CN101580032A - 一种电气化铁路at供电系统 - Google Patents

Abstract

一种电气化铁路AT供电系统，其组成为：牵引变电所的55kV的牵引变压器次边的一输出端与铁道牵引网的接触线相连，另一输出端与铁道牵引网的负馈线相连；铁道牵引网每隔10～20km设置自耦变压器，与牵引变压器邻近的自耦变压器与牵引变压器的距离为5－15km；自耦变压器的一端与铁道牵引网的接触线相连，中点与钢轨相连，另一端与铁道牵引网的负馈线相连。牵引变压器出口不设自耦变电所，减少投资；牵引变压器无中间抽头，无需布置牵引变电所出口的钢轨回流线，简化牵引变压器制造难度，提高牵引变压器容量利用率；第一个AT段的接触线、负馈线电流始终为负荷电流的一半，提高了线路传输能力。

Description

一种电气化铁路AT供电系统

技术领域

本发明涉及一种电气化铁路的牵引供电系统，尤其涉及一种电气化铁路的AT供电系统。

背景技术

牵引供电系统是一种特殊的单相供电方式，目前世界上使用的牵引供电方式主要有直接供电方式和AT供电方式。传统直接供电方式供电距离短、防通信干扰能力弱，已不能适应高速、重载铁路的发展要求。AT供电方式供电距离长、传输功率大、抗通信干扰能力强，是高速、重载铁路发展的主要方向。

目前使用的AT供电方式主要有日本AT供电模式和法国AT供电模式。

一、日本AT供电模式

日本AT供电模式的结构：日本模式为55kVAT供电系统，如图1所示，牵引变电所的牵引变压器次边输出55kV电压，牵引变电所SS出口带自耦变压器ATS01和ATS02。牵引变压器次边一个端口Q2与出口自耦变压器ATS01、ATS02的a端相连，牵引变压器次边另一端口Q1与出口自耦变压器ATS01、ATS02的b端相连。沿线布置的其他自耦变压器(如图1中的ATS1、ATS2、ATS3、ATS4)的a端与接触网接触线T连接，这些变压器的中点o与钢轨R连接，b端与接触网负馈线F连接。

日本AT供电模式的工作原理：

1)列车运行在牵引变电所出口的第一个AT段

以列车运行在第一个AT段(图1中的ATS01-ATS3)为例，说明该供电模式的工作原理。列车电流的传输路径的如图1所示，列车总电流为i，其中k为列车电流在钢轨R两侧的分配系数，该系数与列车位置有关，其值在0-1之间变化，当列车位于自耦变压器ATS01时，k接近0，列车远离自耦变压器ATS01，逐渐向自耦变压器ATS3靠近时，k逐渐增加到1；由于列车位置的变化，自耦变压器ATS01到自耦变压器ATS3之间的接触线T电流、钢轨R电流、负馈线F电流是变化的，其电流取值范围分别为0-i、0-i、0-i；牵引变压器SS出口到接触线T之间的电流、牵引变压器SS出口到负馈线F之间的电流始终为列车电流i的一半即0.5i，该电流也等于牵引变压器SS次边绕组流过的电流，决定了牵引变压器SS的次边绕组容量，牵引变压器SS次边绕组容量(55kV×0.5i)等于负荷容量(27.5kV×i)。

2)列车运行在第一个AT段之外的AT段

以列车运行在图1中牵引变电所左侧供电臂的ATS1-ATS2段为例，说明列车运行在第一个AT段之外的原理。列车总电流为i，其中k为列车电流在钢轨R两侧的分配系数，其值在0-1之间变化，当列车位于自耦变压器ATS1时，k接近1，列车远离自耦变压器ATS1，逐渐向自耦变压器ATS2靠近时，k逐渐减小到0。由于列车位置的变化，自耦变压器ATS1到自耦变压器ATS2之间的接触线T电流、钢轨R电流、负馈线F电流是变化的，其电流取值范围分别为0-i、0-i、0-i；ATS2到ATS02之间的接触线T电流、负馈线F电流、牵引变压器SS出口到接触线T之间的电流、牵引变压器SS出口到负馈线F之间的电流始终为列车电流i的一半0.5i。

日本AT供电模式的优点是：1)牵引变压器的次边绕组容量等于负荷容量，与列车位置的变化无关；2)列车在第一个AT段之外运行时，第一个AT段的接触线线路和负馈线线路最大容量均为负荷容量的一半。但其不足是：牵引变压器出口带有自耦变压器，投资较大。

二、法国AT供电模式

法国AT供电模式结构如图2所示。为2×27.5kV AT供电方式，牵引变压器SS中间抽头，每相输出3个端口，分别为Q1、Q2、Q3，端口Q1和Q2之间的电压为27.5kV，端口Q2和Q3之间的电压为27.5kV，钢轨通过N线连接到牵引变压器中间抽头端口Q2，端口Q1连接到负馈线F，端口Q3连接到接触线T。

