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牵引网供电方式电力牵引供电系统电力牵引供电系统（power supply system of electric traction） 从高压电力系统或专用电源经变换供给铁路电力机车及其辅助设备用电的电力网络。按电流制把它分为交流制和直流制两大类。20世纪50年代后，大多数都采用交流制，中国均为交流制。图1是交流电力牵引供电系统示意图。它取电于电力系统（公用电网），由牵引变电所和牵引网组成。牵引网实行单相供电，由馈电线（简称馈线）、接触网、（电力机车）、轨道电路及回流线等组成。为使电能有效、可靠地供给电力机车，牵引网上还安装有分相绝缘器、分段绝缘器等设备，供电系统中还设有分区所、开闭所等。中国规定牵引网额定电压为25kV，额定频率为50Hz。图1 电力牵引供电系统示意图外部供电方式 电力系统与牵引变电所的电气联结方式。它取决于牵引负荷的用电等级和电力系统的分布情况。牵引变电所与电力系统的产权分界点在牵引变电所一次侧进线的门形架处，中国规定电力牵引为一级负荷，牵引变电所应有两路电源供电；当任一路故障时，另一路应能正常供电，其中两路电源可来自不同的地区变电所或同一地区变电所的不同母线或母线分段，以保证一级负荷的供电可靠性。外部供电方式主要有下述主要几种。环形供电 见图2，为电力系统将牵引变电所联成环形网，优点是供电可靠性好，当任一输电线或电源故障时都不影响牵引变电所的正常供电。但因牵引变电所一次侧进出线多及开关多，继电保护复杂，会使成本增加。图2 外部供电方式环形供电双侧供电 电源来自电力系统的两个地区变电所，给铁路供电的输电线是联络这两个地区变电所的道路。根据可靠性的要求及实际情况，双侧供电可分为图3的双路输电线和单路输电线两种类型。但不论哪种类型，各路输电线的容量应不小于相关牵引变电所容量之和。单路输电线方式一次侧进出开关少，投资也少，供电可靠性不及双路方式，但一输电线或一电源分别故障仍不会导致牵引变电所失电。图3 外部供电方式双侧供电单侧供电 由一个地区变电所给数个牵引变电所供电，为保证供电可靠性，应采用双路或同杆双回输电线，并由地区变电所的不同母线或不同母线分段上引入牵引变电所，方式有二，见图4。单侧供电方式的可靠性一般比双侧供电和环形供电方式要差些，投资比环形供电方式和单路输电线双侧供电方式少些。当单侧输电线较长时，为缩小故障范围，可选择适量位置的牵引变电所进线处进行分段，称该处为支柱牵引变电所。图4 外部供电方式单侧供电放射式供电 当各牵引变电所离开电源差不多等距并且比单侧供电更经济时，可采用放射供电方式，见图5。图5 外部供电方式放射式供电中国电网采用最高电压等级环网而其他开网的运行模式。因此，在目前220kV及更高电压等级逐步形成之情况下，当采用110kV电力系统给铁路供电时，就较少采用环形和双侧供电等方式，而多用单侧供电方式或带有备用开关的双侧供电方式和环形供电方式等。另外，实际电力系统的电源与牵引变电所的布局多种多样，对一条电气化铁道来说，外部供电方式也多种多样。牵引供电系统主要组成部分与功用牵引变电所 将电力系统供应的电能转变为适于电力牵引及其供电方式的电能，其核心元件是牵引变压器，并常设有备用。与地区变电所比较，牵引变电所最主要的和绝大多数情况下用于提供牵引用电。牵引网 参见牵引网。分相绝缘器 又称电分相。串在接触网上，目的是把两相不同的供电区分开，并使机车光滑过渡，主要用在牵引变电所出口处和分区所处。分段绝缘器 又称电分段。分为纵向电分段和横向电分段，前者用于线路接触网上，后者用于站场各条接触网之间。