第二節　牽引供電系統概述

一、牽引供電系統的電流制

電流制是指牽引供電系統中牽引網的供電電流種類。目前中國主要采用以下兩種。

1.直流制

牽引網的供電電流為直流，稱為直流制。電力系統將三相交流電送到牽引變電所，經降壓、整流變成直流電，再通過牽引網供給電力機車使用。直流制是世界上早期電氣化鐵道普遍采用的方式，目前有些國家的電氣化鐵路仍在應用。中國的直流制僅用于城市地下鐵道、城市輕軌、城市電車、工廠礦山等。

直流制的供電電壓有600V、750V、1200V、1500V、3000V等幾種，城市電車一般為600V，地下鐵道和城市輕軌一般為750V或1500V，礦山運輸一般為1500V。

直流制的優點是直流牽引電動機易于調速，工作性能好，機車構造簡單且整流技術比較成熟。直流制存在的主要問題是：直流牽引電動機額定電壓受到換向條件的限制不能太高，通常只有1500V；由于供電電壓較低，要保證電力機車足夠的功率，供電電流就比較大，需要導線的截面大，金屬消耗增加，線路損耗也大，所以牽引變電所之間的距離較短，一般只有20～30km，變電所的數量相應增加，并且為完成整流任務，牽引變電所必須有整流設備而使其變得較復雜。由于這些緣故，許多國家已逐漸停止發展直流制電氣化鐵路。而對于工礦企業、城市電車、地鐵和輕軌供電，由于距離較近，對供電的安全性要求較高，所以采用電壓較低的直流制供電更具有優越性。

2.工頻單相交流制

牽引網的供電電流為工頻單相交流，稱為工頻單相交流制。工頻單相交流制最早出現在匈牙利，電壓為16kV。1950年法國試建了一條25kV的工頻單相交流電氣化鐵道。由于這種電流制的優越性比較明顯，很快被許多國家所采用。中國電氣化鐵道建設一開始，就采用了這種電流制。

工頻單相交流制的主要優點如下。

①牽引供電系統結構簡單。牽引變電所從電力系統獲得電能，經過降壓后直接供給牽引網，不需要在變電所設置整流和變頻設備，使變電所結構大為簡化。

②供電電壓提高。既可保證大功率電力機車的供電，提高電力機車的牽引定數和運行速度；又可使牽引變電所之間的距離延長，導線截面減小，建設投資和運營費用顯著降低。

③交流電力機車的黏著性能和牽引性能良好。通過電力機車上變壓器的調壓，牽引電動機可以在全并聯狀態下工作，防止輪對空轉，從而提高了運用黏著系數。

④交流制的地中電流對地下金屬的腐蝕作用小，一般可不設專門的防護裝置。

工頻單相交流制存在的主要問題如下。

①單相牽引負荷在電力系統中形成負序電流。

②牽引負荷是感性的，功率因數低。

③牽引電流為非正弦波，含有豐富的諧波電流。

④牽引網中的工頻單相電流對沿線通信線路造成較大的電磁干擾。

本教材所討論的都是工頻單相交流制的牽引供電系統，以后不再特別指明。

二、牽引供電系統的構成

電力牽引是以電能為動力能源，其牽引動力是電力機車。電力機車是一種非自給性機車，必須在電氣化鐵道沿線設置一套完善的、不間斷的向電力機車供電的設備。由這種設備構成的供電系統叫做牽引供電系統。牽引供電系統由牽引變電所和牽引網構成，作用是接受電力系統的三相高壓電能，經降壓、分相后通過牽引網向電力機車供電。牽引供電系統的構成可用圖1-8的示意圖說明。

直接向牽引變電所供電的區域變電所（或發電廠）及高壓輸電線路，稱為一次供電網絡。一次供電網絡的高壓輸電線一般分為兩路，電壓為110kV，近年來也有采用220kV的（哈大線）。相比之下，后者電源的可靠性和穩定性等技術指標相對更高。高壓輸電線路雖然專門用于牽引供電，但由國家電力部門修建并管理。電力系統和牽引供電系統以牽引變電所的110kV進線門形架為分界點。