法国AT供电模式的工作原理：该模式下，牵引变压器SS次边中间抽头，次边相当于共用一个端口的双绕组；列车电流的传输主要由两种路径共同作用，其一是55kV的AT供电传输路径：牵引变压器次边端口Q3-列车-自耦变压器-牵引变压器SS次边端口Q1；其二是直接供电传输路径：牵引变压器SS次边端口Q3-列车-牵引变压器SS次边端口Q2构成的27.5kV。法国AT供电模式是直接供电方式和AT供电方式的结合，列车电流在直接供电传输路径和AT供电传输路径中的分配取决于这两个路径的阻抗关系。列车离牵引变电所越近，直接供电传输路径阻抗越小，流过直接供电传输路径的电流就越大，整个供电系统性能更接近直接供电系统的性能；当列车远离牵引变电所时，直接供电传输路径阻抗相对于AT供电传输路径阻抗增加快，流过AT供电传输路径的电流增加，列车离牵引变电所越远，整个供电系统性能越接近AT供电系统性能。

列车电流的传输过程如图2所示，列车总电流为i，整个电流传输过程受系数k和p共同影响，其中k为列车电流在直接供电传输路径和AT供电传输路径中的电流分配系数，0≤k＜1，p为AT供电传输路径中的电流向左右两个自耦变电所的分流系数，0≤p≤1。直接供电传输路径的电流为(1-k)i，传输路径如图2中实线箭头所示；AT供电传输路径的电流为k·i，该电流按分配系数p向左右两个自耦变电所分流，传输路径如图2中空心箭头所示。

列车位置与k的关系：当列车向牵引变电所SS出口靠近时，k逐渐减小到0，直接供电传输路径的电流逐渐增加，AT供电传输路径电流减小，离牵引变电所SS越近，越接近直接供电方式效果；列车远离牵引变电所SS出口时，k逐渐增加，直接供电传输路径的电流逐渐减小，AT供电传输路径电流逐渐增加，离牵引变电所SS越远，越接近AT供电效果。列车到达牵引变电所SS的供电臂末端时，k取得最大值，但由于直接供电传输路径始终存在分流，使得k达不到1。

列车位置与p的关系：列车在两个自耦变电器之间变时，p随着列车距离自耦变电所位置的变化而变化，如当列车靠近自耦变电器ATS1(ATS4)时，p等于1，远离自耦变电器ATS1，靠近自耦变电器ATS2(ATS3)时，p逐渐减小到0。

无论列车处于任何位置，27.5kV直接供电传输路径始终存在，即无论列车处于任何位置，k≠1。在传输相同功率情况下，27.5kV直接供电比55kVAT供电的电流大，使得法国AT模式的接触线T电流比日本AT模式的接触线电流大。牵引变压器SS端口Q2-Q3之间的绕组所承受的负荷容量为27.5kV×(1-0.5k)i，当列车在牵引变电SS出口时，k为0，此时Q2-Q3之间的绕组承担负载全部容量；牵引变压器SS端口Q1-Q2之间的绕组所承受的负荷容量为27.5kV×0.5ki，当k为1时，Q1-Q2之间的绕组承担负载容量的一半；牵引变压器次边绕组的总容量为Q1-Q2绕组与Q2-Q3绕组容量之和，总容量等于负载容量的1.5倍。

法国AT供电模式的特点：1)牵引变压器次边需中间抽头，变压器制造难度加大，特别是带中间抽头的平衡变压器制造难度显著增加；2)受牵引变压器次边中间抽头的影响，该供电方式是直接供电方式和AT供电方式的结合，供电性能受线路阻抗影响较大，在列车靠近牵引变电所时接近直接供电方式特性，在列车远离牵引变电所时，接近AT供电方式特性；3)牵引变压器次边的两个绕组容量不同，次边绕组总容量为1.5倍负载容量，而日本AT供电模式的次边绕组容量为1倍负荷容量，因此与日本AT供电模式相比增加了牵引变压器制造成本。

总之，在供电性能上日本AT供电模式较好，但投资较高，法国AT供电模式，由于减少了一台自藕变压器，投资有所降低，但在供电性能上有一定局限，且牵引变压器构造复杂，造价高。

发明内容

本发明的目的是提供一种电气化铁路的AT供电系统，该系统牵引变压器和接触线线路的容量利用率高，牵引变压器制造难度小；投资小，供电性能好。

本发明解决其技术问题，所采用的技术方案为：一种电气化铁路AT供电系统，其组成为：

牵引变电所的55kV的牵引变压器次边的一输出端与铁道牵引网的接触线相连，另一输出端与铁道牵引网的负馈线相连；

铁道牵引网每隔10～20km设置自耦变压器，与牵引变压器邻近的自耦变压器与牵引变压器的距离为5-15km；自耦变压器的一端与铁道牵引网的接触线相连，中点与钢轨相连，另一端与铁道牵引网的负馈线相连。

