第二节　牵引供电系统概述

一、牵引供电系统的电流制

电流制是指牵引供电系统中牵引网的供电电流种类。目前中国主要采用以下两种。

1.直流制

牵引网的供电电流为直流，称为直流制。电力系统将三相交流电送到牵引变电所，经降压、整流变成直流电，再通过牵引网供给电力机车使用。直流制是世界上早期电气化铁道普遍采用的方式，目前有些国家的电气化铁路仍在应用。中国的直流制仅用于城市地下铁道、城市轻轨、城市电车、工厂矿山等。

直流制的供电电压有600V、750V、1200V、1500V、3000V等几种，城市电车一般为600V，地下铁道和城市轻轨一般为750V或1500V，矿山运输一般为1500V。

直流制的优点是直流牵引电动机易于调速，工作性能好，机车构造简单且整流技术比较成熟。直流制存在的主要问题是：直流牵引电动机额定电压受到换向条件的限制不能太高，通常只有1500V；由于供电电压较低，要保证电力机车足够的功率，供电电流就比较大，需要导线的截面大，金属消耗增加，线路损耗也大，所以牵引变电所之间的距离较短，一般只有20～30km，变电所的数量相应增加，并且为完成整流任务，牵引变电所必须有整流设备而使其变得较复杂。由于这些缘故，许多国家已逐渐停止发展直流制电气化铁路。而对于工矿企业、城市电车、地铁和轻轨供电，由于距离较近，对供电的安全性要求较高，所以采用电压较低的直流制供电更具有优越性。

2.工频单相交流制

牵引网的供电电流为工频单相交流，称为工频单相交流制。工频单相交流制最早出现在匈牙利，电压为16kV。1950年法国试建了一条25kV的工频单相交流电气化铁道。由于这种电流制的优越性比较明显，很快被许多国家所采用。中国电气化铁道建设一开始，就采用了这种电流制。

工频单相交流制的主要优点如下。

①牵引供电系统结构简单。牵引变电所从电力系统获得电能，经过降压后直接供给牵引网，不需要在变电所设置整流和变频设备，使变电所结构大为简化。

②供电电压提高。既可保证大功率电力机车的供电，提高电力机车的牵引定数和运行速度；又可使牵引变电所之间的距离延长，导线截面减小，建设投资和运营费用显著降低。

③交流电力机车的黏着性能和牵引性能良好。通过电力机车上变压器的调压，牵引电动机可以在全并联状态下工作，防止轮对空转，从而提高了运用黏着系数。

④交流制的地中电流对地下金属的腐蚀作用小，一般可不设专门的防护装置。

工频单相交流制存在的主要问题如下。

①单相牵引负荷在电力系统中形成负序电流。

②牵引负荷是感性的，功率因数低。

③牵引电流为非正弦波，含有丰富的谐波电流。

④牵引网中的工频单相电流对沿线通信线路造成较大的电磁干扰。

本教材所讨论的都是工频单相交流制的牵引供电系统，以后不再特别指明。

二、牵引供电系统的构成

电力牵引是以电能为动力能源，其牵引动力是电力机车。电力机车是一种非自给性机车，必须在电气化铁道沿线设置一套完善的、不间断的向电力机车供电的设备。由这种设备构成的供电系统叫做牵引供电系统。牵引供电系统由牵引变电所和牵引网构成，作用是接受电力系统的三相高压电能，经降压、分相后通过牵引网向电力机车供电。牵引供电系统的构成可用图1-8的示意图说明。

直接向牵引变电所供电的区域变电所（或发电厂）及高压输电线路，称为一次供电网络。一次供电网络的高压输电线一般分为两路，电压为110kV，近年来也有采用220kV的（哈大线）。相比之下，后者电源的可靠性和稳定性等技术指标相对更高。高压输电线路虽然专门用于牵引供电，但由国家电力部门修建并管理。电力系统和牵引供电系统以牵引变电所的110kV进线门形架为分界点。

