高速铁路同相供电系统发展概况

交流电气化铁道有两种供电制式：低频单相交流制和工频单相交流制。当今世界上实际运行的低频单相交流制电气化铁道都是由独立电厂和专用电网供电，且各供电臂全部为同相同频同电压供电，所以属于同相供电模式；而工频单相交流制电气化铁道通常是由公用电网供电，为了减轻单相牵引负荷对电网造成的不良影响，沿线各供电臂交替采用不同相电压供电，属于异相供电模式。对于异相供电模式可以在原来基础上改造成为同相牵引供电系统。

1．低频单相交流制同相供电[27，28，39，40]

最早发展同相牵引供电系统的是中欧和北欧一些国家，德国、瑞典、瑞士、挪威、奥地利等国家结合自身的情况，从修建第一条交流电气化铁路开始就采用了15 kV、低频单相交流制同相供电。这种制式的牵引变电所是由独立的电厂和专用的电网供电，一般是从110 kV或220 kV供电网降压、再经整流将三相交流电变为直流电，直流电经逆变后变成单相低频交流电压，构成了从三相变为单相的交直交变流系统。整个电气化铁路牵引网电压都是15 kV、同相同频同电压，不存在分相绝缘和过电分相的问题。所以这是世界上最早的可以全线贯通的同相牵引供电系统。

随着时代的发展，牵引供电系统的变流技术也在不断改进和完善，如瑞典在1934年采用了旋转变流站，1973年采用了晶闸管构成的交-交变流站，1984年采用了晶闸管式交直交变流站，1990年采用了GTO构成的交-直-交变流站。无论采用哪一种变流技术，都实现了三相/单相变换和整个牵引网的同相供电，并经过半个多世纪的长期运行证实这种低频单相交流制构成的同相供电系统是可靠的。后来这些国家又实现了牵引供电网的联网，进一步增强了系统的可靠性。

随着高速电气化铁路技术的发展，机车牵引功率越来越大，功率开关承受的压力增加，引起了德国等国家对当前供电制式的质疑，尤其在1995年由于德国铁路自有电厂的设备故障引起专用的110 kV牵引供电网崩溃，造成大面积停电、列车晚点，对于改变供电制式的问题再起波澜。经过德国专家慎重研究认为：尽管工频单相交流制可以由公用电网供电，但它也造成了电网的不平衡和谐波问题；采用轮换换相连接并不能彻底解决不平衡，异相供电比同相供电线路损耗和压降大，并且又会引起“过电分相”等一系列新问题，同时50 Hz电磁干扰也会大于低频。而15 kV、单相交流制有独立电厂供电和专用电网，牵引负荷任何变化都不会波及公用电网，尤其是牵引侧各供电区段电压完全相同，实现了整个牵引网联通的真正意义上的同相供电，没有“分相绝缘”问题，如此可以降低线路损耗和电压损失。同时，如果要采用25 kV工频单相交流制，就需要对原有系统进行彻底改造，代价极大，得不偿失。所以从经济技术性综合考虑15 kV、单相交流制与25 kV工频单相交流制各有其优缺点，论证的结果依然是采用原有的15 kV、单相交流制同相供电模式。

2．基于25 kV工频单相交流制实现同相供电(www.xing528.com)

中国、俄罗斯、日本、英国等大多数据国家采用了25 kV工频单相交流制异相供电模式。25 kV工频单相交流制主要优势是电气化铁路可由强大的公用电网供电。为了不影响公用电网正常供电，尽量减小单相牵引负载造成的不对称程度，牵引变电所一般轮换接入不同相别，使各供电臂电压依次为A、B、C或其他不同相电压，这就是所谓的“异相供电”。轮换换相的目的就是减轻牵引负荷造成的不对称程度，其代价是必须在两个异相供电臂之间实施分相绝缘，产生“过电分相”问题，对于高速电气化铁路安全可靠运行造成威胁。同时仅以靠轮换换相连接的异相供电方式并不能有效解决单相牵引负荷造成的系统不对称问题。

不同国家对待“过电分相”和不对称的处理方式也大不相同，如英国由于系统容量相对较大，牵引负荷造成的不对称对系统影响不大，所以没有迫切的愿望解决不对称问题，对“同相供电”模式也仅在近几年在Dconcaster州进行过实验，且并没有实施对称补偿；日本电气化铁道对系统不平衡影响较严重的单相牵引负荷实施了对称补偿（SFC），但没有打算采用同相供电模式。在中国，为了彻底解决“过电分相”和不对称问题，在20世纪80年代开始同相供电技术研究并进行了大量试验。

对于25 kV工频单相交流制异相供电模式都可以改造成同相供电。如果采用同相供电就必须增加平衡补偿装置，否则因牵引负荷造成的系统不对称程度将进一步加大。所以这种制式同相供电牵引变电所一般都是由牵引变压器和平衡补偿装置共同组成。牵引变压器主要承担向牵引负荷供电的任务，平衡补偿装置主要承担补偿负序、无功和谐波的任务。视牵引变电所结构，有时牵引变压器与平衡补偿装置共同承担供电和补偿的任务。各牵引变电所一次系统接线方式完全相同，各供电臂都由同相电压供电。必须加以说明的是尽管各供电臂都是同相电压，但由于各变电所是由异地公用电网供电，各供电臂上电压同相但仍有差别，所以可否实现贯通式供电必须视电网情况而定。

平衡补偿装置可采用无源网络（电感、电容）构成，称为无源对称（平衡）补偿；也可以采用大功率开关管的变流器构成，称为有源平衡补偿。无源对称补偿成本低，运行可靠，但动态补偿效果差；而有源平衡补偿系统动态补偿效果好，但成本高，同时其可靠性有待进一步的运行考验。随着大功率开关器件的不断发展，有源平衡补偿同相供电系统是今后发展的方向。

工频单相交流同相牵引供电系统的优势是可以用公用电网供电，尤其对于采用工频单相交流制式的供电系统，在原有供电系统基础上只要将各变电所变成完全相同接线，并加平衡补偿装置就能实现同相供电，几乎不需要对原有系统进行多少改造。但25 kV工频单相交流同相牵引供电系统也有它的问题，由于电压较高机车上还需要再一次降压，才能供电给变流器和牵引电机。所以，每一台机车上都有变压器，增加了机车的重量和成本。因此也有人曾提出低压工频单相交流制同相牵引供电系统，其结构和组成与25 kV工频单相交流同相牵引供电系统完全相同，只是主变压器将110 kV或220 kV直接降为交直交变流器和牵引电机所需要的电压。这样的好处是可省去机车上变压器，减轻机车车体重量，降低成本。带来好处的同时也带来了不少坏处：首先是会增加线路的损耗，以牵引网电压由25 kV降为5 kV为例，当供电线路截面积不变时，线路损耗必将增加25倍，即使线路截面积增加5倍，线路损耗依然会增加5倍；线路截面积增加，会使牵引网重量增加，沿线支柱密度也必然增大。由于机车上没有隔离变压器，容易受冲击电压的影响，对机车安全性能有一定影响。另外，中国电气化铁路远比德国的铁路运输任务繁重、山路多、牵引负荷功率大，对供电设施容量要求高。若直接采用低频单相交流制同相供电，牵引负荷全部功率将穿越交-直-交变流器，这对变流器及整个供电系统无疑是严峻考验。中国既有电气化铁路都是工频单相交流制，若在此基础上改造成低压工频单相交流制同相牵引供电系统，成本极高。综合以上原因，低频单相交流制同相牵引供电系统并不具有突出的优势，尤其在中国电气化铁路全面推广应用是十分困难的。