世界鐵路供電方式及適用范圍

1、世界鐵路供電方式及適用范圍鐵路供電方式分兩種：軌道供電和高架電纜供電軌道供電：乂稱第三軌供電, 最早出現(xiàn)于19世紀(jì)80年代的歐洲國(guó)家。帶電鐵軌通常設(shè)于兩軌之間或其中一軌 的外側(cè)，使電動(dòng)列車的集電裝置在帶電路軌上接觸并滑行，把電力傳到列車上， 這種集電裝置稱為“集電靴”，通常位于列車的轉(zhuǎn)向架旁。供電電壓通常位于 600-1500o一.優(yōu)點(diǎn)：1.裝置帶電軌的成本往往比高架電纜低，因?yàn)楦呒茈娎|需要支架 而帶電路軌不用。實(shí)際上，成本問題是很多軌道供電系統(tǒng)沒有轉(zhuǎn)用高架電纜的主 因。天災(zāi)對(duì)帶電軌的影響較高架電纜少（洪水泛濫除外）。帶電軌比高架電纜更適合安裝于凈空較小的隧道。有些乘客認(rèn)為高架電纜有礙觀瞻，相

2、比之下帶電軌的視覺效果較佳。缺點(diǎn)：1.暴露戶外的帶電軌道構(gòu)成危險(xiǎn)：有些企圖橫過路軌的人便因不幸踏在帶電軌道上 而觸電致死。2.電壓?jiǎn)栴}：帶電軌道的電壓不能太高，否則電流會(huì)在路軌間形成 電弧。由于電壓不高，故在興建鐵路時(shí)每隔一小段便要設(shè)立一個(gè)電站，以確保電 力供應(yīng)穩(wěn)定一但這樣也加重了成本，因此只適合用在短距離的地下鐵或都市內(nèi) 的軌道運(yùn)輸。另外，電壓?jiǎn)栴}亦使高速列車和貨運(yùn)列車不適合于軌道供電系統(tǒng)， 故一般速度較低、載重較小的列車（亦即通常用于大眾運(yùn)輸?shù)囊活惲熊嚕┹^適合 使用軌道供電系統(tǒng)（但英格蘭東南部的鐵路干線便大規(guī)模地采用軌道供電）。限速：由于集電靴在高速之下難以準(zhǔn)確地抓緊帶電軌，故采用軌道供電

3、系統(tǒng)的鐵 路限速不能太高。一般而言，采用軌道供電系統(tǒng)的列車的時(shí)速上限是約130公里（70英里）電流流失：由于帶電軌道接近地面，故有時(shí)電流流失到地面。一些帶電軌道會(huì)加 上鋁條以減少電流流失（因?yàn)殇X的傳電能力比鋼為佳）。然而，由于鋁對(duì)熱力的 膨脹反應(yīng)與鋼有所不同，為避免損毀帶電軌，帶電軌的兩旁都必須有鋁條栓緊?？p隙問題：在轉(zhuǎn)轍器、平交道等處，帶電軌都必須留下空隙以容許其他路軌穿越 其間。一般來說，使用軌道供電的列車都是動(dòng)車組，列車幾乎一定擁有多于一個(gè) 集電靴，所以空隙不會(huì)構(gòu)成什么問題。但在某些情況下，列車仍有可能因?yàn)槿?的集電靴都在空隙之中，無法取得電力而不能行動(dòng)。這時(shí)列車需要由其他機(jī)車推 動(dòng)、