1.牵引变电所

牵引变电所沿电气化铁道沿线分布，每一个牵引变电所负责两侧接触网的供电。牵引变电所的左、右两侧接触网称为供电臂或供电分区，一个供电臂的长度对应于线路的区间数约为1～5个。牵引变电所的作用是降压和分相，它将电力系统的三相高压电转换成两个单相电，通过馈电线分别供给两侧的接触网。

牵引变电所内的主要设备是牵引变压器。牵引变压器的原边额定电压为110kV（或220kV）；次边额定电压为27.5kV，比接触网额定电压25kV高10％；AT供电方式的牵引变压器次边额定电压为55kV或2×27.5kV。牵引变电所中通常设置两台结构和接线完全相同的牵引变压器，一台运行，一台备用。

2.牵引网

牵引网由馈电线、接触网、钢轨与地、回流线等组成。

馈电线是连接牵引变电所牵引母线和接触网的架空铝绞线。它将牵引变电所变换后的电能直接送到接触网。此外，馈电线还要向附近车站、机务折返段、开闭所等送电，所以馈电线的数目较多，距离也可能较长。

接触网是一种悬挂在轨道上方，沿轨道铺设的和钢轨保持一定高度的输电网，通过电力机车的受电弓与接触网滑动接触，牵引电能就由接触网进入电力机车，驱动牵引电动机使列车运行。接触网是牵引网的主体，沿铁道线路分布广、结构复杂、运行条件差，日常维修工作量大，故障多，对牵引供电的可靠性影响极大。

钢轨在非电牵引情况下只作为列车的导轨。在电力牵引时，流过电力机车的负荷电流经钢轨与地、回流线流回到牵引变电所。此时，钢轨除具有导轨的功能外，还需要具有良好的导电性能完成导通回流的任务。由于钢轨与地不绝缘，所以部分电流沿大地返回，形成地中电流。

回流线是连接钢轨和牵引变电所的导线。通过回流线把钢轨与地中的回路电流导入牵引变电所的牵引变压器。

3.牵引供电系统的其他供电设备

①分区亭　为了提高供电的灵活性和可靠性，在两个相邻牵引变电所的接触网末端通常设置分区亭。分区亭可以使单线区段相邻牵引变电所的相邻两接触网实行单边供电或双边供电，也可使复线区段牵引变电所的上、下行接触网实行分开供电或并联供电；当相邻牵引变电所发生故障而不能继续供电时，可以闭合分区亭内的断路器，由非故障牵引变电所实行越区供电。

②开闭所　开闭所通常设在车站、货场附近、电力机务段、枢纽站等大宗负荷处。开闭所内不进行电压变换，只扩大馈线回路数，并通过开关设备实现电路的开闭，相当于配电所。开闭所将供电臂分段，事故时可缩小事故范围，提高供电的可靠性与灵活性，减少了变电所的复杂性。

③AT所　牵引供电系统采用AT供电方式时，除牵引变电所、分区亭和开闭所外，在牵引网上还需有放置自耦变压器（AT）的场所，即AT所。

三、牵引供电系统的供电方式

牵引供电系统的供电方式，主要有直接供电方式、吸流变压器-回流线供电方式、带回流线的直接供电方式、自耦变压器供电方式、同轴电缆供电方式五种。

1.直接供电方式

直接供电方式简称TR供电方式。这种方式最简单，投资最小，但钢轨电位较高，对通信线的感应最大。其原理电路如图1-9所示。

2.吸流变压器-回流线供电方式

吸流变压器-回流线供电方式简称BT供电方式。这种方式有吸流变压器BT串入接触网，BT的间隔为1.5～4km，用以吸回地中电流，减少通信干扰。BT的投入增加了牵引网结构的复杂性，提高了造价，并且使牵引网阻抗变大，供电臂长度减小，约为直接供电方式的3/4。此外，BT的分段使得接触网存在断口，不利于高速、重载大电流运行。但这种供电方式的钢轨电位低，抑制通信干扰的效果很好。其原理电路如图1-10所示。

