影响高速铁路牵引供电系统技术方案的关键因素探讨

影响高速铁路牵引供电系统技术方案的关键因素探讨

作者：袁勇

来源：《城市建设理论研究》2014年第06期

摘要：牵引供电系统的主要任务是从电力系统取得可靠电源、经过降压向电动车组或电力机车供电。影响牵引供电系统技术方案的因素很多，关键的因素包括列车性能及牵引负荷特性、外部电源系统、线路平纵断面条件、运输组织、车站分布等。

如何确保高速铁路牵引供电系统与上述关键因素结合紧密、科学合理，是高速铁路牵引供电系统的重要研究内容，也是确定高速铁路牵引供电系统技术方案的重要基础。要确定高速铁路牵引供电系统的技术方案，首先应该研究上述决定因素。 关键词：高速铁路牵引供电因素 中图分类号：TM922.3 文献标识码：A 1引言

牵引供电系统的主要任务是从电力系统接引可靠电源、经过降压向电动车组或电力机车供电。牵引供电系统技术方案的确定，主要受包括牵引负荷特性、外部电源、线路平纵断面条件、运输组织、车站分布等关键因素的影响。

要确定高速铁路牵引供电系统的技术方案，首先应该研究上述关键因素对牵引供电系统的影响，以确保高速铁路牵引供电技术方案的安全可靠、科学合理。 2高速铁路牵引供电系统技术方案的关键因素 2.1牵引负荷特性

2.1.1 高速列车性能对牵引负荷特性的影响

高速铁路列车运行的重要特点就是高速度，要求其起动快，能在最短的时间和距离内达到额定最高运行速度。为此，必须加大牵引功率，以提高其起动牵引力。同时，当列车速度达到额定最高运行速度时，为保持其恒定速度，必须有足够的持续牵引力来克服列车运行阻力。列车运行时的空气阻力与列车速度的几何关系成正比，因此，随着列车速度的提高，列车单位重量所需的牵引力成倍增加，牵引功率也随之增加。高速列车对牵引动力的基本要求是：功率大、轴重轻、自重小、黏着利用好、整机控制好等。世界上直流牵引电机的最大功率仅能达到1000kW左右，而且电机的重量大、体积大，不利于降低列车轴重及簧下质量，安装也很困

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难。而三相交流异步电机除了功率大、重量轻、体积小之外，还有结构简单、易于制造、维修工作量小、环境适应性强、过载能力强等优点。

中国现在普遍运行的CRH系列高速列车即是采用三相交流异步电机的动力分布式高速电动车组，主要是通过向庞巴迪、川崎重工业、阿尔斯通、西门子公司等外国企业购买相关高速铁路车辆技术，并对技术加以引进吸收之后，由中国北车集团和南车集团旗下的车辆制造企业生产。

采用交流电机时，网上的单相交流电经变压、整流之后，还必须通过逆变器变成三相交流电，才能作为交流电机的驱动电流。整个变流过程是从单相交流变直流，再由直流变三相交流。由于采用了交-直-交变流技术，使得高速铁路的牵引负荷功率因数较高（一般可达0.97以上）、谐波含量较少。

2.1.2 铁路技术标准（牵引质量、运行速度、线路坡度）对牵引负荷特性的影响

在运行速度较低时，空气阻力较小，线路坡度对牵引负荷的影响较大。高速列车由于速度高，列车运行时的空气阻力大，列车主要克服空气阻力运行，此时，线路坡度对牵引负荷的影响较小。列车单位运行阻力W=a+bv+cv2，其中第三项是由空气阻力所决定的，它与列车速度的平方成正比；当速度达到300km/h时，空气阻力约占总阻力的80%以上。因此，随着列车运行速度的提高，空气阻力急剧增加；在牵引重量、线路坡度相同的情况下，运行速度越高，牵引功率和能耗大幅度提高。图1为单位重量牵引功率随速度的变化曲线。 图1 单位重量牵引功率随速度的变化曲线

在运行速度、线路坡度相同的情况下，列车所需要的牵引功率与列车重量呈线性关系。以图1所示数据，按200km/h、牵引重量为1000t计，则所需的列车牵引功率为7400kW。按高速铁路350km/h，牵引重量1000t时，所需的牵引功率将达到24800kW。由此可见，高速铁路由于列车速度高，其单车牵引负荷急剧增大。 2.1.3运输组织对牵引负荷特性的影响

高速铁路线路条件好、曲线半径大、站间距大，故运输组织就具有如下特点：动车组停站少、动车组高速运行距离长、追踪间隔时间短（目前中国铁路设计最小可达到3分钟）。因此，高速铁路列车呈现“高速度、高密度、重负荷”的特点，牵引负荷也呈现负荷重、持续时间长、冲击负荷密集的特点。

因此，在确定高速牵引供电系统技术方案之前，必须先分析其牵引负荷特性，做到有的放矢，牵引供电系统设施的配置才能满足高铁列车的供电需求。 2.2外部电源系统

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外部电源系统是牵引供电相关接口系统中的重要一环，是牵引供电系统能对牵引负荷可靠供电的基础，是牵引供电系统对电能转换的关键一面，外部电源供电电压等级的选择及其供电能力的大小，对牵引供电系统的技术方案具有重要的决定作用。决定外部电源系统电压等级选择的因素有如下几个方面： 2.2.1电力系统的供电能力