4、或接駁緊急用電纜到最近的帶電路軌上，以取得動(dòng)力。由于這些事故多于繁 忙的交匯處發(fā)生，故通常都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的擠塞及延誤。高架電纜供電：乂稱架空 接觸網(wǎng)，位于兩軌上方，列車采用集電弓或集電桿受電。供電電壓通常位于 750-55000Vo其懸掛類型大致為三種：簡(jiǎn)單懸掛，鏈?zhǔn)綉覓?，剛性懸掛。其中?jiǎn) 單懸掛和鏈?zhǔn)綉覓於际菑椥詰?。架空接觸網(wǎng)受到隧道凈空的限制比較大，在城市地鐵的運(yùn)用當(dāng)中會(huì)受到土建 成本的壓力。然而部分城市軌道交通為了銜接現(xiàn)有的傳統(tǒng)鐵路，仍會(huì)采用架空接 觸網(wǎng)。不過，架空電纜會(huì)可能使部分人產(chǎn)生視覺一心理障礙，對(duì)城市景觀造成一 定的負(fù)面影響。但在世界各地的電氣化鐵路中，普及率很高。世界上有高鐵的一

5、些國(guó)家的供電方式：1）意大利的直流供電意大利是目前高速新線上唯一一條采用直流供電方式的線路，最高速度為 250km/h,供電電壓中，標(biāo)準(zhǔn)電壓為DC3000V,但變動(dòng)范圍最高電壓達(dá)3800V,最 低電壓為2800V,利用自動(dòng)電壓調(diào)整裝置調(diào)整為3600Vo2）德國(guó)的交流供電德國(guó)采用的15kV 16 2/3Hz的低頻電是1904年得以實(shí)用化的供電方式。這 種低頻供電是為了在牽引電機(jī)上使用交流整流子電動(dòng)機(jī)而引進(jìn)的方式。3）商用頻率的交流供電日本的新干線是從電力公司通過3相交流接收25kV的商用頻率，用斯科特接 線變壓器或者變形伍德布里奇接線變壓器將3相變?yōu)?相，按照不同的方向分別 進(jìn)行2相供電的異相供

6、電。在使用25kV 50Hz的商用頻率的法國(guó)等國(guó)家，從電力 公司的變電所接收單相電，在鐵路公司的變電所直接供電。除日本之外， 歐洲 是50Hz,美國(guó)為60Hz,最近開通運(yùn)行的韓國(guó)和正在建設(shè)中的臺(tái)灣高速鐵路為美國(guó) 系的60Hz。但是，在25kV的交流供電中，其25kV為標(biāo)準(zhǔn)電壓，日本的最高電壓 和最大電壓與外國(guó)是不同的。法國(guó)的TGV東南線開業(yè)初期使用的是直接供電和AT 供電2種供電方式。世界其他國(guó)家稱為2X25kV供電。在高速鐵路中，唯一的 交 流鐵路 使 用 直接供 電 的 只 有 西 班 牙。我國(guó)電氣化鐵路采用工頻單相交流牽引制，采用的供電方式有：直接供電、 帶回流線的直接供電方式、吸流變壓

7、器供電方式（BT供電）、自耦變壓器供電方式（AT供電）在我國(guó)高速電氣化鐵路大多采用AT供電方式，這兒種供電方式的優(yōu)缺 點(diǎn)就不在這里詳細(xì)的說了。4）同相供電：為了解決異項(xiàng)供電方式存在的電能質(zhì)量和電力機(jī)車過分相的 問題，將有源補(bǔ)償和無源補(bǔ)償技術(shù)相結(jié)合，提出基于平衡變壓器接線方式的混合 式同相牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。5）獨(dú)立供電：其電力系統(tǒng)的電壓波動(dòng)與偏差，電源頻率的偏差等與牽引供 電系統(tǒng)自身電壓調(diào)整互不影響，可各自獨(dú)立進(jìn)行，這樣諧波問題可極大改善，理 論上為零。實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)零干擾。二、各種供電方式優(yōu)劣由于高速電力牽引的速度快、電流大，因此要求供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量要高， 并應(yīng)盡量減少電分相、