3.带回流线的直接供电方式

带回流线的直接供电方式简称DN供电方式。这种方式是在直接供电方式的基础上并联架空回流线，可以使钢轨电位大大降低，使通信线的干扰得到较好抑制，还能降低牵引网阻抗，使供电臂延长约30％。其原理电路如图1-11所示。

DN供电方式具有结构较简单、投资较少、有一定的防通信干扰的作用等特点。

4.自耦变压器供电方式

自耦变压器供电方式简称AT供电方式。这种供电方式是将自耦变压器AT并联于牵引网中，AT的间隔约10km。AT供电方式既克服了BT串联入网产生的分段缺陷，又降低了牵引网阻抗，供电电压成倍提高，供电距离长，约为直接供电方式的170％～200％，牵引网的电压损失和电能损失都小，适于重载、高速、大电流运行。AT供电方式的钢轨电位较低，抑制通信线干扰的效果与BT方式相近，但投资更高，且牵引变电所的结构复杂。其原理电路如图1-12所示。

5.同轴电缆供电方式

同轴电缆供电方式简称CC供电方式。这是一种新型的供电方式，中国只是进行过研究与试验。这种供电方式是将同轴电力电缆（CC）沿铁路线埋设，其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连接，且每隔5～10km一个分段。这样，馈电线与回流线在同一电缆中，间隔很小，且同轴布置，使得互感系数增大，且同轴电力电缆的阻抗比接触网和钢轨的阻抗小得多，牵引电流和回流几乎全部从电缆中流过；电缆芯线与外层导体电流相等，方向相反，二者形成的电磁场相互抵消，对邻近通信线路几乎没有干扰，吸流效果和抑制通信干扰的效果均优于BT和AT供电方式。CC供电方式的牵引网阻抗和供电距离与AT供电方式相近，钢轨电位较低，接触网结构简单，对净空要求低，适于重载、高速、大电流运行，但同轴电缆的造价太高，这限制了它的广泛应用。其原理电路如图1-13所示。

四、牵引变电所的外部电源供电方式

按国家规定，电气化铁道为一级电力负荷，对供电的可靠性要求很高。通常要求每个牵引变电所必须由两路输电线路供电，其中每路输电线要有各自的杆塔和走线，还应能承担牵引变电所的全部负荷。这样，当一路输电线发生故障或检修时，还有一路输电线送电，保证牵引变电所不致长时间中断供电。

1.单侧供电

单侧供电是指牵引变电所的电能只由电力系统的一个方向送来，如图1-14所示。图中，牵引变电所C1、C2、C3都只由右侧的发电厂A用两路输电线供电。

2.双侧供电

双侧供电是指牵引变电所的电能由电力系统的两个方向送来，如图1-15所示。图中，牵引变电所C的两侧都有电源，左侧发电厂A1用一路输电线向牵引变电所供电，右侧发电厂A2也用一路输电线向牵引变电所供电。

3.环形供电

环形供电是指若干个发电厂、区域变电所通过输电线连接成环形电网，而牵引变电所处于环形电网的一段环路之中，如图1-16所示。图中，牵引变电所C就处于电力系统的一段环路之中而构成环形供电。

牵引变电所一次侧供电方式，究竟采用单侧供电，还是双侧供电或环形供电，决定于电气化铁路所经过的地区电力系统的具体情况。双侧供电和环形供电比单侧供电具有更高的可靠性和更好的供电质量。双侧供电的优点在于任一发电厂故障时，牵引变电所的供电不会中断。环形供电除具有双侧供电的优点外，还具有电力系统的频率稳定、电压波动幅度较小的优点。因此，电力系统对牵引变电所的供电方式，应尽可能采用双侧供电甚至环形供电。通常在一条很长的电气化铁道上，往往同时采用几种不同的供电方式。