电力系统不同供电电压等级与输送容量和输送距离的关系，如表1所示。由于向电铁供电的线路长度一般不超过50km，因此，同一电压等级下的输送容量可以略超过表1所列数值。 表1 电压等级与输送容量、输送距离的关系

高速铁路牵引变压器容量一般为50~75MVA，考虑牵引变压器具有2倍过负荷能力，其负荷基本在100~150MVA，这正好在220kV输送容量的范围。因此，中国高速铁路的牵引供电系统的外部电源系统一般采用220kV电压等级，局部电网无220kV电压等级的地区（如西北地区）也采用330kV电压等级。 2.2.2三相电压不平衡度

牵引负荷为单相负荷，由公共电力系统供电的电气化铁路牵引供电系统一般采用两侧单相供电方式，其两侧供电臂的负荷大小与供电区间运行的列车数量、铁路线路坡度以及列车运行的速度等因素有关，往往会出现不平衡状况。因此，牵引供电系统会向公共电力系统注入较大的负序电流，造成电力系统三相电压不平衡。

根据《三相电压允许不平衡度》GB/T15543-1995的规定，电力系统公共连接点的电压不平衡度允许值为2％，短时不得超过4％，单个用户引起不平衡度一般不超过1.3%。对于高速铁路而言，由于其牵引负荷较大，三相牵引变压器的单相容量达到31.5～50MVA，单相牵引变压器容量则达63～75MVA，按短时三相电压平衡度3％的限值计算，则要求供电系统所需的短路容量应大于牵引变压器额定容量的33倍，取35倍，即需大于2205～3500MVA。很明显，采用110kV电压等级是不能满足需要的。因此，高速铁路一般采用220kV（330kV）电压等级供电。 2.2.3谐波

高速铁路虽然采用了可关断器件构成的交直交变频驱动方式，但其交流侧仍会存在一定量的高次谐波，一般稳态情况下的总谐波电流畸变率会达到5%左右，而在调节过程中（启动、爬坡、制动等）会有更大的谐波出现。因此，需考虑相应的谐波滤波措施，只是高速铁路的谐波总量会小于采用交直机车牵引的常规电气化铁道的相应值。

根据《电能质量－公用电网谐波》（GB/T14549-93）的规定，公用电网谐波电压（相电压）限值如表2所示（目前正在修编，本文暂以此标准论述）。

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表2 公用电网谐波电压限值

系统电压等级越高，短路容量越大，其承受电铁谐波影响的能力也就越强，这也要求高速铁路的外部电源在经济指标允许的前提下尽可能地采用更高的电压等级向牵引供电系统供电。 2.3线路平纵断面、车站分布

高速铁路尤其是山区高速铁路线路平面曲线半径大，纵断面起伏大，桥隧比例大，长大隧道多，牵引变电所、AT所、AT分区所等大型牵引供电设施设置极为困难。牵引供电设施的布局，应在设计、建设工程中充分考虑运营维护的安全、便利，结合具体的线路平纵断面及车站分布来进行。同时，还需重点考虑大型枢纽站的供电可靠性。

大型枢纽站是多条高速铁路和铁路干线的交会处，是组织车流交换、调整列车运行和供应运输动力的重要据点，是以铁路车站、联络线和机务、车辆等多种技术设施构成的铁路综合设施。因此，大型客运枢纽站牵引供电系统的布局必须纳入整个枢纽规划统筹考虑，统一安排，在保证大型客运枢纽站的供电可靠性的同时，能够兼顾连接枢纽的各条铁路，与各条线路的四电系统能够无缝衔接、完美兼容。

然而在实际工程中，连接铁路枢纽的多条干线线路标准不一，技术措施不同，建设时期不同步，因而牵引供电系统中位于枢纽的供电设施和需要兼顾多条线路的供电设施都需要在设计过程中深入贯彻系统设计的思想，按照枢纽总体规划，结合相关线路实施计划，统筹考虑实施方案。 3 结束语

影响高速铁路牵引供电系统技术方案的因素很多也很复杂，但只要把握住其关键因素，在充分分析高速铁路牵引负荷特性的基础上，科学选择牵引供电系统的外部电源供电电压等级，结合线路平纵断面条件、车站尤其是大型枢纽站的分布合理进行牵引供电设施的布局，这样所确定的牵引供电系统技术方案必将是科学、合理的，也是能满足高速列车运行的需要的。 参考文献

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LI Qun-zhan. On some technical key problems in the development of traction power supply system for high-speed railway in China [J]. Journal of the China Railway Society, 2010，32(4):119-124.

作者简介：袁勇（1973-），男，四川人，高级工程师，主要从事牵引供电系统设计、电能质量综合控制方面的研究。

从业单位：四川省成都市中铁二院工程集团有限责任公司电气化设计研究院