接地短路故障，可在短时间内产

图2 牵引网贯通运行示意图

表6 牵引网贯通运行时电磁环网电流仿真结果

1.6 接触网贯通对再生能利用影响

电气化铁路的牵引变电所电费采用代数和计费方式，且计量方式、效果不受牵引供电系统是否贯通运行的影响。接触网贯通运行仅仅实现了再生制动功率在接触网上贯通传递。2座牵引变电所接触网贯通运行后，再生制动功率传递将会发生改变，工况不同将形成不同的效果。图3和表7中显示不同工况下再生制动能量的消纳效果比较。

表7 不同追踪间隔下剩余再生电能

图3中PA、PB为供电臂上功率。贯通运行工况下，PA1和PB1牵引功率之和大于零，且PB1小于零，SS2牵引变电所没有负荷时，列车产生的再生能量将有一部分自SS2向电力系统返送，降低再生能利用效果。从以上分析可以看出，接触网贯通运行后再生能利用是否提升与各供电臂内列车运行状态相关。图4、图5所示为不同追踪条件下接触网贯通运行前后再生能对比。

图3 两座牵引变电所贯通运行再生制动能量利用示意图

图4 13 min追踪间隔下牵引变电所出口处接触网电流

图5 18min追踪间隔下牵引变电所出口接触网电流

从图4、图5中可以看出，接触网贯通运行后，由于牵引变电所潮流不可控，有的工况下负荷降低，有的工况下负荷加重，再生制动能量同行车之间吸收也不同。对运输密度大的线路，接触网贯通后改善再生能吸收、降低负荷情况不明显。对于潮流不可控情况，存在着很难达到理想应用情况的问题。

1.7 接触网贯通对新能源消纳影响

电气化铁路通常采用单边供电模式，因接触网上电分相隔离了相邻供电臂的电气功率传输，新能源接入牵引供电系统后，由于牵引负荷间歇性、新能源发电间歇性，依靠既有单边供电模式难以快速消纳新能源。此外，由于牵引供电系统与电网系统之间电气连通，如果无法快速消纳新能源，将造成新能源通过牵引系统返送电力系统，因此接触网贯通运行将有利于新能源消纳。同时由于功率需求在贯通接触网上受变电所分布和列车运行位置影响，时间上呈现间歇性，空间上在变电所呈现多源性，幅值上呈现牵引再生交替特性，新能源间歇性负荷接入贯通接触网上，接触网将成为连接新能源与列车负荷需求功率的传输网。由于通过牵引变电所向电力系统返送不计的计费政策，自然潮流分配难以保障新能源与列车负荷需求良好匹配性，因此可控潮流将更有利于新能源消纳，更利于降低运营成本。

1.8 接触网贯通对灵活供电影响

电气化铁路单边供电模式下故障查找和切除技术已经非常成熟，故障影响范围内可快速切除。对于贯通运行接触网，当接触网发生短路故障时，由于双边或多边供电，需要变革保护切除方式，同时切除故障区段，故障影响范围变大。

2 接触网贯通供电拓扑结构

通过上文分析可以看出，接触网贯通运行后对供电品质产生影响，选择合适的接触网贯通技术方案尤为重要。接触网贯通后供电品质需优化内容如表8所示。

表8 贯通供电与单边供电相比需优化的内容

由表8可知，接触网贯通运营方式下，需要在短路电流、电磁环网、负序、再生电能消纳等方面进行优化，并需在此基础上研究新能源消纳方案。可以通过在变电所内加装电力电子设备，解决、优化上述问题。电力电子设备具有以下优势：使系统潮流可控，具有提升再生能利用等功能，能够在空载工况下限制电磁环网电流；接触网故障时限制短路电流；牵引、再生工况下平衡牵引变压器两臂负荷，降低负序；延长供电臂后，还有助于提高再生电能利用率，减少返送电网；直流侧亦可为新能源接入预留接口。

结合电力电子设备优势，提出一种接触网贯通供电拓扑结构，见图6。图中，TP1和TP2可以构成平衡接线降低负序影响，通过 TP2次边连接的交直交变换器可以限制短路电流，抑制电磁环网。27.5 kV电压通过TP1和TP3变压器二次侧串联而成，交直交变换器也可在运行中控制 TP3的输出电压。通过这种结构可以实现不同变电站接入，具有灵活的接入性。

图6 接触网贯通供电系统拓扑结构

针对表8中的供电品质需要优化的结果见表9。

表9 接触网贯通供电拓扑结构供电品质优化结果

3 接触网贯通运行拓扑结构仿真分析

图7为接触网贯通供电电流分布示意图。可以看出，列车电流由相邻的2座牵引变电所共同供电。单线线路情况下，电压与电流关系：

图7 接触网贯通供电电流分布示意图

式中：L为2座牵引变电所间距离，I1和I2为两座牵引所供电电流，R为线路阻抗，U1和U2为变电所出口电压。

从式（1）可以看出，通过控制U1和U2之间电压差可以调节I1和I2的分配关系，即可调节两座牵引变电所SS1、SS2的出力。

将图4（b）中再生电能部分消纳进行潮流控制，其再生能利用率见图8。可以看出，相对于图4（b）贯通运营情况下，返送再生电能已经减少。

图8 调整电压提升再生能利用率

通过以上仿真，验证了通过潮流控制调节再生能潮流，提升了再生能在牵引供电系统内部的利用率。同时调节潮流可以实现潮流在变电所的分配，可以调节不同变电所负荷，降低峰值功率，并降低最大需量。

4 结语

本文分析了接触网贯通供电对接触网载流、损耗、短路电流、电磁环网等供电品质的影响，经过分析确定了接触网贯通供电后在供电品质方面需优化的项目，发现负序改善、电磁环网可控、接触网潮流控制是解决供电品质问题的关键，提出一种规避劣势，保留优势的贯通供电技术方案，并针对再生能利用率进行潮流控制仿真验证，验证了所提方案的可行性和有效性。对于容量配置、潮流控制策略、保护控制问题，将是下一步工程化实施需进一步研究的内容。