CN105109362A - 一种电气化铁路牵引供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气化铁路牵引供电系统，属于电气化铁路牵引供电技术领域。它能有效地减少分相。包括牵引变电所SS、接触网T和钢轨R，其中，接触网T和钢轨R构成直供牵引网，牵引变电所SS通过牵引母线TB给牵引电缆TC供电,通过负馈母线NB给负馈电缆NC供电；在分段所S_i中，牵引电缆TC与接触网T分别经开关K在分段母线一W1上并联并分段，负馈电缆NC与负馈线F分别经开关K在分段母线二W2上并联并分段。牵引电缆TC末端可以串联直供牵引网。牵引电缆TC和负馈电缆NC末端可以串联AT牵引网。供电能力和电压水平主要由电缆决定，本发明供电能力强，供电距离长且分相少，既适用于既有线改造，也适用于新线建设。主要用于电气化铁路牵引供电。

Description

一种电气化铁路牵引供电系统

技术领域

本发明涉及电气化铁路牵引供电技术领域，特别涉及干线铁路的工频单相牵引供电技术。

背景技术

单相牵引供电系统所具有的结构简单、建设成本低、运用和维护方便等优点，决定了电气化铁路上普遍采用取自公用电网的工频单相交流电为列车(牵引负荷)供电。为使单相的牵引负荷在三相公用电网中尽可能平均分配，电气化铁路采用轮换相序、分相分区供电的方案。分相分区处的相邻供电区之间用分相绝缘器分割，形成电分相，也称分相。

电气化铁路的分相通常设在牵引变电所出口两个供电臂的连接处和两个牵引变电所之间的分区所处，或者说，通常情况下平均每个牵引变电所所辖范围内有两个分相。随着列车速度的不断升高，在司机无法手动进行退级、关辅助机组、分主断路器，靠列车惯性驶过中性段，再合主断路器、合辅助机组、进级恢复牵引功率来完成过分相的情况下，为防止电力机车带电通过分相时发生燃弧，而烧坏接触网悬挂部件，甚至导致相间短路等事故，人们开发了自动过分相技术。自动过分相技术主要有地面开关自动切换过分相、车载自动过分相以及柱上开关自动过分相等几种，但无论那一种自动过分相，都将造成供电断点，影响列车牵引功率的持续发挥，同时，存在列车过分相时开关切换造成的暂态电气过程，易产生较大的操作过电压或过电流，可能导致牵引网与车载设备烧损等事故，影响供电可靠性和列车安全运行，另外，分相又有机械上的弱点，因此，分相仍然是整个牵引供电系统中最薄弱的环节，是高速铁路乃至整个电气化铁路牵引供电可靠性的瓶颈。

消除分相不良影响的根本举措是取消分相。显然，在一条线路长度给定的情况下，最大限度地延长供电距离，即延长供电臂长度，如把目前电气化铁路二十几公里的供电臂延长到七八十公里乃至100公里以上，可以最大限度地减少分相，从而最大限度地避免分相带来的安全隐患。

最大限度地延长供电臂长度还有利于实现缺电或无电地区的铁路电气化，如青藏高原的川藏铁路、滇藏铁路等。随着材料科学和制造技术的进步，电力电缆成本显著下降，这为本发明的实施奠定了经济基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种电气化铁路牵引供电系统，它能有效地延长供电臂，减少分相。

本发明解决其技术问题所采的技术方案为：一种电气化铁路牵引供电系统，包括牵引变电所SS、接触网T、钢轨R，列车L在接触网T与钢轨R之间受电，其中，接触网T和钢轨R构成直供牵引网，牵引变电所SS通过牵引母线TB给牵引电缆TC供电,牵引变电所SS通过负馈母线NB给负馈电缆NC供电；在分段所S_i中，牵引电缆TC与接触网T通过分段母线W相并联，负馈电缆NC与负馈线F通过分段母线W相并联，同时通过开关K实现牵引电缆TC、负馈电缆NC、接触网T及负馈线F的分段。

