第三節　鐵路供電系統介紹

電力系統是發電、輸電、變電、配電到用電的一個有機整體，其動力源可以是水能、熱能等傳統能源，也可以是太陽能、風能、核能等新能源，而鐵路供電系統是電力系統中具有特殊負荷特性的一個子系統。電力系統示意圖如圖1-6所示。

鐵路供電系統分為兩部分：電力供電和牽引供電。電力供電系統為調度指揮、通信信號、旅客服務等業務提供可靠的電力保障，而牽引供電系統為電氣化鐵路的電力機車（動車組）提供電能。

一、電力供電系統簡介

鐵路電力供電線路一般由沿鐵路全線設置的一條一級負荷電力貫通線和一條綜合電力貫通線構成。電力貫通線電壓等級通常為10kV，供電距離30～50km，特殊情況下如青藏鐵路采用35kV電壓等級，供電距離超過100km。沿線與行車有關的通信、信號、綜調系統等由一級負荷電力貫通線主供，綜合電力貫通線備供。其他用電負荷及各牽引變電所所用電源由綜合電力貫通線提供電源，在區間各用電點設置10kV箱式變電站。京津城際客運專線電力供電系統示意圖如圖1-7所示。

變配電所兩路相互獨立的進線電源由公共電網提供，進線電壓等級有10kV、35kV、110kV、220kV等。

電力負荷分為車站負荷和區間負荷兩大類。車站負荷主要為通信、信號、防災報警、自動檢售票、客服、電力監控、消防系統、各類水泵、各類通風機、空調、自動扶梯、電梯、電熱設備和各類生產生活照明及站區照明負荷。區間負荷主要為通信、信號中繼站、光纖直放站、牽引變電所操作電源、隧道照明及監控設備等。按重要程度分為三個負荷等級，最重要的一級負荷包括：通信、信號、防災報警、自動檢售票、客服、電力監控、消防系統、應急照明、站臺照明、地下出站廳照明、主控制室照明等。

二、牽引供電系統簡介

牽引供電系統示意圖如圖1-8所示。

1.牽引變電所（圖1-9）

牽引變電所的作用是將電力系統引入的110kV或220kV三相交流電變換成27.5kV的單相交流電，通過饋電線送至電路沿線的接觸網，為電力機車供電。有少數牽引變電所還承擔向鐵路地區工農業用戶的10kV動力負荷供電。牽引變壓器除了采用電力系統常規的普通三相變壓器外，為滿足牽引負荷的特殊需求還常采用特殊接線變壓器，如單相接線、V/V接線、斯科特接線、阻抗匹配平衡接線等變壓器。

2.分區所（圖1-10）

為了增加供電的靈活性，在兩個牽引變電所的供電區中間常增設分區所。斷路器1QF、2QF正常工作時閉合，實現上、下行牽引網并聯運行。隔離開關1QS、2QS在正常運行時斷開，當相鄰牽引變電所發生故障而不能繼續供電時，可以閉合1QS、2QS由非故障牽引變電所實現越區供電，使行車不至中斷。

3.開閉所（圖1-11）

在電氣化鐵路樞紐地區，客運站、編組站和電力機車機務段等鐵路設施較集中的地方，由于站線延續長且股道數量多，接觸網結構和配置復雜，客貨運交會、編組和電力機車整備作業繁忙，致使該地區牽引網發生故障的幾率增多。為了保證樞紐供電的可靠性，縮小事故范圍，一般將接觸網橫向分組及分區供電。因此設置開閉所，由相鄰兩牽引變電所的牽引饋線經斷路器1QF、2QF向它供電。通過開閉所的多路饋線和斷路器（3QF～6QF）向站場、電力機車機務段等牽引網供電，7QF、8QF為旁路斷路器。

4.AT所（圖1-12）

采用AT供電方式時，在沿線間隔10km左右設置一個自耦變壓器站（AT所）。

5.牽引供電的方式

（1）直接供電方式（圖1-13）

直接供電方式的供電回路為：

牽引變壓器→牽引母線→饋電線→接觸網→電力機車→區間鋼軌→回流線→牽引變壓器接地端子

這種方式的特點是結構簡單、造價低。主要缺點是對鐵路沿線通信干擾大。早期的牽引網和邊遠山區的牽引網多采用這類供電方式。

（2）DN供電方式（圖1-14）

在直接供電方式的基礎上，增加與鋼軌并聯的架空回流線，即帶回流線的直接供電方式。

這種供電方式的牽引電流回路為：

牽引變壓器→牽引母線→饋電線→接觸網→電力機車→區間鋼軌和回流線→牽引變壓器接地端子。

這種供電方式使原來流經大地和鋼軌的部分電流經架空回流線回牽引變電所，架空回流線中的電流與接觸網電流方向相反，距離近，兩者產生的電磁場明顯較直接供電方式小，對鐵路沿線通信干擾小，這是DN供電方式的優點。