通过其上的隔离开关将有关接触网进行电气连通或断开，以保证供电的可靠性、灵活性和缩小停电范围等。电力机车 通过牵引电机及其变换和控制机构，将电能转化为可用机械能，牵引列车运行。参见电力机车。供电分区 正常供电时，由牵引变电所馈线到接触网末端的一段供电线路，也称供电臂。牵引网供电方式牵引网供电方式（power supply schemes of traction network） 牵引网网络结构形式和供电电源连接方式的总称。电气化铁路牵引网是由分布在铁路沿线各牵引变电所分区供电的。图1是一般牵引网分区供电示意图。整个牵引网被分割成若干供电分区，每个牵引变电所负责向该所两侧的供电分区供电。当相邻两供电分区的供电电压相位相同时，可采用“电分段”分段（不带中性嵌入段），当电压相位不同时则需用带中性嵌入段的“电分相”分段。图1 牵引网分区供电示意图T接触网；R钢轨；SS牵引变电所；C电分段；FC电分相；O回流线。牵引网的一个重要技术参数是网络的单位阻抗。它对牵引供电系统多项技术经济指标包括电压损失、电能损失、变电所间距和电气化铁路运营成本等都有重要影响。牵引网供电方式网络结构形式可分为：直接供电方式、吸流变压器（BT）供电方式、自耦变压器（AT）供电方式和同轴电缆（CC）供电方式等。如果按牵引网供电电源分类，则有单边供电，双边供电，复线上、下行环状供电，上、下行全并联供电，纽结供电和上下行不同相供电等方式。直接供电方式 对牵引回流归路不作特别控制，任其自由流经钢轨和大地的一种牵引网供电方式。由于钢轨和大地间没有良好的绝缘，由钢轨泄入地中的回流分量较大，造成接触网和钢轨电流不均衡，对铁路沿线平行接近的架空通信线产生较大的电磁感应干捞（参见直接供电方式）。直接供电方式原理结线见图2。加到接触网上的电压可以是牵引变电所牵引母线的一相，也可以是经单一三相平衡转换后的统一单相电压（参见同相供电方式）。图2 直接供电方式原理结线SS牵引变电所；T接触网；R钢轨；IR轨回流；I牵引电流；Ie地中回流。一般直接供电方式牵引网（按触悬挂当量铜截面为100 mm2）的单位阻抗为0.6/km左右。由牵引母线至机车用电点牵引网总阻抗则为单位阻抗与机车至牵引变电所距离的乘积。吸流变压器（BT）供电方式 一种可显著降低交流牵引网对平行接近架空通信线路危险电压和杂音干扰电动势的供电方式。图3为这种供电方式的原理结线。在牵引网中串联接入一定数量变比为1:1的吸流变压器，其一次绕组串联接入接触网中，二次绕组则串联接在专门架设的“回流线”中，在两相邻吸流变压器间，将回流线与钢轨作一次并联连接，在回流线的首、未两端也分别与钢轨连通。借助吸流变压器一、二次绕组间的互感作用，将直接供电方式时流经钢轨和大地的回流全部吸入回流线中，使接触网和回流线的电流达到完全平衡，减轻了对通信线的电磁感应影响，参见吸流变压器供电方式。图3 BT供电方式原理结线图H回流线；T接触网；R钢轨；SS牵引变电所；BT吸流变压器。BT牵引网阻抗与机车至牵引变电所的长度不是简单的线性关系。随着机车取流位置的不同，牵引网内的电流分布可有很大不同，例如图4中当机车位于供电臂内第一台BT前方（A）时，牵引负荷未通过吸流变压器一次绕组，其二次绕组没有电流流通，因此牵引网按直接供电方式运行，到达B处后，吸流变压器一次绕组有牵引电流流过，牵引回流被迫由钢轨逆行至远离电源侧的吸上线进入回流线，再经吸流变压器二次绕组返回牵引变电所，使牵引网阻抗大增。图4的曲线3是机车由牵引变电所出发在不同位置时的牵引网总阻抗。