1.牽引變電所

牽引變電所沿電氣化鐵道沿線分布，每一個牽引變電所負責兩側接觸網的供電。牽引變電所的左、右兩側接觸網稱為供電臂或供電分區，一個供電臂的長度對應于線路的區間數約為1～5個。牽引變電所的作用是降壓和分相，它將電力系統的三相高壓電轉換成兩個單相電，通過饋電線分別供給兩側的接觸網。

牽引變電所內的主要設備是牽引變壓器。牽引變壓器的原邊額定電壓為110kV（或220kV）；次邊額定電壓為27.5kV，比接觸網額定電壓25kV高10％；AT供電方式的牽引變壓器次邊額定電壓為55kV或2×27.5kV。牽引變電所中通常設置兩臺結構和接線完全相同的牽引變壓器，一臺運行，一臺備用。

2.牽引網

牽引網由饋電線、接觸網、鋼軌與地、回流線等組成。

饋電線是連接牽引變電所牽引母線和接觸網的架空鋁絞線。它將牽引變電所變換后的電能直接送到接觸網。此外，饋電線還要向附近車站、機務折返段、開閉所等送電，所以饋電線的數目較多，距離也可能較長。

接觸網是一種懸掛在軌道上方，沿軌道鋪設的和鋼軌保持一定高度的輸電網，通過電力機車的受電弓與接觸網滑動接觸，牽引電能就由接觸網進入電力機車，驅動牽引電動機使列車運行。接觸網是牽引網的主體，沿鐵道線路分布廣、結構復雜、運行條件差，日常維修工作量大，故障多，對牽引供電的可靠性影響極大。

鋼軌在非電牽引情況下只作為列車的導軌。在電力牽引時，流過電力機車的負荷電流經鋼軌與地、回流線流回到牽引變電所。此時，鋼軌除具有導軌的功能外，還需要具有良好的導電性能完成導通回流的任務。由于鋼軌與地不絕緣，所以部分電流沿大地返回，形成地中電流。

回流線是連接鋼軌和牽引變電所的導線。通過回流線把鋼軌與地中的回路電流導入牽引變電所的牽引變壓器。

3.牽引供電系統的其他供電設備

①分區亭　為了提高供電的靈活性和可靠性，在兩個相鄰牽引變電所的接觸網末端通常設置分區亭。分區亭可以使單線區段相鄰牽引變電所的相鄰兩接觸網實行單邊供電或雙邊供電，也可使復線區段牽引變電所的上、下行接觸網實行分開供電或并聯供電；當相鄰牽引變電所發生故障而不能繼續供電時，可以閉合分區亭內的斷路器，由非故障牽引變電所實行越區供電。

②開閉所　開閉所通常設在車站、貨場附近、電力機務段、樞紐站等大宗負荷處。開閉所內不進行電壓變換，只擴大饋線回路數，并通過開關設備實現電路的開閉，相當于配電所。開閉所將供電臂分段，事故時可縮小事故范圍，提高供電的可靠性與靈活性，減少了變電所的復雜性。

③AT所　牽引供電系統采用AT供電方式時，除牽引變電所、分區亭和開閉所外，在牽引網上還需有放置自耦變壓器（AT）的場所，即AT所。

三、牽引供電系統的供電方式

牽引供電系統的供電方式，主要有直接供電方式、吸流變壓器-回流線供電方式、帶回流線的直接供電方式、自耦變壓器供電方式、同軸電纜供電方式五種。

1.直接供電方式

直接供電方式簡稱TR供電方式。這種方式最簡單，投資最小，但鋼軌電位較高，對通信線的感應最大。其原理電路如圖1-9所示。

2.吸流變壓器-回流線供電方式

吸流變壓器-回流線供電方式簡稱BT供電方式。這種方式有吸流變壓器BT串入接觸網，BT的間隔為1.5～4km，用以吸回地中電流，減少通信干擾。BT的投入增加了牽引網結構的復雜性，提高了造價，并且使牽引網阻抗變大，供電臂長度減小，約為直接供電方式的3/4。此外，BT的分段使得接觸網存在斷口，不利于高速、重載大電流運行。但這種供電方式的鋼軌電位低，抑制通信干擾的效果很好。其原理電路如圖1-10所示。