本发明的工作原理是：

1)列车在牵引变压器与第一个自耦变压器之间的第一个AT段时，由于列车电流i只能通过钢轨一侧(自耦侧)流到第一个自耦变压器的中点，而钢轨另一侧与牵引变压器不相连，因此列车电流i不会在钢轨两侧进行分配，由于自耦变压器的自耦特性，钢轨一侧(自耦侧)电流流入自耦变压器后，被均分到负馈线和接触网；接触线和负馈线上的电流均为负荷电流的一半(0.5i)。

2)列车在邻近牵引变电所的第一AT段之外的工作原理，列车电流向所在位置两侧的自耦变压器分流，分别为k·i和(1-k)i，在自耦变压器作用下，k·i和(1-k)i分别被均分到接触线和负馈线上。在两侧自耦变压器之间的接触线、负馈线最大电流为i，但邻近牵引变电所的第一个AT段的接触线、负馈线电流始终为列车电流的一半。

与现有技术相比，本发明技术的有益效果是：

一、投资省与日本AT供电系统相比，牵引变电所出口不设自耦变压器，一个牵引变电所即可降低约300万元左右的投资，整个供电系统将节省大量投资。与法国的AT供电方式相比，本发明的供电系统的牵引变压器不需要中间抽头，减小了牵引变压器的制造难度，同时省去了牵引变电所的轨回流线布置，也节省了不少的投资。

二、牵引变压器二次侧绕组容量(55kV×0.5i)始终等于负载容量(27.5kV×i)，与法国模式的AT供电方式相比，牵引变压器的安装容量低，既节省投资，同时增加了牵引变压器的运行可靠性和使用。

三、无论列车位置如何，第一个AT段的接触线、负馈线所流过的电流始终为负载电流的一半，与法国AT供电方式、日本AT供电方式相比，接触线最大电流减小了一半，提高了线路传输效率，特别适合高速铁路、重载铁路大功率传输需求。

四、牵引变压器出口附近的钢轨自耦侧的电流始终为负荷电流，而日本和法国方式钢轨自耦侧仅最大电流为负荷电流，虽然本发明的钢轨自耦侧电流大，但由于钢轨的截面积大，承载电流能力强，不需另外投资。它特别适合于钢轨接地，钢轨电位始终为零的铁道线路，不会因为钢轨电流大而使得钢轨电位高，对钢轨附近的通信产生干扰等问题。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1是现有的日本模式AT供电系统结构示意图。

图2是现有的法国模式AT供电系统结构示意图。

图3是本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

实施例

图3示出，本发明的一种具体实施方式为：

一种电气化铁路AT供电系统，其组成为：

牵引变电所的55kV的牵引变压器SS次边的一输出端Q1与铁道牵引网的接触线T相连，另一输出端Q2与铁道牵引网的负馈线F相连；

铁道牵引网每隔10～20km设置自耦变压器，如图3中的ATS1、ATS2、ATS3、ATS4；与牵引变压器邻近的自耦变压器，即图3中的ATS2、ATS3，与牵引变压器SS的距离为5-15km。所有自耦变压器的一端a与铁道牵引网的接触线T相连，中点o与钢轨R相连，另一端b与铁道牵引网的负馈线F相连。

本发明的具体工作过程和原理如下：

一、列车运行在第一个AT段

以图3中右侧供电臂中，列车在牵引变电所SS与与牵引变压器邻近的自耦变压器ATS3之间为例说明。由于列车电流i只能通过钢轨R向右流到第一个自耦变压器ATS3的中点，而钢轨R与牵引变压器SS不相连，因此列车电流i不会向左流动，也即列车电流不会在钢轨R左右两侧进行分配。同时，由于自耦变压器ATS3的自耦特性，钢轨R上的电流流入自耦变压器ATS3后，被均分到负馈线F和接触网T；接触线T和负馈线F上的电流均为负荷电流的一半(0.5i)。

2)列车运行在第一个AT段之外的AT段

以图3中的左侧供电臂中，列车在自耦变压器ATS1和自耦变压器ATS2之间为例说明。列车电流向自耦变压器ATS1和自耦变压器ATS2分流，分别为k·i和(1-k)i，在自耦变压器ATS1和ATS2的作用下，k·i和(1-k)i分别被均分到接触线T和负馈线F上。在ATS1和ATS2之间的接触线T、负馈线F最大电流为i。但邻近牵引变电所SS的第一个AT段的接触线T、负馈线F电流始终为列车电流i的一半。

Claims (1)

1、一种电气化铁路AT供电系统，其组成为：

牵引变电所的55kV的牵引变压器(SS)次边的一输出端(Q1)与铁道牵引网的接触线(T)相连，另一输出端(Q2)与铁道牵引网的负馈线(F)相连；

铁道牵引网每隔10～20km设置自耦变压器，而邻近牵引变压器的自耦变压器与牵引变压器的距离为5-15km；自耦变压器的一端(a)与铁道牵引网的接触线(T)相连，中点(o)与钢轨(R)相连，另一端(b)与铁道牵引网的负馈线(F)相连。

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