图中曲线2是BT供电方式长回路牵引网阻抗，即牵引负荷全程流经接触网和回流线时的阻抗，相当于机车位于吸上线处的牵引网阻抗。图4 BT供电方式牵引网阻抗图1直接供电方式牵引网阻抗；2BT供电方式长回路牵引网阻抗；3列车由牵引母线侧运行至末端牵引网阻抗变化。BT牵引网阻抗通常较直接供电方式大50%左右。自耦变压器（AT）供电方式 牵引网以225 kV电压供电，并在网内分散设置自耦变压器降压至25 kV供电力牵引用。图5是AT供电方式原理线圈。与接触网同杆架设一条对地电压为25kV但相位与接触网电压反相的“正馈线”，构成225 kV馈电系统。自耦变压器变比为2:1，其一次绕组接在接触网与正馈线之间，而中性点则接至钢轨。在接触网与钢轨和正馈线与钢轨间形成25 kV电压可供电力牵引用电。这种方式可在不提高牵引网绝缘水平的条件下将馈电电压提高一倍，可成倍提高牵引网的供电能力，扩展牵引变电所间距，牵引供电名项技术指标十分优越，特别适用于高速和重载电气化铁路，参见自耦变压器供电方式。图5 AT供电方式原理图T接触网；R钢轨；F正馈线；SS牵引变电所；AT自耦变压器。AT牵引网阻抗与机车取流位置亦不呈线性关系。图6是机车从AT网络SS端运行至 SP端时网络阻抗的变化曲线。图6中曲线1是AT网络的长回路阻抗，即机车正好位于AT处的AT网络阻抗。当机车位于两相邻AT之间时，网络阻抗见曲线2。参见牵引网阻抗。图6 AT牵引网阻抗1长回路阻抗；2AT牵引网总阻抗。AT网络的长回路单位阻抗约为0.2/km。同轴电缆（CC）供电方式 将首相同轴电力电缆与接触网钢轨回路并联，作为牵引电流主要载流导体以减轻对平行接近架空通信线电磁感应影响的一种供电方式，其结线原理见图7。与接触网同杆架设一条由内、外两层导体构成的单相同轴电力电缆（图8），电缆内、外层导体平均每5km10km分别与接触网和钢轨作一次并联连接，形成若干个环状供电回路。内、外导体间有耐压为30kV的交联聚乙烯绝缘层。由于同轴电缆的单位阻抗较小，牵引电流将主要流经同轴电缆。此外，同轴电缆内、外导体电流接近平衡，对周围的电磁感应影响很小。图7 同轴电缆供电系统原理接线图图8 同轴电缆结构示意图与架空裸接触线相比，高压同轴电缆导体的单位截面载流能力较小，导体需要截面较大，加上内、外绝缘层厚度，电缆的外径和重量很大，不仅加大了接触网支柱的荷重和施工难度，而且造价很高。除了局部特别困难的地段外，很少用于整段电气化铁路。单边供电方式 牵引变电所从一侧单方向向牵引网供电的方式。图9是牵引网单边供电示意图。复线时，上、下行牵引网可以由同相牵引母线供电，也可以由不同相牵引母线供电。图9 单边供电示意图SS牵引变电所。单边供电方式的技术特性 网内电压障。一列平均取流为I的电气列车通过长度为L的供电臂时受电弓上最大电压降为Um=IZL (1)式中，I为列车在带电运行时间内的平均电流（A）；Z为牵引网单位阻抗（/km）；L为供电臂长度(km)。列车通过供电臂时在网内的电力损失为：(2)式中，r为牵引网单位阻抗的有效电阻分量（/km）；t为列车通过供电臂的平均带电时分。单边供电方式的牵引网电压降和电能损失较大，而继电保护则相对较简单。双边供电方式 牵引网由相邻两牵引变电所从两端同时供电的方式。图10是双边供电方式示意图。图（a）是单线双边供电方式；（b）是双线双边供电方式。在相邻两牵引变电所中间设分区所，可根据需要实现牵引网供电方式的转换。在双边供电牵引网发生短路故障时，分区所断路器可自动跳闸，使事故范围限制在一个供电分区内。图10 双边供电示意图SS牵引变电所；aa 相母线；SP分区所双边供电方式的技术特性 列车在牵引网内的最大电压降为： （3）式中，L1，L2分别为并联供电两臂长度(km)；当L1=L2=L时，UmIZL，仅为单边供电的。