摘要：交流牵引系统已被世界各国公认为近代最优越的牵引调速系统，交流牵引也是今后世界各国轨道交通发展的总趋势，因此，掌握和提升交流牵引供电系统的关键技术是十分重要的。本文介绍了城际轨道交通中交流牵引供电系统的关键技术。
关键词：城际轨道；交流牵引；关键技术
随着科技的飞速发展，交通行业也在逐渐壮大起来，我国各大一、二线城市都开始纷纷修建轻轨、地铁、城际动车组等线路，在便捷了市民交通出行的同时，却给轨道交通供电系统带来了不小的压力。各国交通专业的学者，纷纷将注意力集中到牵引供电系统的设计和创新上，这一系统中较为常见的有直流式和交流式，以及双制式。这些供电系统旨在当车流量处于高峰期时可以对线路进行持续、高效、稳定的供电。所以对于车流、人流量较大的城市，对其供电系统的研究，就显得格外有意义。
1 城际轨道交通牵引供电系统
轨道交通牵引供电系统分为交流牵引供电与直流牵引供电这两种形式。牵引供电系统就是为交通路线上的地铁、轻轨、电力机车、城际动车组的供电，通过牵引网络进行电流的输送。随着社会的发展，轨道交通供电系统直接影响着广大市民的交通出行安全，国内外的专家学者都在广泛关注项目建设安全问题。
1.1直流制
在我国大部分城市的变电站、牵引网、接触网的建设当中，大部分设计是采用直流1500V的供电方式，而轨道交通牵引供电网则采用了双边供电，这是因为当某一供电线路出现故障时，可以立即更换线路，保障轨道交通牵引供电的要求。另外，在搭建直流牵引供电网，还能采用杂散的电流保护办法，这样能够将电能均匀的分流到每一个供电网络，并传送到较远的距离。但是由于自身的变电模式，导致供电距离的缩短，这样会对工程建设投入增加成本。并且直流牵引供电系统的传输速率不高，很难满足供电需要，因此这种供电系统在城际轨道交通上没有什么建设优势。
1.2交流制
交流牵引供电系统采用单向的链接方式，是在变电站内同时安装两台变压器，采用双绕组的单项变压，使得整个结构形成一个开口三角形，在电网的接入端是属于高压端。这里面有两个端口与一个公共端口，低压端口则是接地的一侧，其他的端口分别与牵引母线连接。对于整个交流供电系统的降压系统来说，除了在供电系统的终端，整条线路的区间都设置了加压系统，这样能够使线路上的照明系统正常工作。
交流电气化铁路牵引网供电方式大体上可分为三种：直接供电方式（包括带回流线的直接供电方式）、BT供电方式和AT供电方式。
（1）直接供电方式
直接供电方式又可分为不带回流线直接供电方式（图2.1）和带回流线的直接供电方式（图2.2）两种。
图2.1 不带回流线的直接供电方式
图2.2 带回流线的直接供电方式
不带回流线的直接供电方式在我国早期的电气化铁路中采用，机车电流完全通过钢轨和大地流回牵引变电所，牵引网本身不具备防干扰功能。在接地方面，每根支柱需单独接地（设接地极或通过火花间隙），或者通过架空地线实现集中接地（架空地线不与信号扼流圈中性点连接）。
带回流线的直接供电方式，机车电流一部分通过钢轨和大地流回牵引变电所（约70%），其余通过回流线流回牵引变电所（约30%）。由于流经接触网的电流和流经回流线的电流虽然大小不等，单方向相反，且安装高度比较接近，两者对铁路沿线通讯设施的电磁干扰影响趋于抵消，因此牵引网本身具备防干扰功能。在接地方面，接触网支柱通过回流线实现集中接地，回流线每隔一个闭塞分区通过吸上线（铝芯或铜芯电缆，常用VLV-70和2xVLV-150）与信号扼流圈中性点连接（吸上线间距3～4km）。
（2）BT供电方式
BT（Boost Transformer）供电方式又称吸流变压器供电方式，也是在我国早期电气化铁路中有采用，其主要目的是为了提高牵引网防干扰能力，但随着通讯线路电缆化和光缆化，防干扰矛盾越来越不突出，其生命力也已大大降低，该种供电方式目前已经基本不采用。如图2.3所示，吸流变压器为1：1的单卷变压器，其原边串入接触网中（在绝缘锚段关节处），次边串入回流线中，吸流变压器的间隔为3～4km，在两个吸流变压器的中间设有吸上线，用于将钢轨中的牵引电流吸入回流线。机车所处的BT间隔内存在“半段效应”，即在该BT段内接触网与回流线中的电流并不相等，防干扰效果并不明显，而在其余BT段内两者的电流大小相等，方向相反，防干扰效果非常明显。
