高速铁路导论：牵引供电系统的种类及影响

高速电动车组本身不带能源，所需能源由电力牵引供电系统提供，因此，高速电气化铁道要在沿线设置一套完善的、不间断地向高速电动车组提供电能的设备，以电能为主要牵引动力，将牵引用电能从电力系统传送给高速电动车组的这套供电装置构成的系统被称为电气化铁路的牵引供电系统。

（一）牵引供电系统的组成

牵引供电系统主要由牵引变电所和接触网组成。

牵引供电回路是由牵引变电所、馈电线、接触网、高速电动车组、钢轨、回流线→牵引变电所接地网组成的闭合回路，其中流通的电流称牵引电流。通常将接触网、钢轨回路（包括大地）、馈电线和回流线统称为牵引网，其组成如图3-1-5所示。

图3-1-5　电气化铁道牵引供电系统

1．牵引变电所

牵引变电所是牵引供电系统的核心部分，它承担着从电力系统接受电能，并按照电力牵引供电的标准要求进行电能变换，再将电能馈送到接触网上供高速电动车组取用的功能。牵引变电所在接受与馈送电能的过程中有不同的供电方式，在电能的变换过程中有不同的变电形式。

2．接触网

沿线路露天敷设，通过和受电弓的滑动接触，把电能输送给高速电动车组的供电设施。

3．馈电线

馈电线是用于连接牵引变电所和接触网的导线，把牵引变电所电能馈送到接触网，多为铜绞线。

4．钢轨

钢轨在非电牵引的情况下，对列车起支撑和导向作用。在电气化铁道中，钢轨还完成导电回流的任务，并由连接钢轨和牵引变电所的回流导线，把钢轨中的电流导回牵引变电所，此外钢轨还用作信号传输轨道电路回路的导线。

5．其他设备

负馈线（即回流线，是连接钢轨和牵引变电所的电连接线，主要为回流提供电气通路），吸上线，BT，AT，正馈线，保护线，地线，供电线，另外还有分区亭、开闭所、AT所等。

图3-1-6　分区亭

（1）分区所（Section Post，SP）。

为了增加供电灵活性，提高运行可靠性，一般在大站或编组站两变电所之间的两供电臂连接处设立分区所，把电气化铁道牵引网分成不同供电区段，用于牵引网为双边供电，或复线区段牵引网为单边供电，装有开关设备，根据运行需要可以连接同一供电臂的上、下行牵引网并联供电，改善了牵引网供电质量，同时在牵引网发生故障时可缩小停电范围，相邻变电所全所停电时，分区所还可越区供电，特殊情况下可用于实现其左右供电臂的串联运行（此时分区所处的上下行接触网一般不再并联）。直供方式的分区所内仅设有一些断路器和开关设备等，AT方式的分区所内还设有自耦变压器，如图3-1-5所示。

（2）开闭所（Sub-feeder Switching Post，SFSP）。

电力牵引系统中的开闭所，从严格意义上讲是“高压配电”站，仅仅起配电作用，实现环网供电、双路互投等功能。

一般用于枢纽内的接触网分场、分束供电（有时也用于较长供电臂缩小故障范围），当枢纽地区的供电，分为“由里向外供”和“由外向里供”两种方式时，前者在枢纽内设置牵引变电所，后者在枢纽内不设牵引变电所。为了增加枢纽地区供电的可靠性和缩小事故的影响范围，一般设开闭所。AT供电方式时，供电臂较长，在供电臂中部也设开闭所，开闭所应有来自不同牵引变电所的（单线区段）或同一牵引变电所的不同馈线段（复线区段）的两回进线。

开闭所应尽量设置在枢纽地区的负荷中心处，以减少馈线的长度和馈线与接触网的交叉干扰。开闭所至少应有两回进线，一回来自于相邻变电所，另一回可从接触网上T接，用以实现对站场各股道群的分别供电控制。进线和馈线都经过断路器，可灵活地对各分区接触网停、供电，在断路器上可实现短路故障保护，从而缩小事故停电范围。AT牵引网往往同ATP合建，增强对供电臂供电的灵活性。(www.xing528.com)

（3）自耦变压器（AT）所（AT Post，简称ATP）。

AT供电系统，除变电所、分区所和开闭所外，在牵引网上还需设置放置自耦变压器的场所，用于将自耦变压器并入接触网和正馈线之间，降低接触网中的负荷电流，延长变电所的供电距离。如采用自耦变压器供电方式时，在沿线每隔10～15 km设置一台自耦变压器，设置时尽量将自耦变压器设于沿铁路的各站场上，同时，尽量与分区亭、开闭所合并，以便于运行管理。自耦变压器中点与钢轨（经N线）的连接是必须的，否则自耦变压器起不到应有的作用。

（二）牵引供电系统的功能

牵引供电系统的主要功能是：牵引变电所将电力系统通过输电线送来的高压电能从220 kV（或110 kV）降到25 kV或27.5 kV，经馈电线送至接触网，接触网沿铁路上空架设，高速电动车组升弓后便可通过其取得电能，牵引列车不间断地、高速地、可靠地和安全地运行。

图3-1-7　牵引供电系统的工作过程

电力牵引负荷为一级负荷，对供电可靠性要求高，牵引变电所一般设置两台变压器，引入牵引变电所的外部电源应为两路独立可靠的电源，并互为热备用，能够实现自动切换。

（三）高速电气化铁路牵引供电的供电制式

高速电气化铁路牵引供电的供电制式是指电气化铁道接触网上所用电能的电流种类。世界各国采用的供电制式各不相同，我国的电气化铁路选择了25 kV单相工频（50 Hz）和27.5 kV两种交流供电制式，这种供电制式与工业生产所使用电流频率简称工频相同，能使牵引动力获得最佳效果，从天上到地下，一套复杂完整的大系统为电气化列车的运行提供了保证。

1．牵引供电的供电制式种类

目前世界上主要应用的有四种牵引供电的供电制式。

（1）直流制。

直流制是以直流电源经接触网供电给电力机车能源。

（2）三相交流制。

三相交流制是应用两根接触导线和一根钢轨形成三相供电系统：机车采用三相异步电动机，设备简单，维修方便，但调速困难、接触网结构复杂且不安全。

（3）低频单相交流制。

低频单相交流制采用低于工业频率的单相交流电源进行供电。

（4）工频单相交流制。

工频单相交流制是采用工业频率的单相交流电源供电的制式，供电电压25 kV，我国1958年开始修建的第一条电气化铁道线（宝—凤州）便应用了这种制式，并沿用至今，成为我国电气化铁道唯一的电流制形式。

2．单相工频交流制优点

（1）牵引供电系统结构简单，牵引变电所间距大、数目少，高速电动力车粘着性能和牵引性能良好，从而可以大大提高其牵引功率，为高速运行提供最根本的前提条件。

（2）可以实现高压输电，减少变电站的数量，从而降低电气化的初期投资，并可以降低约1/3能耗，从而减少运营支出。

（3）大大减少有色金属用量（可减少60% 左右）。

（4）可以避免直流电腐蚀地下设施。