在此基础上，可以发展到AT牵引网：自耦变AT_i与接触网T、负馈线F构成AT牵引网，自耦变AT_i设置在分段所S_i中，牵引变电所SS通过牵引母线TB给牵引电缆TC供电，通过牵引母线NB给负馈电缆NC供电，在分段所S_i中，牵引电缆TC与接触网T通过分段母线W相并联，负馈电缆NC与负馈线F通过分段母线W相并联，牵引电缆TC与接触网T通过开关K实现分段；对于新建线路，负馈电缆NC可以取代负馈线F，即省去AT牵引网的负馈线F，而对于既有AT牵引网的改造时则可保留负馈线F。

另外，本发明可以在牵引电缆TC末端串联直供牵引网，或者在牵引电缆TC和负馈电缆NC末端串联AT牵引网，以减少电缆用量，节约投资，进一步延长供电距离，提高性价比。

牵引电缆TC和负馈电缆NC宜采用单芯电缆；牵引电缆TC和负馈电缆NC尽可能紧密布置，可以与接触网T同杆连续架设于田野侧，或沿铁路敷设于电缆沟内，无需额外占用走廊。

由于电缆相比架空线供电能力更强，供电距离更长，可以减少铁路与公用电网接口，节省外部电源投资，也便于日常管理。

为了增强供电可靠性，可以考虑电缆的100％备用方式，或者n路工作+m路备用，或者n路工作电缆和m路备用电缆并联工作，只在检修或故障时，退出一路或一路中的故障部分。

本发明的工作原理是：供电回路的波阻抗随着分布电容增大而减小，随着分布电抗增大而增大。由于电缆绝缘材料的相对介电常数高，可达4～5，电缆回路布置紧密，分布电容大大增加，而电缆回路布置紧密还使其互感增加，甚至趋近自感，当回路电流大小相同、方向相反时，等效分布感抗大大降低，因此电缆的波阻抗远小于架空线，一般约为架空线的1/7，同时由于自然功率与波阻抗成反比，因此电缆的输电能力相当于相同电压等级架空线或接触网的7倍。计算表明，25kV同轴电缆的自然功率为25kV接触网的8.49倍，供电距离也同比例延长。

牵引电缆TC--钢轨R回路与直供牵引网(接触网T--钢轨R回路)的电流分配与其回路阻抗成反比。牵引电缆TC--钢轨R回路可以分解为两个导线--地回路，其中牵引电缆TC--地回路由于电缆绝缘材料的相对介电常数高于绝缘介质为空气的钢轨R--低回路(可达4～5倍)而使其分布电容较大，牵引电缆TC--地回路与钢轨R--低回路的互感也有一定的抵消自感的作用，因此牵引电缆TC--钢轨R回路的阻抗比直供牵引网的阻抗小些，而分配的电流就多一些。进一步，若将列车所在最近的2个分段所S_i及其之间的直供牵引网称为短回路，短回路到牵引变电所SS的牵引电缆及其并联的直供牵引网称为长回路，那么，短回路主要承担该回路的列车负荷，长回路则承担全部列车负荷，其中长回路的牵引电缆将多担负一些供电任务，长回路的直供牵引网就少担负一些供电任务。总之，牵引电缆TC--钢轨R回路使得长回路的供电能力更强，供电距离更长。

对于牵引电缆TC--负馈电缆NC回路而言，不仅由于电缆绝缘材料的相对介电常数高，可达4～5，电缆回路布置紧密，分布电容大大增加，还因电缆回路布置紧密使其互感增加，甚至趋近自感，且两回路电流大小相同、方向相反，等效分布感抗大大降低，其阻抗接近其电阻，比上述的牵引电缆TC--钢轨R回路的阻抗小得多，也比AT牵引网的阻抗小得多。牵引电缆TC--负馈电缆NC回路与AT牵引网并联时，牵引电缆TC--负馈电缆NC回路分配的电流就多得多，同时，其供电能力强得多，供电距离长得多。

同理，牵引电缆TC--负馈电缆NC回路的阻抗比AT牵引网的阻抗小得多，分配的电流就多得多，供电能力强得多，供电距离长得多。

若将列车所在最近的两个AT_i及其之间的AT牵引网称为短回路(亦称AT段)，短回路到牵引变电所SS的电缆及其并联的AT牵引网称为长回路，那么，除了短回路承担该列车负荷外，长回路的电缆将担负主要供电任务，而长回路的AT牵引网只担负很少的供电任务。即是说，AT牵引网主要负责本段(AT段)列车L的供电，长回路的电缆主要负责整个系统的供电。