（3）BT供電方式（圖1-15）

BT供電方式就是在牽引網中，每相距1.5～4km間隔，設置一臺1∶1的變壓器，它的一次側繞組串接在接觸導線上，二次側繞組串接在特設的回流線或鋼軌上。

（4）AT供電方式（圖1-16）

隨著鐵路的提速，高速、大功率電力機車的不斷投入運行，機車通過吸流變壓器處的接觸網分段時，產生很大的電弧，極易燒損機車受電弓滑板和接觸線，且BT供電方式的單位牽引網阻抗大，造成很大的電壓和電能損失。為此引入自耦變壓器供電方式，即AT供電方式。

兩臺自耦變壓器之間的距離稱為自耦變壓器間距，一般為10km左右。為了減少對通信線路的電磁干擾，正饋線與接觸導線架設在同一支架上。

AT供電方式的特點：

①AT供電方式中自耦變壓器是并聯連接在接觸網和正饋線之間，與BT供電方式相比，提高了供電可靠性。在BT供電方式下，吸流變壓器的一次側繞組串接在接觸導線上，所以在每一個吸流變壓器處接觸網必須電分段。這樣就增加了接觸網的維修工作量和事故率，降低了供電可靠性。在AT供電方式下，自耦變壓器是并聯在接觸網和正饋線之間，不存在上述問題，所以有利于高速和大功率電力機車運行。

②減小了對通信線路的干擾。在自耦變壓器作用下，牽引負荷電流經接觸網和正饋線供給，且由于接觸網和正饋線的電壓為電力機車的2倍，在功率相同的情況下，經接觸網和正饋線的電流為機車負荷電流的一半。接觸網和正饋線是同桿合架，兩個方向相反的電流對外界的電磁干擾基本抵消，所以對通信線路的干擾大大降低。

③AT供電方式的饋電電壓高，供電能力大，電壓下降率小。AT供電方式的饋電電壓為BT供電方式的2倍。同時對于相同的牽引負荷，AT供電方式的電壓下降率為BT供電方式的1/4，從理論上看，牽引變電所的間距可以增大4倍。在實際應用中，由于供電區段的加長，區段上同時運行的列車增多，負荷將增大，因此AT供電方式下的牽引變電所間距一般為BT供電方式間距的2～3倍，牽引變電所的數量可以減少，從而節省投資。

（5）全并聯AT供電方式（圖1-17）

隨著我國高速鐵路和重載鐵路的快速發展，AT供電方式越發顯示出較其他供電方式的優點，為進一步提高牽引網電壓，減小牽引網電能損失，采用了牽引網在AT所和分區所處進行上下行并聯的接線方式，稱為全并聯AT供電方式。我國高速鐵路普遍采用全并聯AT供電方式。

三、牽引所主要設備介紹

1.一次設備

一次設備是指發、輸、配電的主系統上所使用的設備。如發電機、變壓器、斷路器、隔離開關、母線、電力電纜和輸電線路等。

2.二次設備

對一次設備的工作進行控制、保護、監察和測量的設備。如測量儀表、繼電器、操作開關、按鈕、自動控制設備、計算機、信號設備、控制電纜以及提供這些設備能源的一些供電裝置（如蓄電池、硅整流器等）。

3.一次設備介紹

（1）斷路器

斷路器既可用于在正常情況下接通和斷開電路，又可用于切除短路故障電流，因此其同時承擔著控制和保護的雙重任務。

①油斷路器：指觸頭在斷路器油中開斷，利用斷路器油作為滅弧介質的斷路器。

②SF6斷路器：以SF6氣體作為滅弧介質，或兼作絕緣介質的斷路器。

③真空斷路器：指觸頭在真空中開斷，利用真空作為絕緣介質和滅弧介質的斷路器。

（2）牽引變壓器

牽引變壓器是將三相電力系統的電能傳輸給兩個各自帶負載的單相牽引線路。兩個單相牽引線路分別給上下行機車供電。在理想的情況下，兩個單相負載相同。所以，牽引變壓器就是用作三相變二相的變壓器。