列车通过供电臂L在网内产生的电能损失为：（4）式中，t为列车通过供电臂的带电运行时分。在工频单相25 kV牵引制式时，这种双边供电方式由于可能造成部分电力系统功率“穿越”接触网，给铁路牵引供电系统带来额外电力损失，以及当相邻牵引变电所由未联网的不同电力系统供电时将形成短路等原因，一般较少采用双边供电（见电力牵引分区所）。复线环状供电方式 牵引变电所同侧的上、下行牵引网由同相牵引母线供电，在供电臂末端将上、下行牵引网联通，可构成环状供电方式（图11）。图11 复线牵引网环状供电方式环状供电方式的技术特性 复线牵引网在不同供电方式时由牵引母线至用电点的网络阻抗及电压降变化见图12。当机车位于距牵引变电所x km时的环状供电网络阻抗为： （5）式中，Z为单线牵引网单位阻抗（/km）；L为供电臂长度。列车通过供电臂的电能损失与双边供电方式相同。图12 复线牵引网阻抗1单边供电方式；2环状供电方式；3全并联供电方式。复线全并联供电方式 每隔数百米将上、下行接触网进行死连接，便于充分利用接触网导线截面的供电方式（图13）。这种方式的网内电压降和电能损失较小，但上、下行牵引网在电气上无法分开，发生短路事故时的影响范围较大。全并联方式的网络阻抗和电压降变化见图12之曲线3。可知特性最优。列车通过供电臂在网内造成的电能损失则为：（6）图13 复线全并联供电方式SS牵引变电所图14 上、下行牵引网异相供电方式a，b不同相牵引母线。上、下行异相供电方式 以牵引变电所不同相牵引母线供不同行车方向牵引网的一种供电方式（图14）。这种方式对牵引变电所两侧的供电臂来说，基本上是单边供电，其技术指标亦与单边供电相似。其唯一优点是可以减少牵引网中电分相的数量，对高速电气化区段有利。复线纽结供电方式 在供电臂中部设开闭所将上、下行四个方向的牵引网连接在一起，以降低牵引网电压降和电能损失，缩小牵引网事故范围的一种供电方式（图15）。适用于供电臂较长、牵引负荷较大的电化区段。纽结方式实际是将一个供电臂分成两个环状供电网络，其网络阻抗和电压降特性介于环状，而列车通过供电臂在网内产生邮电能损失则为：图15 复线牵引网纽结供电方式SS牵引变电所；SSP纽结开闭所；SP分区所。 （7）式中，L1，L2分别为供电臂内牵引变电所至纽结开闭所和分区所至纽结开闭所间的距离（km）；t1，t2为相应区段的带电走行时分。当，其电能损失较环状供电方式减少1/8。直接供电方式直接供电方式（simple power supply system for electric traction） 以钢轨作为主要牵引回流通路的一种牵引网供电方式。较常见的两种形式 一种是以钢轨作为回流导体，称简单直接供电方式（TR方式），另一种是在回流系统中增设一条回流线，并每隔3 km4 km与钢轨并联连接，称带回流线直接供电方式（TRNF方式）（见牵引网供电方式）。特点 牵引网结构简单，造价便宜，施工和运营维护方便；牵引网单位阻抗较BT方式小（见BT供电方式），牵引网电压损失和电力损耗较小；通过轨地间横向过渡电阻泄入地中的回流分量较大，使钢轨对地电位升高，有时需要采取钢轨电位抑制措施，以保证安全。两类直接供电方式比较 在防止对平行接近通信线干捞影响方面，TRNF方式略优于TR方式。干扰影响一般用牵引屏蔽系数来评价。所谓屏蔽系数，即牵引回流由地中返回分量占全部牵引电流比值。表达为： R=1 （1）式中，R为牵引网屏蔽系数；为回流系统电流感应系数。