牵引电缆TC和负馈电缆NC与AT牵引网相并联的技术方案更适用于既有AT牵引网的改造，而对于新建铁路，为了节约投资，可以简化系统，省去负馈线F，其原理不变，所不同的是，原来负馈线F的负荷(电流)将由负馈电缆NC承担。

考虑到牵引变电所对电缆(牵引电缆TC和负馈电缆NC)实施单边供电具有首端(靠近牵引变电所的一端)电流大、末端电流小的特点，则靠近首端的电缆截面要相对大，靠近末端的电缆截面要相对小。当采用标准截面电缆时，靠近首端的电缆根数要相对多，靠近末端的电缆根数要相对少。这样，靠近首端的电缆的电阻更小，将在长回路中与其中的传统供电系统相比分担更多的供电任务，有利于靠近首端的接触网轻型化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明的供电能力和电压水平主要由电缆决定，因电缆供电能力更强且供电距离更长，分相更少，还可以减少铁路与公用电网接口，既节省了外部电源投资，又便于日常管理。

二、本发明所用电缆可以与接触网T同杆架设在田野侧，或敷设于路基的电缆沟，不额外占用走廊。

三、本发明技术可靠，实施方便，既适用于既有线改造，也适用于新线建设。

附图说明

图1是本发明涉及的直供系统的结构示意图。

图2是本发明实施例的系统结构示意图。

图3是本发明实施例的串联直供牵引网的结构示意图。

图4是本发明涉及的AT供电系统的结构示意图。

图5是本发明实施例的用于AT供电系统的结构示意图。

图6是本发明实施例的负馈电缆取代负馈线的结构示意图。

图7是本发明实施例的串联AT牵引网的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

图1示出，本发明涉及的直供系统的结构示意图。直供系统由牵引变电所SS和直供牵引网构成，直供牵引网由接触网T、钢轨R构成，列车L在接触网T与钢轨R之间受电；直供系统在牵引变电所SS出口设置分段器P，而其接触网一般不设分段所S_i，但为了下面描述的方便，图中画出了分段所S_i，i＝mn，m＝1表示牵引变电所SS右侧，m＝2表示左侧，n＝1,2,…,N，N为分段所S_i个数，而分段个数＝N-1，如图1中，S₁₁、S₁₂、S₂₁等。实际中，为了降低钢轨电位和牵引网阻抗，常常将一导线与钢轨并联，称为直供+回流线方式。

图2是本发明实施例的系统结构示意图。牵引变电所SS通过牵引母线TB给牵引电缆TC供电，在分段所S_i中，牵引电缆TC与接触网T通过分段母线W相并联，牵引电缆TC分段与接触网T通过开关K实现分段，i＝mn，m＝1表示牵引变电所SS右侧，m＝2表示左侧，n＝1,2,…,N，N为分段所S_i个数，而分段个数＝N-1，如图2中，S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₂₁等；牵引电缆TC需要在牵引变电所SS出口进行分段，而此处的接触网不再需要设置分段器P；与直供系统一样，列车L在接触网T与钢轨R之间受电。

图3是本发明实施例的串联直供牵引网的结构示意图，参见图1和图2，在右侧牵引电缆TC末端串联直供牵引网。

图4示出，本发明涉及的AT供电系统的结构示意图。AT供电系统由牵引变电所SS和AT牵引网构成，而AT牵引网由接触网T、负馈线F、自耦变AT_i、钢轨R构成，列车L在接触网T与钢轨R之间受电。其中，给接触网T供电的牵引母线用TB表示，给负馈线F供电的牵引母线用FB表示,牵引变电所SS出口的接触网应设置分段器P，自耦变AT_i并接于接触网T、钢轨R和负馈线F之间，自耦变AT_i连接于接触网T和钢轨R的绕组与连接于钢轨R和负馈线F的绕组匝数相等，两个相邻的自耦变AT_i之间的牵引网称为一个分段，俗称AT段，i＝mn，m＝1表示牵引变电所SS右侧，m＝2表示左侧，n＝1,2,…,N，N为自耦变(或分段所S)个数，而AT段个数＝N-1，见图中AT₁₁，AT₁₂，AT₁₃，AT₂₁等。