根據變壓器繞組數量及接線方式，主要有：單相變壓器、平衡變壓器、Yn，d11變壓器、V/V變壓器、V/X變壓器、SCOTT變壓器。

（3）隔離開關

在電路中起隔離作用。刀閘的主要特點是無滅弧能力，只能在沒有負荷電流的情況下分、合電路。

（4）電壓互感器

作用就是變換線路上的電壓。變換電壓的目的，主要是給測量儀表和繼電保護裝置提供弱電壓，使其能夠測量線路的電壓、功率和電能，或者用來在線路發生故障時保護線路中的貴重設備，比如接觸網和變壓器等。

其工作原理與變壓器相同，基本結構也是鐵芯和原、副繞組。特點是容量很小且比較恒定，正常運行時接近于空載狀態。

（5）電流互感器

把數值較大的一次電流通過一定的變比轉換為數值較小的二次電流，用來進行保護、測量等用途。

四、綜合自動化系統在鐵路供電系統中的作用

1.鐵路供電系統的三種狀態

正常工作狀態——正常監視開關狀態及測量信息。

不正常工作狀態——需要發告警信號。

母線電壓、線路電流、設備功率、系統頻率這幾項指標中部分條件不能滿足，稱為不正常運行狀態。

故障狀態——需要切除故障點。

供電系統的所有一次設備在運行過程中由于外力、絕緣老化、過電壓、誤操作、設計制造缺陷等原因會發生例如短路、斷線等故障。最常見同時也是最危險的故障是發生各種類型的短路。

2.繼電保護裝置

定義：能反應供電系統中電氣設備發生故障或不正常運行狀態，并動作于斷路器跳閘或發出信號的一種自動裝置。

（1）功能：

①自動、迅速、有選擇性地將故障元件從供電系統中切除，使故障元件免于繼續遭到損壞，保證其他無故障部分迅速恢復正常運行。

②反應電力設備的不正常運行狀態，并根據運行維護條件，而動作于發出信號或跳閘。此時一般不要求迅速動作，而是根據對供電系統及其元件的危害程度規定一定的延時，以免暫短的運行波動造成不必要的動作和干擾引起的誤動。

（2）繼電保護裝置的基本原理（圖1-18）：

第一步：首先必須“區分”供電系統的正常、不正常工作和故障三種運行狀態。

不同運行狀態下具有明顯差異的電氣量有：流過電力元件的相電流、序電流、功率及其方向；元件的運行相電壓幅值、序電壓幅值；元件的電壓與電流的比值即“測量阻抗”等。

第二步：通過比較，保護裝置按一定的邏輯關系判定故障的類型和范圍，最后確定是否應該使斷路器跳閘、發出信號或不動作，并將對應的指令傳給執行輸出部分。

第三步：執行輸出元件根據邏輯判斷部分傳來的指令，發出跳開斷路器的跳閘脈沖及相應的動作信息、發出警報或不動作。

電流互感器TA將一次電流變換為二次電流5A或1A，送入電流繼電器KA（測量比較元件），當流過電流繼電器的電流大于其預定的動作值（整定值，可調整）時其輸出啟動時間繼電器KT（邏輯部分），經預定（可調整）的延時（邏輯運算）后，時間繼電器的輸出啟動中間繼電器KM（執行輸出）并使其接點閉合，接通斷路器的跳閘回路，同時使信號繼電器KS發出動作信號。

3.綜合自動化系統

變電所自動化系統是將變電所的二次設備（包括測量儀表、信號系統、繼電保護、自動裝置和遠動裝置等）經過功能的組合和優化設計，利用先進的計算機技術、現代電子技術、通信技術和信號處理技術，實現對全所設備的自動監視、自動測量、自動控制和保護，以及與調度通信等綜合性的自動化功能。牽引供電變電所綜合自動化系統結構圖如圖1-19所示。

綜合自動化系統的主要功能：

①監控子系統

監控系統取代常規的測量系統，取代指針式儀表；改變常規的操作機構和模擬盤，取代常規的報警、中央信號、光字牌以及RTU裝置等。

②繼電保護子系統

繼電保護子系統應滿足快速性、選擇性、靈敏性和可靠性的要求，其工作不受監控子系統和其他子系統的影響。

③通信子系統

通信子系統包括系統內部現場級的通信和系統與上級調度的通信兩部分。