对于TR方式，=ZTR/ZR；其中，ZTR为钢轨与接触网间单位互阻抗（/km）；ZR为钢轨回路单元自阻抗（/km）；对于抗与回流线自阻抗并联组成，有： （2）式中，ZH为回流线自阻抗（/km）；ZRH为钢轨与回流线间互阻抗（/km）。显然，TRNF方式的屏蔽效果较好。一般TR方式的屏蔽系数为0.5左右，而TRNT方式则在0.30.4之间。TRNF方式的牵引网单位阻抗较小，网内的电压损失和电力损失较小；TRNT方式泄漏电流较小，钢轨电位较低；TRNF方式需增设回流线，建设费用和运营维护费将有所增加。吸流变压器（BT）供电方式吸流变压器（BT）供电方式一种可显著降低交流牵引网对平行接近架空通信线路危险电压和杂音干扰电动势的供电方式。图3为这种供电方式的原理结线。在牵引网中串联接入一定数量变比为1:1 的吸流变压器，其一次绕组串联接入接触网中，二次绕组则串联接在专门架设的“回流线”中，在两相邻吸流变压器间，将回流线与钢轨作一次并联连接，在回流线的首、未两端也分别与钢轨连通。借助吸流变压器一、二次绕组间的互感作用，将直接供电方式时流经钢轨和大地的回流全部吸人回流线中，使接触网和回流线的电流达到完全平衡，减轻了对通信线的电磁感应影响，参见吸流变压器供电方式。图3 BT供电方式原理结线图H回流线；T接触网；R钢轨；SS牵引变电所；BT吸流变压器。BT牵引网阻抗与机车至牵引变电所的长度不是简单的线性关系。随着机车取流位置的不同，牵引网内的电流分布可有很大不同，例如图4中当机车位于供电臂内第一台BT前方（A）时，牵引负荷未通过吸流变压器一次绕组，其二次绕组没有电流流通，因此牵引网接直接供电方式运行，到达B处后，吸流变压器一次绕组有牵引电流流过，牵引回流被迫由钢轨逆行至远离电源侧的吸上线进入回流线，再经吸流变压器二次绕组返回牵引变电所，使牵引网阻抗大增。图4的曲线3是机车由牵引变电所出发在不同位置时的牵引网总阻抗。图中曲线2是BT供电方式长回路牵引网阻抗，即牵引负荷全程流经接触网和回流线时的阻抗，相当于机车位于吸上线处的牵引网阻抗。图4 BT供电方式牵引网阻抗图1直接供电方式牵引网阻抗；2BT供电方式长回路牵引网阻抗；3列车由牵引母线侧运行至末端牵引网阻抗变化。BT牵引网阻抗通常较直接供电方式大50%左右。自耦变压器（AT）供电方式自耦变压器（AT）供电方式 牵引网以225 kV电压供电，并在网内分散设置自耦变压器降压至25 kV供电力牵引用。图5是AT供电方式原理结线圈。与接触网同杆架设一条对地电压为25kV但相位与接触网电压反相的“正馈线”，构成225 kV馈电系统。自耦变压器变比为2:1，其一次绕组接在接触网与正馈线之间，而中性点则接至钢轨。在接触网与钢轨和正馈线与钢轨间形成25kV电压可供电力牵引用电。这种方式可在不提高牵引网绝缘水平的条件下将馈电电压提高一倍，可成倍提高牵引网的供电能力，扩展牵引变电所间距，牵引供电各项技术指标十分优越，特别适用于高速和重载电气化铁路，参见自耦变压器供电方式。图5 AT供电方式原理图T接触网；R钢轨；F正馈线；SS牵引变电所；AT自耦变压器。AT牵引网阻抗与机车取流位置亦不呈线性关系。图6是机车从AT网络SS端运行至SP端时网络阻抗的变化曲线。图6中曲线1是AT网络的长回路阻抗，即机车正好位于AT处的AT网络阻抗。当机车位于两相邻AT之间时，网络阻抗见曲线2。参见牵引网阻抗。图6 AT牵引网阻抗1长回路阻抗；2AT牵引网总阻抗。AT网络的长回路单位阻抗约为0.2/km。同相供电方式同相供电方式（inphase Power supply system） 在同一电力系统内的一条电气化铁道上，各段牵引网用同一相位的电压供电，满足相关技术要求的供电系统。