但是，由于BT变压器自身存在较大的阻抗，且安装密度较大，其在牵引网中引起的电压将也较大。因此，在同等条件下，BT供电方式变电所间距小于其它供电方式，且每3～4km在接触网内存在断口，断口两端因BT自阻抗而存在一定的电压差，机车通过该断口时可能会产生电火花，导致接触网的使用寿命缩短。
图2.3 BT供电方式
（3）AT供电方式
AT（Auto-Transformer）供电方式又称自藕变压器供电方式，相对于其它供电方式而言，AT供电方式具有更好的防干扰效果和更大的供电潜力，特别适合于高速和重载铁路。如图2.4所示，牵引变电所主变压器二次侧±25KV端子分别接于接触网和正馈线，二次侧线圈中点接于钢轨。每隔10～15公里，将自藕变压器（AT1、AT2…）并入接触网和正馈线之间，自藕变压器中点与钢轨相连接。另外，上下行各架设有一根与钢轨并
联（通过扼流圈）的保护线，用于接触网或正馈线的闪络保护接地。自藕变压器实为单绕组变压器，该绕组设有中心抽头。理论上讲，除了机车所在的AT段（该AT段存在“半段效应”）以外，其余AT段内流经接触网中和正馈线中的电流大小相等，方向相反，且电流大小仅为机车电流之半。在钢轨和保护线之间每隔3～4km设有吸上线。
图2.4 AT供电方式
2 牵引网供电方式
目前，我国的牵引网供电技术主要经历了三个时代，从最初的直接供电方式，发展成吸流变压器－回流线供电方式，最后到现在的带回流线的直供方式和自耦变压器供电方式。整个发展过程就是对变压器的供电能力的不断提升，还有不断降低对通信线路的影响。早期我国的铁路电气化采用的是直接供电，采取接触网和轨－地直接构成回路，这样方式的结构简单，建设投入较少，后期的维护比较便宜，适合当时我国的铁路发展。但是随着目前经济的增长不断加快，这种直接供电方式的缺点暴露了出来，在经济发达地区对通信线路的干扰非常大。当时为了减少对通信线路的干扰，研发出一种吸流变压器－回流线供电方式，简称BT供电方式。BT供电方式是在建设牵引供电网时装设1：1的吸流变压器，通过回流线将电流回收到变电站，减少了对周围通信线路的干扰。但是这样会增加牵引供电网的阻抗，致使牵引网的供电距离变短，造价上升，并且容易出现火花间隙，这些问题都影响着BT供电方式的发展应用。牵引供电网的建设者们通过总结以上两种方式的缺点，根据我国现阶段的轨道交通特点，研究并广泛使用了带回流线的直供方式和自耦变压器供电方式。这两种供电方式的广泛应用，解决了牵引网阻抗问题，提升了供电网络的供电能力，最重要的是减少了对周围通信线路的影响。这两种方式中自耦变压器供电方式具有极强的供电能力，能够增加供电距离，牵引供电网的能量损失非常小，被广泛的使用在我国的告诉铁路的建设上，并且通过改进原有的AT供电方式，研发出新型的全并联AT供电方式，与原有的AT供电方式相比具有更小的电压损失，供电能力更强。
3 交流牵引供电系统
3.1牵引变压器
在整个电力系统中，牵引负荷是随机波动的，属于一种单项负荷。这是一种不对称的负荷，容易产生负序电流，影响整个线路的供电质量。随着铁路线路的运量增加，列车速度的加快，牵引变压器的容量也要随之不断增加。因此，对牵引变压器的技术不断发展研究，其实就是在不断的加强对负序抑制效果的提高以及对变压器的容量进行不断的扩大。建国初期，由于铁路的运量相对较少，运行速度相对较慢，因此对牵引变压器的容量要求也相对较小。当时单项牵引变压器靠着利用率较高，后期维护方便，成本低廉等众多优点，被广泛的使用在早期的铁路线上，能够满足当时的需要。但随着我国的经济飞速发展，变压器容量较小的单项牵引变压器已经不能满足现有的铁路运量的要求。为了能够满足轨道交通对大容量变压器的要求，采用YNd11 接线方式的牵引变压器得到了设计者的青睐。
