第1章 绪论
近年来，随着我国社会经济的发展，国内电气化铁路的建设规模与开通运营里程均大幅增长。供电系统作为电气化铁路唯一的电能来源，其安全、可靠、高效，对电气化铁路的运行起着至关重要的作用。本章将对电气化铁路供电系统的结构特征、能耗与电能质量问题以及潮流控制技术的发展历程进行简要介绍。
1.1 电气化铁路供电系统概述
典型电气化铁路供电系统结构如图1-1所示，按照负荷类型可分为两部分：牵引供电系统和电力变配电系统(亦称铁路10kV电力系统)。其中，牵引供电系统为牵引负荷提供电能；电力变配电系统为铁路沿线站场、区间负荷、通信设备等非牵引负荷供电[1]。
图1-1 典型电气化铁路供电系统结构图
电气化铁路的供电来自公共电网，牵引供电系统的电源电压等级通常根据牵引负荷的供电要求进行选择，电力变配电系统的电源则常由地方10kV配电网提供。通常，普速铁路牵引负荷功率较低，其牵引供电系统的外部电源一般选用110kV电源。高速铁路由于牵引负荷功率大、冲击性强等特点对外部电源短路容量和可靠性等要求更高，因此常选用220kV电源(部分地区因主干供电网为330kV，故选用330kV电源)[1]。
1.1.1 牵引供电系统
电气化铁路牵引供电系统主要由牵引变电所和牵引网组成，是为牵引负荷提供持续电能的供给系统，其示意图如图1-2所示。牵引变电所是电能转换的核心，通过牵引变电所中的牵引变压器将外部电源供应的三相交流电降压变换为牵引负荷所需的单相交流电，并与接触网相连。牵引网由接触网、钢轨、回流线等组成，负责对牵引负荷供电。
图1-2 牵引供电系统示意图
1. 牵引变压器接线形式
牵引变压器是牵引变电所实现电压变换功能的核心设备，其将外部电源供给的三相电压变换成牵引负荷适用的27.5kV单相电压。电气化铁路采用的牵引变压器绕组接线形式较多，可分为非平衡接线和平衡接线。非平衡接线牵引变压器主要包括单相接线、YNd11接线、V/v接线(含V/x接线)等。三相-两相平衡接线牵引变压器有Scott接线、Wood桥接线、LeBlanc接线、阻抗匹配平衡接线等形式。考虑牵引变压器结构、容量利用率、负序电流等参数，不同接线牵引变压器的对比如表1-1所示。目前，V/v接线、V/x接线、YNd11接线和Scott接线的牵引变压器广泛应用于我国电气化铁路，下面将分别进行介绍。
1) V/v接线
V/v接线牵引变压器接线原理和端口电压相量关系如图1-3所示。两台单相变压器的一次绕组分别连接于外部三相电源中的两相，二次绕组两端分别接于接触网和钢轨。V/v接线变压器将电力系统三相电压转换为两相27.5kV相位相差60°的电压。V/v接线牵引变压器常由两台*立的单相变压器构成，两台单相变压器可设置为不同容量，且容量利用率可达100%。由于V/v接线牵引变压器为不平衡接线形式，故其会向外部电网中注入较大的负序电流。
表1-1 不同接线牵引变压器对比[2，3]
图1-3 V/v接线牵引变压器接线原理和端口电压相量关系
2) V/x接线
V/x接线牵引变压器适用于牵引网自耦变压器(auto transformer，AT)供电方式，其接线原理和端口电压相量关系如图?1-4所示。V/x接线牵引变压器一次侧接线与V/v接线相同，二次侧绕组两端分别接于接触线和正馈线，二次侧中性点抽出接于钢轨。V/x接线牵引变压器将电力系统三相电压转换为两相2×27.5kV相位相差60°的电压。由于结构高度相似，V/x牵引变压器与V/v牵引变压器优缺点一致。此外，由于其二次绕组的结构，采用V/x牵引变压器的AT供电系统可省去牵引变电所内的自耦变压器，节省投资。
3) YNd11接线
YNd11接线牵引变压器接线原理和端口电压相量关系如图1-5所示，其高压侧通过引入线按规定次序接到三相外部电网的高压输电线上，低压侧中一相与钢轨相连，另外两相分别接到27.5kV的??臂和??臂母线上，由两相牵引母线分别向两侧对应的供电臂供电，两供电臂电压的相位差为60°。YNd11接线牵引变压器的优点是低压侧保持三相，有利于供应牵引变电所自用电和地区三相电力，且在我国采用的时间长，有较多的经验，制造相对简单，价格也较低。YNd11接线牵引变压器的缺点主要是其容量不能得到充分利用，且其主接线较复杂，设备工程投资较多，维护检修工作量及相应的费用也有所增加。
图1-4 V/x接线牵引变压器接线原理和端口电压相量关系