与现行的两相供电方式相比，可大大减少电分相，便于电力机车顺利通过而不损失速度和牵引力，更适于高速和重载电力牵引。 3个牵引变电所构成的同相供电系统示意图基本构成与要求 主要由牵引变电所中的牵引变压器、（由容性和感性无功元件组成的、对无功和负序进行综合补偿的）对称补偿系统和牵引网组成。经各种接线变压器和对称补偿系统组成的牵引变电所与单相牵引变电所一样，都可避免在牵引变电所出口采用电分相。两者最主要的区别在于对负序的抑制能力。但即使在同一电力系统中，不同进线处的系统短路容量不同，承受负序的能力也不同。于是，为减少不必要的投资和设备浪费，可将同相供电系统中的牵引变电所分为3种，全补偿，它要求实现对称补偿，特别对负序有极好的抑制能力；半补偿，对补偿负序有适度要求；不补偿，只设牵引变压器。当然，三种牵引变电所中，无功补偿（提高功率因数）可能都是必要的。同相供电系统的基本构成见上图实现方式 实现同相供电的一个关键是牵引网的电压相位，它由一定接线方式下牵引变压器的牵引侧端口决定。考虑到同相供电中三种牵引变电所接线方式最简练的是单相牵引变压器，那么，可将用于同相供电系统的牵引变电所的接线方式分为两类，即能与单相牵引变压器构成同相供电的牵引变压器，属于线电压型。其他形式，属非线电压型主要是是相电压型。线电压型的同相供电，又可分为两个分支，一是既有或相似接线，主要是三相一两相接线平衡变压器，其中多数接线具有两重性，既能实现线电压型，也能完成相电压型的同相供电，如Scott，Leblance，变型Wood-bridge。因为从等效观点看、其余牵引端口或取之于三相系统的某一电压，或取之于线电压。二是特殊接线，不论是全补偿，还是半补偿，它往往追求对称补偿装置的容量为最小或尽可能小。机电压型的主要代表是YN，dll接线的牵引变电所，它在中国国内现行（两相）供电方式下应用最为普遍，可以自成系统。用于既有线的两相供电系统改造为同相供电系统有实用前景。还有一种可能，既不属于相电压型，也不屑于线电压型，但可以自成体系，构成同相供电系统，主要是Kbler接线。与其他三相一两相平衡接线一样，当实现三相单相对称补偿的同相供电系统时，其补偿容量较大。理想的牵引供电系统应采用同相供电，并且全线拉通，称为贯通式同相供电，它相当于双边或多边供电。但目前中国电力系统的管理现状要求高压环网，而低压解网，呈树状供电，于是分区所处的两侧虽为同相电压，但正常运行时却不能贯通。贯通时牵引供电系统与电力系统之间的相互影响应进一步研究。牵引变电所主变压器牵引变电所主变压器（main transformer for traction substation） 通常指交流牵引变电所中,将电力系统高压电变换成适合电力牵引用电的大容量电力变压器。是交流牵引变电所的主要电气设施。主变压器接线方式分类 按牵引变电所引入电源相数不司，可分为单相牵引变电所和三相牵引变电所主变压器。单相牵引变电所主变压器接线最为简单，它由电力系统引入单相电源，通常采用单相接线主变压器将二次电压降至牵引网电压。这种方式的牵引变电所两供电臂以同一相电压供电，产生的负序电流较大，而且牵引变电所所用三相动力电源还需由地方另行引入。三相牵引变电所由电力系统引入三相电源，经变压后以不同相电压向两侧牵引网供电。三相牵引变电所主变压器接线可分为两类：一类是以普通三个对称绕组变压器或单相变压器构成，属于这一类的有：YN，d11及V接线等方式；另一类是以各种不对称绕组结线实现牵引变电所次边单相负荷与原边三相平衡负荷的转换。这类接线称“三相两相平衡接线”。属于这一类的有斯科特型（Sco