8、電分段的數(shù)量。BT供電方式雖然在通信線路防干擾方面性 能較好，但是由于它在接觸導(dǎo)線中串入了吸流變壓器，伴隨一個(gè)火花間隙，使一 個(gè)供電臂的接觸導(dǎo)線分成很多段，因此不適合高速牽引電力牽引。與BT供電方式 相比，AT供電方式和直接供電方式（包括加負(fù)饋線的供電方式）的很多特點(diǎn)，都 能滿足高速電力牽引的要求。AT供電方式變電所間距大，一是可以大大減少電分相數(shù)量，并且牽引網(wǎng)阻抗 小，能顯著減少牽引網(wǎng)電壓損失，改善供電質(zhì)量，保證列車高速運(yùn)行；二是可以 密切配合電力系統(tǒng)向電氣化鐵道供電的電源選擇，以降低工程造價(jià)。另外，AT供 電方式對(duì)通信線路的影響小，與BT供電方式相當(dāng)。由于以上種種原因，世界各國(guó) 的高速鐵路

9、均廣泛推廣AT供電方式，日本己將AT供電方式作為電氣化鐵道的標(biāo) 準(zhǔn)制式加以推廣。直接供電方式牽引網(wǎng)阻抗大，變電所間距小，相應(yīng)地電分相數(shù)量多，對(duì)通信 線路的防護(hù)不如BT、AT供電方式。但直接供電方式牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用在對(duì)電 磁干擾要求不高的地區(qū)。直接供電方式的一些技術(shù)指標(biāo)介于BT和AT供電方式之 間，也是高速電氣化鐵路可選擇的方式。三、我國(guó)高速鐵路供電方式在我國(guó)TB10621-2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范中己經(jīng)明確規(guī)定高速鐵路正線牽 引網(wǎng)應(yīng)采用2X25KV的AT供電方式；樞紐地區(qū)跨線列車聯(lián)絡(luò)線、動(dòng)車走行線和動(dòng) 車段（所、場(chǎng)）等可采用1X25KV的供電方式。這是因?yàn)槲覈?guó)高速鐵路的目標(biāo)值 在250-3

10、50km/h的鐵路，具有高密度、長(zhǎng)編組等特點(diǎn)，采用2X25KV的AT供電 方式有利于高電能的傳輸和接觸懸掛的輕型化和系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)，有利于減少外部 電源的投資和減少電分相數(shù)量。因此，規(guī)定正線牽引網(wǎng)應(yīng)采用2X25KV的AT供電 方式。我國(guó)目前己經(jīng)實(shí)施的武廣、鄭西、石太、京石、石武、京津、京滬、合武 等客運(yùn)專線、高速鐵路均采用2X25KV的AT供電方式。另TB106212009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范中還規(guī)定采用2X25KV的AT供電方 式時(shí)接觸電壓長(zhǎng)期持續(xù)值不應(yīng)高于60V,瞬時(shí)（0. Is）值不應(yīng)高于842Vo這是因 為采用2X25KV的AT供電方式，列車運(yùn)行在AT區(qū)段內(nèi)，會(huì)有負(fù)載電流流過鋼軌。 理論上講

11、，列車運(yùn)行的AT區(qū)段外沒有電流流過鋼軌，但實(shí)際上也有部分負(fù)載電流 流過鋼軌。電流流過鋼軌會(huì)產(chǎn)生鋼軌對(duì)大地的電位，鋼軌對(duì)大地的電位會(huì)因時(shí)間、 地點(diǎn)和負(fù)荷條件的不同而發(fā)生變化。人類和動(dòng)物有可能與部分電位甚至是全部電 位相接觸。為了消除對(duì)人體的危害，需要對(duì)人體手腳之間的接觸電壓進(jìn)行規(guī)定， 以確保人身安全。電力電子技術(shù)在牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用高速電氣化鐵路具有節(jié)能、環(huán)保、高效等特點(diǎn)，倍受世界各國(guó)親睞，且得 到了快速發(fā)展。我國(guó)計(jì)劃到2010年建設(shè)9 800 km客運(yùn)專線，這標(biāo)志著我國(guó)高速 鐵路進(jìn)入了令世界矚目的大發(fā)展階段。隨著高速電氣化鐵路不斷發(fā)展，對(duì)其重 要組成部分的牽引供電系統(tǒng)提出了更高的要求。而當(dāng)前

