摘要：鐵路和電力同為國(guó)家的重要基礎(chǔ)設(shè)施，電氣化鐵路的發(fā)展與其供電系統(tǒng)密不可分。電氣化鐵路是電網(wǎng)的重要用電負(fù)荷，同時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行也帶來一些新的問題。本文首先分析了電氣化鐵路供電系統(tǒng)的構(gòu)成，并對(duì)電力牽引的特點(diǎn)和優(yōu)越性進(jìn)行了說明，其次分析了電氣化鐵路供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問題，最后重點(diǎn)論述了電氣化鐵路供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；供電系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；牽引供電；供電方式
中圖分類號(hào)： U22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2104（2013）
一、電氣化鐵路供電系統(tǒng)的構(gòu)成
電氣化鐵道供電系統(tǒng)由一次供電系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)組成。電氣化鐵道供電系統(tǒng)的簡(jiǎn)單構(gòu)成如圖1所示。
1—區(qū)域變電站或發(fā)電廠2—110K三相交流高壓輸電線3—牽引變電所
4—饋電線5—接觸網(wǎng) 6—軌道、地 7—鋼軌回流電 8—電力機(jī)車
（一）一次供電系統(tǒng)
一次供電系統(tǒng)是指電力系統(tǒng)向電氣化鐵道的供電部分。在我國(guó)，電力系統(tǒng)通常以110kV的電壓等級(jí)向電氣化鐵道供電。圖1中，1為區(qū)域變電站或發(fā)電廠，2為三相交流高壓輸電線，這兩部分即為電氣化鐵道的一次供電系統(tǒng)。
（二）牽引供電系統(tǒng)
完成對(duì)電力機(jī)車供電的屬于鐵路部門管轄的裝置稱為電氣化鐵道的牽引供電系統(tǒng)。如圖1，它由牽引變電所3、饋電線4、接觸網(wǎng)5、鋼軌6和鋼軌回流線7等組成。
二、電力牽引的特點(diǎn)及優(yōu)越性
電氣化鐵路的供電系統(tǒng)是由發(fā)電廠集中提供電能，經(jīng)變電站，通過高壓輸電線（110kV）傳輸給牽引變電所，轉(zhuǎn)變成電壓27.5kV或55kV送到接觸網(wǎng)上，供給沿線運(yùn)行的電力機(jī)車。而牽引供電是指電力系統(tǒng)從鐵路牽引變電所開始，向牽引接觸網(wǎng)的供電。電力牽引是一種新型有軌運(yùn)輸牽引動(dòng)力形式。在干線鐵路、城市軌道交通運(yùn)輸和工礦運(yùn)輸中有著廣泛的作用。電力牽引是利用電能作為牽引動(dòng)力，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)鐵路列車、電動(dòng)車組和城市軌道交通車輛等有軌運(yùn)輸工具運(yùn)行的一種運(yùn)輸形式。
電力牽引按其牽引網(wǎng)供電電流制式不同，分為工頻單相交流制、低頻單相交流制和直流制。我國(guó)電氣化鐵路采用工頻單相交流制電力牽引，直流制電力牽引僅用于城市軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)和工礦運(yùn)輸系統(tǒng)。我國(guó)電力牽引供電系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有以下幾方面：
①電力機(jī)車是單相移動(dòng)性隨機(jī)負(fù)荷，是一種負(fù)序源。
�、诜蔷�性整流器機(jī)車，成為一種諧波源，并從電力系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)獲取無功。
�、酃╇姺绞郊霸O(shè)備種類多樣化，有直接供電方式、帶回流線的直接供電方式、串聯(lián)吸流變壓器、BT供電方式、自耦變壓器AT供電方式，這些供電方式的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)特性有較大的差異。對(duì)牽引變壓器，有單相、YN，d11接線、斯科特接線、伍德橋接線、阻抗匹配平衡型、三相不等容量型等形式，它們具有不同的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)。由于供電方式不同，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)類型也較多。
�、軤恳╇娤到y(tǒng)和電力機(jī)車在電氣上是—個(gè)連續(xù)的整體，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和信息化管理。
電力牽引的優(yōu)越性主要有以下幾點(diǎn)：
�、匐娏恳膭�(dòng)力大，生產(chǎn)效率高
電力牽引的能量取于強(qiáng)大的電力系統(tǒng)，牽引動(dòng)力大，能最大限度適應(yīng)鐵路運(yùn)輸多拉快跑的需要。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，電力牽引的生產(chǎn)效率比內(nèi)燃機(jī)車的生產(chǎn)效率高50％以上，對(duì)于客貨運(yùn)輸繁忙的鐵路干線，電力牽引的這種優(yōu)越性尤為顯著。
�、陔娏恳�(jié)省能源，經(jīng)濟(jì)效益好
一方面電力機(jī)車本身的電能轉(zhuǎn)換效率高；另一方面，電力的生產(chǎn)能夠高效率地綜合利用各種廉價(jià)的自然能源，這對(duì)于節(jié)約國(guó)家有限的煤炭、石油資源，提高鐵路運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益十分有利。
�、塾欣趦�(yōu)化生態(tài)環(huán)境，改善勞動(dòng)條件
電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生有害氣體，對(duì)鐵路沿線的居民和列車乘客不會(huì)造成危害，特別是在多隧道的山區(qū)線路，這種無有害氣體產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)更為可貴。電力機(jī)車的司乘人員工作條件好，維護(hù)檢修工作量小，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
三、電氣化鐵路供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問題
（一）牽引變壓器的選型問題
鐵路部門從經(jīng)濟(jì)性考慮，在牽引變壓器選型方面大多會(huì)采用V/V（V/X） 接線變壓器，會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的三相功率不平衡問題。而可大大減少對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)序影響的阻抗平衡牽引變壓器或Scott牽引變壓器，由于造價(jià)相對(duì)較高，往往不被選用。特別是220kV 三相平衡牽引變壓器，鐵路部門認(rèn)為目前尚無可靠制造和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，廣泛推廣面臨困難。
（二）系統(tǒng)短路容量問題
從保證高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的電壓水平、確保動(dòng)車組穩(wěn)定正常運(yùn)行的角度出發(fā)，要求在牽引變電站進(jìn)線處外部配套電源的系統(tǒng)短路容量一般不小于特定數(shù)值。目前給牽引變電站供電的110kV電源，鐵路方面提出的系統(tǒng)短路容量大都低于1000MVA，相當(dāng)多的牽引變電站短路容量在500 MVA 以下，有的甚至只有200、300 MVA，按此標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)電氣化鐵路供電工程，將導(dǎo)致系統(tǒng)壓降很大。從供電安全可靠性考慮，要達(dá)到這個(gè)要求供電部門有一定困難。因此為保障電氣化鐵路的安全供電，要加強(qiáng)對(duì)電氣化鐵路短路容量問題的合理性研究。
（三）負(fù)序諧波治理問題
近年來電氣化鐵路大量投運(yùn)，現(xiàn)有電氣化鐵路仍有部分線路存在著負(fù)序、諧波超標(biāo)等問題。隨著電氣化鐵路運(yùn)力的不斷提高，三相不平衡、諧波以及短路電流過大等問題會(huì)更加突出。由于鐵路部門在設(shè)備選取時(shí)注重經(jīng)濟(jì)性因素，電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響愈加突出。以大秦鐵路湖東牽引站為例，需要采用SVC實(shí)現(xiàn)諧波、負(fù)序治理，但鐵路部門反映設(shè)備占地面積大、不實(shí)用，新型、有利于治理負(fù)序和諧波的技術(shù)難以推廣。