3.帶回流線的直接供電方式

帶回流線的直接供電方式簡稱DN供電方式。這種方式是在直接供電方式的基礎上并聯架空回流線，可以使鋼軌電位大大降低，使通信線的干擾得到較好抑制，還能降低牽引網阻抗，使供電臂延長約30％。其原理電路如圖1-11所示。

DN供電方式具有結構較簡單、投資較少、有一定的防通信干擾的作用等特點。

4.自耦變壓器供電方式

自耦變壓器供電方式簡稱AT供電方式。這種供電方式是將自耦變壓器AT并聯于牽引網中，AT的間隔約10km。AT供電方式既克服了BT串聯入網產生的分段缺陷，又降低了牽引網阻抗，供電電壓成倍提高，供電距離長，約為直接供電方式的170％～200％，牽引網的電壓損失和電能損失都小，適于重載、高速、大電流運行。AT供電方式的鋼軌電位較低，抑制通信線干擾的效果與BT方式相近，但投資更高，且牽引變電所的結構復雜。其原理電路如圖1-12所示。

5.同軸電纜供電方式

同軸電纜供電方式簡稱CC供電方式。這是一種新型的供電方式，中國只是進行過研究與試驗。這種供電方式是將同軸電力電纜（CC）沿鐵路線埋設，其內部芯線作為供電線與接觸網連接，外部導體作為回流線與鋼軌連接，且每隔5～10km一個分段。這樣，饋電線與回流線在同一電纜中，間隔很小，且同軸布置，使得互感系數增大，且同軸電力電纜的阻抗比接觸網和鋼軌的阻抗小得多，牽引電流和回流幾乎全部從電纜中流過；電纜芯線與外層導體電流相等，方向相反，二者形成的電磁場相互抵消，對鄰近通信線路幾乎沒有干擾，吸流效果和抑制通信干擾的效果均優于BT和AT供電方式。CC供電方式的牽引網阻抗和供電距離與AT供電方式相近，鋼軌電位較低，接觸網結構簡單，對凈空要求低，適于重載、高速、大電流運行，但同軸電纜的造價太高，這限制了它的廣泛應用。其原理電路如圖1-13所示。

四、牽引變電所的外部電源供電方式

按國家規定，電氣化鐵道為一級電力負荷，對供電的可靠性要求很高。通常要求每個牽引變電所必須由兩路輸電線路供電，其中每路輸電線要有各自的桿塔和走線，還應能承擔牽引變電所的全部負荷。這樣，當一路輸電線發生故障或檢修時，還有一路輸電線送電，保證牽引變電所不致長時間中斷供電。

1.單側供電

單側供電是指牽引變電所的電能只由電力系統的一個方向送來，如圖1-14所示。圖中，牽引變電所C1、C2、C3都只由右側的發電廠A用兩路輸電線供電。

2.雙側供電

雙側供電是指牽引變電所的電能由電力系統的兩個方向送來，如圖1-15所示。圖中，牽引變電所C的兩側都有電源，左側發電廠A1用一路輸電線向牽引變電所供電，右側發電廠A2也用一路輸電線向牽引變電所供電。

3.環形供電

環形供電是指若干個發電廠、區域變電所通過輸電線連接成環形電網，而牽引變電所處于環形電網的一段環路之中，如圖1-16所示。圖中，牽引變電所C就處于電力系統的一段環路之中而構成環形供電。

牽引變電所一次側供電方式，究竟采用單側供電，還是雙側供電或環形供電，決定于電氣化鐵路所經過的地區電力系統的具體情況。雙側供電和環形供電比單側供電具有更高的可靠性和更好的供電質量。雙側供電的優點在于任一發電廠故障時，牽引變電所的供電不會中斷。環形供電除具有雙側供電的優點外，還具有電力系統的頻率穩定、電壓波動幅度較小的優點。因此，電力系統對牽引變電所的供電方式，應盡可能采用雙側供電甚至環形供電。通常在一條很長的電氣化鐵道上，往往同時采用幾種不同的供電方式。