12、牽引供電系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu) 的特殊性，存在著諧波、無功、負(fù)序、通信干擾、“過電分相”等其自身無法 解決問題，降低了供電的效率與質(zhì)量，且“過電分相”還對(duì)高速鐵路的安全、 可靠運(yùn)行構(gòu)成了威脅。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展為解決這些問題提供了良好 的條件。當(dāng)前電力電子器件的容量和開關(guān)頻率不斷提高，其控制手段也不斷完 善，在諧波抑制和無功補(bǔ)償方面得到了廣泛應(yīng)用并取得了很好的效果?；陔娏?電子技術(shù)構(gòu)建新型牽引供電系統(tǒng)，不僅可以濾除諧波、補(bǔ)償無功、實(shí)現(xiàn)三相平 衡供電，提高供電的質(zhì)量與效率，更重要的是可以取消分相絕緣器，實(shí)現(xiàn)同相 供電，解決“過電分相”所帶來的嚴(yán)重問題，提高供電的安全性和可靠性。1現(xiàn)有牽引供電系

13、統(tǒng)的主要問題當(dāng)前電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)普遍采用單相工頻交流制，因?yàn)檫@種制式具有 很多的優(yōu)點(diǎn)和較明顯的經(jīng)濟(jì)效果，但它同時(shí)也存在著許多亟待研究解決的問題， 主要是：1系統(tǒng)三相嚴(yán)重不平衡交流電氣化鐵道牽引負(fù)荷一一電力機(jī)車為變化頻繁的單相負(fù)荷，在電力系統(tǒng) 中產(chǎn)生較大的負(fù)序電流，造成三相嚴(yán)重不平衡。不平衡程度與牽引負(fù)荷的大小 和變電所主變壓器接線形式有關(guān)。表中給出系統(tǒng)電流不對(duì)度與牽引變電所的接線 方式、供電臂負(fù)荷狀況之問的關(guān)系。從表中可以看出，當(dāng)兩個(gè)臂負(fù)荷完全相同時(shí)， 采用平衡變換的變壓器可以實(shí)現(xiàn)三相完全平衡，這是采用平衡變壓器的優(yōu)勢(shì)。而 采用其他接線方式時(shí)，電流不對(duì)稱程度仍很嚴(yán)重。但是由于牽引負(fù)荷的隨

14、機(jī)性， 兩臂同時(shí)有負(fù)荷的機(jī)率很小，即使有也由于機(jī)車類型和機(jī)車丁作狀態(tài)的多樣性， 多數(shù)情況下兩臂負(fù)荷有顯著不同。所以無論采用何種接線方式，一般情況下三相 總是嚴(yán)重不平衡。2換相聯(lián)接帶來的問題為了減輕系統(tǒng)三相不平衡狀況，電氣化鐵道各變電所依次輪換接人不同相 別，稱為“換相聯(lián)接二換相聯(lián)接后任意3個(gè)異相供電臂都有相同負(fù)荷時(shí)，系 統(tǒng)總負(fù)序流為零，但這種情況在實(shí)際運(yùn)行中兒乎不存在，多數(shù)情況下3個(gè)異相供 電臂負(fù)荷顯著不同，由此換相聯(lián)接對(duì)相不平衡改善程度受到限制。此外換相聯(lián)接 后各供電區(qū)必須用分相絕緣器分隔，而分相絕緣器的使用存在使電力機(jī)車安全平 穩(wěn)通過存在較大隱患，制約了高速、重載鐵路的發(fā)展。分相和分段絕緣