五、牵引变电所向牵引网的供电方式

1.单线区段

（1）单边供电

电力机车取用的电流来自一个牵引变电所时，称为单边供电。如图1-17中，当分区亭的隔离开关打开时，两相邻变电所之间毗连的供电臂相互绝缘，无论电力机车运行至什么位置，其电流均由一个牵引变电所供给。

单线单边供电每个供电臂独立供电，牵引变电所的倒闸操作、馈线保护都比较简单，故目前普遍采用。需要注意的是，相邻两变电所之间毗连的供电臂应设置为同相，这样在必要时可将分区亭内的开关闭合，可实现越区供电或双边供电。

（2）双边供电

电力机车取用的电流来自相邻的两个牵引变电所时，称为双边供电。如图1-17中，当分区亭的隔离开关闭合时即为双边供电，无论电力机车运行至什么位置，其电流均由相邻的两个牵引变电所共同供给。

实现双边供电的条件是：两相邻牵引变电所需由同一电力系统供电，以确保有相同的频率；两相邻牵引变电所的牵引端口应同相，否则将造成异相短路。

单线双边供电时，在牵引负荷相同的情况下，由于电流从两边流向电力机车，所以每条馈电线的电流数值较小，从而减小牵引网的电压损失和电能损失，有利于改善牵引网的电压水平，降低运营成本；设备（接触悬挂、牵引变压器）负载较均匀；同时，由于电力机车两边的供电电流方向相反，可以减小对邻近通信线路的电磁感应影响。双侧供电的主要缺点是牵引变电所的倒闸操作、馈线保护比较复杂；同时，当两牵引变电所的电压有差异时，可能出现穿越电流或不平衡电流，从而产生附加的电能损失。

2.复线区段

和单线区段一样，复线区段也有单边供电和双边供电。但由于复线双边供电分区亭设备复杂，对接触网短路故障的保护十分困难，故目前中国只采用复线单边供电。

（1）单边分开供电

如图1-18所示，供电臂的上、下行接触网分开，电力机车取用的电流仅由上行或下行接触网一条线路供给，即为复线单边分开供电。

复线单边分开供电的优点是开关设备、倒闸操作、馈线保护比较简单。缺点是牵引网的电压损失和电能损失较大，上、下行接触网之间容易出现较大的电压差。

（2）单边并联供电

如图1-19所示，供电臂的上、下行接触网在末端连接起来，电力机车取用的电流由上、下行接触网两条线路共同供给，即为复线单边并联供电。

复线单边并联供电时，电力机车由上、下行接触网两条线路并联供电，使牵引网阻抗减小，从而使牵引网的电压损失和电能损失显著减小，故目前普遍采用。复线单边并联供电的缺点是分区亭设备复杂，如果再考虑相邻变电所故障时进行越区供电等情况，分区亭需设4台断路器，除两台作末端并联用外，另外两台将相邻变电所两供电臂接触网相连，这就增加了运营维修的工作量。

（3）单边全并联供电

如图1-20所示，供电臂的上、下行接触网除在末端连接起来外，还在供电臂中每隔一定距离，一般是在每个车站利用柱上负荷开关将上、下行接触网连接起来，电力机车取用的电流也是由上、下行接触网两条线路共同供给，即为复线单边全并联供电。并联负荷开关可以自动投切，也可以经设于车站的远动终端RTU由电力调度控制。

单边全并联供电方式比末端并联供电更能有效地减小接触网阻抗，降低接触网电压损失和电能损失。它还能对接触网的短路故障进行有效的保护，即当接触网短路故障时，牵引变电所两馈线断路器自动跳闸，接触网瞬时失电，负荷开关随即自动断开，上、下行接触网分开，此时，通过变电所的故障判断装置确定其故障线路，而非故障线路即刻自动重合送电。如果是瞬时性故障，两条线路分别送电成功后，负荷开关自动重合，又恢复到全并联供电方式。