五、牽引變電所向牽引網的供電方式

1.單線區段

（1）單邊供電

電力機車取用的電流來自一個牽引變電所時，稱為單邊供電。如圖1-17中，當分區亭的隔離開關打開時，兩相鄰變電所之間毗連的供電臂相互絕緣，無論電力機車運行至什么位置，其電流均由一個牽引變電所供給。

單線單邊供電每個供電臂獨立供電，牽引變電所的倒閘操作、饋線保護都比較簡單，故目前普遍采用。需要注意的是，相鄰兩變電所之間毗連的供電臂應設置為同相，這樣在必要時可將分區亭內的開關閉合，可實現越區供電或雙邊供電。

（2）雙邊供電

電力機車取用的電流來自相鄰的兩個牽引變電所時，稱為雙邊供電。如圖1-17中，當分區亭的隔離開關閉合時即為雙邊供電，無論電力機車運行至什么位置，其電流均由相鄰的兩個牽引變電所共同供給。

實現雙邊供電的條件是：兩相鄰牽引變電所需由同一電力系統供電，以確保有相同的頻率；兩相鄰牽引變電所的牽引端口應同相，否則將造成異相短路。

單線雙邊供電時，在牽引負荷相同的情況下，由于電流從兩邊流向電力機車，所以每條饋電線的電流數值較小，從而減小牽引網的電壓損失和電能損失，有利于改善牽引網的電壓水平，降低運營成本；設備（接觸懸掛、牽引變壓器）負載較均勻；同時，由于電力機車兩邊的供電電流方向相反，可以減小對鄰近通信線路的電磁感應影響。雙側供電的主要缺點是牽引變電所的倒閘操作、饋線保護比較復雜；同時，當兩牽引變電所的電壓有差異時，可能出現穿越電流或不平衡電流，從而產生附加的電能損失。

2.復線區段

和單線區段一樣，復線區段也有單邊供電和雙邊供電。但由于復線雙邊供電分區亭設備復雜，對接觸網短路故障的保護十分困難，故目前中國只采用復線單邊供電。

（1）單邊分開供電

如圖1-18所示，供電臂的上、下行接觸網分開，電力機車取用的電流僅由上行或下行接觸網一條線路供給，即為復線單邊分開供電。

復線單邊分開供電的優點是開關設備、倒閘操作、饋線保護比較簡單。缺點是牽引網的電壓損失和電能損失較大，上、下行接觸網之間容易出現較大的電壓差。

（2）單邊并聯供電

如圖1-19所示，供電臂的上、下行接觸網在末端連接起來，電力機車取用的電流由上、下行接觸網兩條線路共同供給，即為復線單邊并聯供電。

復線單邊并聯供電時，電力機車由上、下行接觸網兩條線路并聯供電，使牽引網阻抗減小，從而使牽引網的電壓損失和電能損失顯著減小，故目前普遍采用。復線單邊并聯供電的缺點是分區亭設備復雜，如果再考慮相鄰變電所故障時進行越區供電等情況，分區亭需設4臺斷路器，除兩臺作末端并聯用外，另外兩臺將相鄰變電所兩供電臂接觸網相連，這就增加了運營維修的工作量。

（3）單邊全并聯供電

如圖1-20所示，供電臂的上、下行接觸網除在末端連接起來外，還在供電臂中每隔一定距離，一般是在每個車站利用柱上負荷開關將上、下行接觸網連接起來，電力機車取用的電流也是由上、下行接觸網兩條線路共同供給，即為復線單邊全并聯供電。并聯負荷開關可以自動投切，也可以經設于車站的遠動終端RTU由電力調度控制。

單邊全并聯供電方式比末端并聯供電更能有效地減小接觸網阻抗，降低接觸網電壓損失和電能損失。它還能對接觸網的短路故障進行有效的保護，即當接觸網短路故障時，牽引變電所兩饋線斷路器自動跳閘，接觸網瞬時失電，負荷開關隨即自動斷開，上、下行接觸網分開，此時，通過變電所的故障判斷裝置確定其故障線路，而非故障線路即刻自動重合送電。如果是瞬時性故障，兩條線路分別送電成功后，負荷開關自動重合，又恢復到全并聯供電方式。