15、器不論在電氣上還是在機(jī)械上都是薄弱環(huán)節(jié)，當(dāng)重載、高速 列車通過時(shí)，由于絕緣器形成的硬點(diǎn)對(duì)受電弓構(gòu)成嚴(yán)重威脅，同時(shí)絕緣器也常 因拉弧而燒損。一般沿電氣化鐵道每50 knr設(shè)一牽引變電所,25 km左右設(shè)一 “電分相”。 若列車以200 km/h的速度行駛，則每7. 5 min就要過一次“電分相”。每當(dāng) 過“電分相”時(shí)，機(jī)車都需要提前退級(jí)、斷電，并依靠慣性滑過“電分相”。 待過去之后再重新給電、進(jìn)級(jí)行駛。這給機(jī)車司機(jī)的操作帶來了很大困難，對(duì)于 高速列車，人工操作幾乎是不可能的。高速鐵路“電分相”處一般有100 IT I左右的無電區(qū)，電力機(jī)車只能靠慣性 通過。當(dāng)“電分相”處于上坡的長(zhǎng)大坡道線路時(shí)，機(jī)

16、車牽引滿載的列車通過“電 分相”就十分困難，俗稱“闖八跨”。目前解決“闖八跨”問題的一般方法是 在“電分相”處裝設(shè)自動(dòng)過分相轉(zhuǎn)換裝置J,但裝置復(fù)雜，且因電壓高、轉(zhuǎn)換動(dòng)作 頻繁，使其準(zhǔn)確性和可靠度在應(yīng)用中受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，至今在使用中的技術(shù)缺陷依 然存在，更重要的是裝有自動(dòng)過分相裝置并不能解決系統(tǒng)不平衡問題。3諧波與無功問題我國(guó)電氣化鐵道運(yùn)的交一直整流器電力機(jī)車是一種非線性、低功率因數(shù)負(fù)荷, 將對(duì)牽引供電系統(tǒng)和電力系統(tǒng)注入各次諧波電流，成為一種諧波源。電力機(jī)車 不同工況下，牽引負(fù)荷電流相位角（相對(duì)于牽引網(wǎng)電壓）的變化幅度較大，致使功 率因數(shù)偏低。當(dāng)機(jī)車處于再生制動(dòng)工況時(shí)，機(jī)車電流反饋牽引網(wǎng)，電流相位

17、角為 滯后120o 一 130o；機(jī)車過電分相產(chǎn)生激磁涌流，可視為純感性電流，相位角接 近滯后90o；機(jī)車處在其他工況時(shí)，相位角為35o 一 37。（功率因數(shù)為0. 820. 8）； 而在牽引網(wǎng)短路故障時(shí)，故障電流相位角為滯后65。-70oo正常工況下相位角的 大幅度變化和牽引負(fù)荷電流動(dòng)態(tài)的劇烈波動(dòng)，加大了有效補(bǔ)償無功功率的難度。 2采用電力電子技術(shù)構(gòu)建的新型牽引供電系統(tǒng)1新型牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)解決現(xiàn)有牽引供電系統(tǒng)存在的問題的方法主要有2種：一種是采用無源對(duì)稱 補(bǔ)償技術(shù)，另一種是采用電力電子技術(shù)。后者可以得到較好的動(dòng)態(tài)平衡與補(bǔ)償效 果，其結(jié)構(gòu)如圖所示。其中，SS1 SS3為同相牽引變電所，它主

18、要由牽引主變壓 器和平衡變換裝置（圖中用PP表示）構(gòu)成，其作用是：（1）變壓：（2）平衡變換；（3） 補(bǔ)償負(fù)載無功和諧波。變壓的任務(wù)主要由牽引主變壓器完成，當(dāng)前常用變壓器的 接線方式有V. v接線、YN. dl 1接線、平衡變壓器接線（包括阻抗匹配平衡變壓 器，Scott變壓器，三相變四相變壓器）等多種。平衡變換與濾除諧波、補(bǔ)償無功 的任務(wù)主要由平衡變換裝置完成，平衡變換裝置的核心部分可以由三相三橋臂變 流器、三相四橋臂變流器或兩“背對(duì)背”單相變流器等構(gòu)成。由于各變電所采用 了相同的結(jié)構(gòu)，所以各供電區(qū)段電壓大小相同、相位一致，可取消分相絕緣器實(shí) 現(xiàn)同相供電?？紤]供電靈活性和可靠性等原因可設(shè)分段