图5是本发明实施例的系统结构示意图。由牵引变电所SS、牵引电缆TC、负馈电缆NC和AT牵引网构成,列车L在接触网T与钢轨R之间受电；牵引变电所SS的牵引母线TB给牵引电缆TC供电，牵引母线NB给负馈电缆NC供电；在分段所S_i中设置开关K、分段母线W和自耦变AT_i；在分段所S_i中，牵引电缆TC与接触网T通过分段母线W相并联，负馈电缆NC与负馈线F通过分段母线W相并联，牵引电缆TC、负馈电缆NC、接触网T与负馈线F通过开关K实现各自的分段；两个相邻的分段所之间的牵引电缆TC、负馈电缆NC及AT牵引网称为一个分段(对应一个AT段)；i＝mn，m＝1表示牵引变电所SS右侧，m＝2表示左侧，n＝1,2,…,N，N为自耦变(或分段所S)个数，而AT段个数＝N-1，见图中S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₂₁以及AT₁₁，AT₁₂，AT₁₃，AT₂₁等。

图6是本发明实施例的负馈电缆取代负馈线的系统结构示意图。图5所示的牵引电缆TC和负馈电缆NC与AT牵引网相并联的基本方案，更适用于图4所示的既有AT牵引网的改造，而对于新建铁路，为了节约投资，可以简化系统，用负馈电缆NC取代原来的负馈线F，即省去AT牵引网的负馈线F，其原理不变，所不同的是，原来负馈线F的负荷(电流)将由负馈电缆NC承担。

图7是本发明实施例的连接AT牵引网的系统结构示意图。在图5所示的牵引电缆TC和负馈电缆NC与AT牵引网相并联的基本方案的基础上，末端可以连接AT牵引网，以减少电缆用量，节约投资，进一步延长供电距离，提高性价比。显然，图6所示的省去负馈线F的系统末端仍然可以连接AT牵引网

上述分段所S_i中的开关K主要用于实现分段检修和切除故障。

牵引电缆TC和负馈电缆NC宜采用单芯电缆；牵引电缆TC和负馈电缆NC尽可能紧密布置，可以与接触网T同杆连续架设于田野侧，或沿铁路敷设于电缆沟内，无需额外占用走廊。

考虑到牵引变电所对电缆(牵引电缆TC和负馈电缆NC)实施单边供电具有首端(靠近牵引变电所的一端)电流大、末端电流小的特点，则靠近首端的电缆截面要相对大，靠近末端的电缆截面要相对小。当采用标准截面电缆时，靠近首端的电缆根数要相对多，靠近末端的电缆根数要相对少。这样，靠近首端的电缆的电阻更小，将在长回路中与其中的传统供电系统相比分担更多的供电任务，有利于靠近首端的接触网轻型化。

为了增强供电可靠性，可以考虑电缆的100％备用方式，或者n路工作+m路备用，或者n路工作和m路备用电缆并联工作，只在检修或故障时，退出一路或一路中的故障部分。

Claims (4)

1.一种电气化铁路牵引供电系统，包括牵引变电所SS、接触网T和钢轨R，列车L在接触网T与钢轨R之间受电，其中，接触网T和钢轨R构成直供牵引网，接触网T、负馈线F、自耦变AT_i、钢轨R构成AT牵引网,其特征在于:牵引变电所SS通过牵引母线TB给牵引电缆TC供电,牵引变电所SS通过负馈母线NB给负馈电缆NC供电；在分段所S_i中，牵引电缆TC与接触网T分别经开关K在分段母线一W1上并联并分段，负馈电缆NC与负馈线F分别经开关K在分段母线二W2上并联并分段。

2.根据权利要求1所述的一种电气化铁路牵引供电系统，其特征在于:所述牵引电缆TC末端可以串联直供牵引网。

3.根据权利要求1所述的一种电气化铁路牵引供电系统，其特征在于:所述负馈电缆NC可以取代负馈线F。

4.根据权利要求1所述的一种电气化铁路牵引供电系统，其特征在于:所述牵引电缆TC和负馈电缆NC末端可以串联AT牵引网。