YNd11 接线牵引变压器自身的容量较大，并且结构非常简单，制造工艺也比较成熟，最主要的是其仍保持三相，不仅能够满足牵引供电需要，还能为变电所提供稳定的三相电源。但是YNd11 接线变压器自身对负序电流没有很好的控制效果，容易影响电网中电能质量。我国的专家们为了解决这一难题，研制成功新型的Scott 接线牵引变压器，并且在大秦线、郑武线等区段上也广泛运用。新型的Scott 接线牵引变压器除了具有YNd11 接线牵引变压器的大容量优点外，还具有优良的负序抑制效果。研究结果证明，Scott 接线变压器负序电流表达式、电流不平衡度以及电压不平衡度，能够很好的抑制负序电流。但是Scott 接线变压器也有其自身的缺点，就是其结构非常复杂，制造的难度比较大，建设成本高。而随着社会生产力的不断进步，轨道交通行业不断发展，新型的具有一定的负序抑制效果的大容量V 型接线牵引变压器被设计者广泛运用。这种新型的变压器具有容量大、结构简单、制造成本低，建筑面积小的优点，因此在我国的现代电气化轨道交通建设中被广泛应用。
3.2交流牵引供电系统关键技术
近些年随着人们生活水平的提升，对出行的要求也正在加大，各大城市纷纷建构了自己的地铁轻轨系统，随之而来的是对电网电力系统更高的要求。最初的电网线路搭建主要采用的是直流制，现今时代也只有欧洲一些国家的部分线路仍沿用直流制。自上世纪60 年代，世界范围内修建的新线路全部都采用了交流制式。而交流制式的牵引供电系统也为大家展现了诸多优点，如：供电效果好、成本较低、电流量大、不存在杂散电流等。但是仍有一些缺点，如：当换相接入小型电网时会产生分相；牵引电流的谐波会产生一定的电磁干扰。
（1）电缆牵引网。如果建设时交流电对接触网进行供电，能够采取并联的方式，并且搭建备用的供电线路，这样两条供电线路都能正常使用，彼此成为备用线路。这样的交流供电方式比原有的直流供电方式增强了供电的可靠性，提升了供电的总量，减少了功率的损失程度。
（2）牵引网分段供电与保护。交流牵引供电网能够长距离传输，在最初的建设中被广泛应用。但采用上下行并行线路建设的话，投入的成本会比较高，搭建的设备也会比较复杂，一般采用分段式供电的形式。这样线路与接触网的设计既能同时进行，也能分开完成。而为了在建设时方便工人们施工，也会在变压器处采用统一分段，其他区间则分开分段。这是为了能够提升供电线路的可靠性，还能将故障风险降低，进行分段保护。
（3）主变电所供电方案。这种供电方式主要是根据交通线上的设备数量与所处位置的不同，采取单线、双线、多线等不同的方案设计，能够满足不同设备的不同需求。
4 结束语
交流牵引供电系统也有着诸多优点，如：供电效果好、成本较低、电流量大、不存在杂散电流等。交流牵引系统正逐渐成为各城际轨道交通的发展趋势，因此，其关键技术对城际轨道交通有着十分重要的意义。
参考文献：
[1]李群湛. 城市轨道交通交流牵引供电系统及其关键技术[J]. 西南交通大学学报，2015，v.50；No.22202：199-207.
[2]王宏宇. 城市轨道交通交流牵引供电系统及其关键技术[J]. 山东工业技术，2017，No.23101：97. 10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.083.
[3]王凡. 城市轨道交通交流牵引供电系统及其关键技术[J]. 工程技术研究，2017，No.905：107-108.2017-05-3113：40.44.1727.N.20170531.1340.09610.19537/j.cnki.209.
[4]吴江涛. 交直流混合区段交流供电系统对直流供电系统的影响分析[D].西南交通大学，2016.
[5]史明慧，张志学. 交流牵引供电系统电能质量治理综述[J]. 大功率变流技术，2013，02：37-42.
[6]李群湛，贺建闽著.牵引供电系统分析.成都.西南交通大学出版社.2007.
论文作者:刘晶,任韬
论文发表刊物:《基层建设》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/17
标签：方式论文; 供电系统论文; 变压器论文; 电流论文; 轨道交通论文; 线路论文; 电网论文; 《基层建设》2018年第1期论文;