19、斷路器。平衡變換、濾除 諧波和補(bǔ)償無功的原理與有源濾波器濾除諧波、補(bǔ)償無功的原理是一樣的，也就 是通過實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載中的諧波、無功電流和相不平衡電流，生成包括諧波、無功 和不平衡電流的綜合補(bǔ)償電流參考量，根據(jù)綜合補(bǔ)償電流參考量控制有源濾波器 輸出綜合補(bǔ)償電流，以補(bǔ)償負(fù)載的諧波、無功并實(shí)現(xiàn)i相平衡。平衡變換裝置與 有源濾波器本質(zhì)上是一樣的，通常的有源濾波器主要是用于抑制諧波和補(bǔ)償無 功，而同相供電系統(tǒng)的平衡變換裝置還有一重要功能是實(shí)現(xiàn)平衡變換。2同相牽引變電所的結(jié)構(gòu)同相牽引變電所的結(jié)構(gòu)與主變壓器的接線方式、平衡變換裝置的結(jié)構(gòu)以及變 壓器、平衡變換裝置和AT牽引網(wǎng)三者的連接方式有關(guān)。由于變壓器接線方

20、式和平 衡變換裝置結(jié)構(gòu)以及變壓器、平衡變換裝置和AT牽引網(wǎng)三者的連接方式有多種， 所以同相AT牽引變電所也有多種接線類型。若以平衡變換裝置的結(jié)構(gòu)分類有： 三相三橋臂變流器結(jié)構(gòu)、三相四橋臂變流器結(jié)構(gòu)和兩“背對(duì)背”單相變流器結(jié)構(gòu)。2. 1兩單相變流器變電所結(jié)構(gòu)由兩單相變流器構(gòu)成的同相牽引變電所結(jié)構(gòu)通過對(duì)平衡變換裝置適當(dāng)控制，可以實(shí)現(xiàn)i相平衡變換，并能濾除諧波、補(bǔ) 償無功，解決現(xiàn)有牽引供電系統(tǒng)所存在的問題。除此之外其主要特點(diǎn)是：?jiǎn)蜗嘧兞髌鞯臉虮垭娏骺偸蔷獾?。分析可知，在完全補(bǔ)償情況下，其中 一個(gè)單相變流器只承擔(dān)1 / 2的負(fù)載有功功率，另一個(gè)單相變流器承擔(dān)的功率為1 /2的負(fù)載有功功率、全部負(fù)載無

21、功功率與諧波功率三者之總和，這相當(dāng)于1/2 的負(fù)載有功功率從一端口流進(jìn)，從另一端口流出。當(dāng)平衡變換裝置出故障時(shí)，不影響正常供電，且仍能保持原來的通信防護(hù) 效果，供電的可靠性高，但系統(tǒng)的平衡條件被打破。主變壓器可采用平衡變壓器，也可采用V. X接線的單相變壓器。采用平 衡變壓器造價(jià)高但變壓器和平衡變換裝置的容量利用率也高；采用V. X接線單相 變壓器造價(jià)低，但變壓器和平衡變換裝置的容量利用率也低。另外，V. X接線和 Scott接線一次側(cè)無中性接地點(diǎn)，對(duì)于要求中性點(diǎn)接地的場(chǎng)合，必須采用阻抗匹配 平衡變壓器或三相變四相平衡變壓器。2. 2. 2三相三橋臂變流器變電所對(duì)于YN. dll接線、“V”形(包括V. X、V. Y、V. v)接線供電系統(tǒng)，若僅補(bǔ) 償