图1-5 YNd11接线牵引变压器接线原理和端口电压相量关系
4) Scott接线
Scott接线牵引变压器接线原理和端口电压相量关系如图1-6所示，其实际上也是由两台单相变压器按规定连接而成。一台单相变压器的原边绕组两端引出，分别接到三相电力系统的两相，称为M座变压器；另一台单相变压器的原边绕组一端引出，接到三相电力系统的另一相，另一端接到M座变压器原边绕组的中点，称为T座变压器。Scott接线牵引变压器是一种特殊接线的变压器，其特点是将电力系统对称三相电压转换成两相27.5kV相位差为90°的电压，实现了三相-两相对称变换，降低了单相牵引负荷的不对
图1-6 Scott接线牵引变压器接线原理和端口电压相量关系
称影响。理论上来说，如果两个供电臂的负荷相等(含有功功率和无功功率)，牵引负荷不会在三相电力系统中产生负序电流。然而，由于Scott接线形式的复杂度较高，国内目前应用较少。
除了上述常用于我国电气化铁路的牵引变压器，其他接线形式的牵引变压器，如阻抗匹配平衡接线、Wood桥接线、LeBlanc接线等，可参见相关文献介绍，此处不再赘述。
2. 牵引网供电方式
为实现特殊输电功能的技术要求和经济性能，牵引网需采用合适的供电方式。按照牵引网设备类型，牵引网供电方式主要有四种，即直接供电方式、带吸流变压器(boosting transformer，BT)供电方式、AT供电方式以及同轴电缆(coaxial cable，CC)供电方式。上述供电方式的电气参数和性能对比如表1-2所示。
表1-2 不同供电方式的电气参数和性能对比[2， 3]
无回流线的直接供电方式如图1-7所示。该方式结构*为简单，仅由接触网和钢轨组成，故采用该方式的牵引网投资少、利于检修与维护。然而，无回流线的直接供电方式在通过大电流时会导致钢轨电位抬高，并对通信线路产生较大的干扰。
基于无回流线的直接供电方式，在接触网支柱上架设一条与钢轨并联的回流线，通常每隔5～6km设置一个并联点，此种供电方式称为带回流线的直接供电方式，如图1-8所示。带回流线的直接供电方式减小了钢轨电流，使钢轨电位大大降低，并且具备电磁屏蔽作用，可抑制接触网对通信线路的干扰。相较于无回流线的直接供电方式，带回流线的直接供电方式可降低牵引网阻抗，提高了供电性能，目前已在普速铁路中得到广泛应用。 图1-7 无回流线的直接供电方式 图1-8 带回流线的直接供电方式 BT供电方式有BT-回流线方式和BT-钢轨方式两种形式，分别如图1-9(a)和(b)所示。BT供电方式中的吸流变压器串接在接触网中，变比为1∶1。两个吸流变压器之间的距离称为BT段，一般BT段长1.5～4km。BT供电方式增加了牵引网结构的复杂性，提高了造价，同时牵引网阻抗变大导致供电臂长度缩短，约为无回流线直接供电方式的3/4。虽然BT供电方式的钢轨电位低，抑制通信干扰效果良好，但由于BT分段伴随着火花间隙，因此BT供电方式不适合高速、重载铁路。
图1-9 BT供电方式
AT供电方式如图1-10所示。AT供电方式一般每隔10～15km在接触线和正馈线中并入自耦变压器，自耦变压器的中性点与钢轨相连。AT供电方式具有供电电压高、线路电流大、牵引网阻抗小、大功率下接触网仍有较高网压水平等优点，适用于高速、重载等大功率牵引负荷的供电要求。AT供电方式已成为高速铁路应用*广泛的牵引网供电方式(少量高速铁路采用无回流线的直接供电方式或带回流线的直接供电方式)，在重载线路也多有应用。鉴于高速铁路负荷功率大、行车密度高、负荷冲击强，我国《高速铁路设计规范》中规定：设计速度300km/h及以上的高速铁路，牵引网应采用2?25kV供电方式；设计速度250km/h的高速铁路，牵引网宜采用2?25kV供电方式。
CC供电方式是一种新型供电方式，如图1-11所示。同轴电缆沿铁路线路埋设，内部芯线作为供电线与接触网连接，外部导体作为回流线与钢轨相接，每隔5～10km作为一个分段。CC供电方式吸流效果和抑制通信干扰效果均优于BT和AT供电方式，供电能力也优于AT供电方式，钢轨电位较低，接触网结构较简单，对净空要求低，宜用于高速、重载铁路。但同轴电缆造价较高，现多用于重要城市、桥隧的低净空地段等特殊场合。
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