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1、牵引网供电方式电力牵引供电系统电力牵引供电系统（power supply system of electric traction） 从高压电力系统或专用电源经变换供给铁路电力机车及其辅助设备用电的电力网络。按电流制把它分为交流制和直流制两大类。20 世纪 50 年代后，大多数都采用交流制，中国均为交流制。图1 是交流电力牵引供电系统示意图。它取电于电力系统（公用电网），由牵引变电所和牵引网组成。牵引网实行单相供电，由馈电线（简称馈线）、接触网、（电力机车）、轨道电路及回流线等组成。为使电能有效、可靠地供给电力机车，牵引网上还安装有分相绝缘器、分段绝缘器等设备，供电系统中还设有分区所、开闭所等。
2、中国规定牵引网额定电压为 25kV，额定频率为 50Hz。图 1 电力牵引供电系统示意图外部供电方式 电力系统与牵引变电所的电气联结方式。它取决于牵引负荷的用电等级和电力系统的分布情况。牵引变电所与电力系统的产权分界点在牵引变电所一次侧进线的门形架处，中国规定电力牵引为一级负荷，牵引变电所应有两路电源供电；当任一路故障时，另一路应能正常供电，其中两路电源可来自不同的地区变电所或同一地区变电所的不同母线或母线分段，以保证一级负荷的供电可靠性。外部供电方式主要有下述主要几种。环形供电 见图 2，为电力系统将牵引变电所联成环形网，优点是供电可靠性好，当任一输电线或电源故障时都不影响牵引变电所的正常供
3、电。但因牵引变电所一次侧进出线多及开关多，继电保护复杂，会使成本增加。图 2 外部供电方式环形供电双侧供电 电源来自电力系统的两个地区变电所，给铁路供电的输电线是联络这两个地区变电所的道路。根据可靠性的要求及实际情况，双侧供电可分为图 3 的双路输电线和单路输电线两种类型。但不论哪种类型，各路输电线的容量应不小于相关牵引变电所容量之和。单路输电线方式一次侧进出开关少，投资也少，供电可靠性不及双路方式，但一输电线或一电源分别故障仍不会导致牵引变电所失电。 图 3 外部供电方式双侧供电单侧供电 由一个地区变电所给数个牵引变电所供电，为保证供电可靠性，应采用双路或同杆双回输电线，并由地区变电所的不同
4、母线或不同母线分段上引入牵引变电所，方式有二，见图 4。单侧供电方式的可靠性一般比双侧供电和环形供电方式要差些，投资比环形供电方式和单路输电线双侧供电方式少些。当单侧输电线较长时，为缩小故障范围，可选择适量位置的牵引变电所进线处进行分段，称该处为支柱牵引变电所。图 4 外部供电方式单侧供电放射式供电 当各牵引变电所离开电源差不多等距并且比单侧供电更经济时，可采用放射供电方式，见图 5。图 5 外部供电方式放射式供电中国电网采用最高电压等级环网而其他开网的运行模式。因此，在目前 220kV 及更高电压等级逐步形成之情况下，当采用 110kV 电力系统给铁路供电时，就较少采用环形和双侧供电等方式，
5、而多用单侧供电方式或带有备用开关的双侧供电方式和环形供电方式等。另外，实际电力系统的电源与牵引变电所的布局多种多样，对一条电气化铁道来说，外部供电方式也多种多样。牵引供电系统主要组成部分与功用牵引变电所 将电力系统供应的电能转变为适于电力牵引及其供电方式的电能，其核心元件是牵引变压器，并常设有备用。与地区变电所比较，牵引变电所最主要的和绝大多数情况下用于提供牵引用电。牵引网 参见牵引网。分相绝缘器 又称电分相。串在接触网上，目的是把两相不同的供电区分开，并使机车光滑过渡，主要用在牵引变电所出口处和分区所处。分段绝缘器 又称电分段。分为纵向电分段和横向电分段，前者用于线路接触网上，后者用于站场各
6、条接触网之间。通过其上的隔离开关将有关接触网进行电气连通或断开，以保证供电的可靠性、灵活性和缩小停电范围等。电力机车 通过牵引电机及其变换和控制机构，将电能转化为可用机械能，牵引列车运行。参见电力机车。供电分区 正常供电时，由牵引变电所馈线到接触网末端的一段供电线路，也称供电臂。牵引网供电方式牵引网供电方式（power supply schemes of traction network） 牵引网网络结构形式和供电电源连接方式的总称。电气化铁路牵引网是由分布在铁路沿线各牵引变电所分区供电的。图 1 是一般牵引网分区供电示意图。整个牵引网被分割成若干供电分区，每个牵引变电所负责向该所两侧的供电分
7、区供电。当相邻两供电分区的供电电压相位相同时，可采用“电分段”分段（不带中性嵌入段），当电压相位不同时则需用带中性嵌入段的“电分相”分段。图 1 牵引网分区供电示意图T接触网；R钢轨；SS牵引变电所；C电分段；FC电分相；O回流线。牵引网的一个重要技术参数是网络的单位阻抗。它对牵引供电系统多项技术经济指标包括电压损失、电能损失、变电所间距和电气化铁路运营成本等都有重要影响。牵引网供电方式网络结构形式可分为：直接供电方式、吸流变压器（BT）供电方式、自耦变压器（AT）供电方式和同轴电缆（CC）供电方式等。如果按牵引网供电电源分类，则有单边供电，双边供电，复线上、下行环状供电，上、下行全并联供电，
8、纽结供电和上下行不同相供电等方式。直接供电方式 对牵引回流归路不作特别控制，任其自由流经钢轨和大地的一种牵引网供电方式。由于钢轨和大地间没有良好的绝缘，由钢轨泄入地中的回流分量较大，造成接触网和钢轨电流不均衡，对铁路沿线平行接近的架空通信线产生较大的电磁感应干捞（参见直接供电方式）。直接供电方式原理结线见图 2。加到接触网上的电压可以是牵引变电所牵引母线的一相，也可以是经单一三相平衡转换后的统一单相电压（参见同相供电方式）。图 2 直接供电方式原理结线SS牵引变电所；T接触网；R钢轨；I R轨回流；I牵引电流；I e地中回流。一般直接供电方式牵引网（按触悬挂当量铜截面为 100 mm2）的单位
9、阻抗为 0.6/km左右。由牵引母线至机车用电点牵引网总阻抗则为单位阻抗与机车至牵引变电所距离的乘积。吸流变压器（BT）供电方式 一种可显著降低交流牵引网对平行接近架空通信线路危险电压和杂音干扰电动势的供电方式。图 3 为这种供电方式的原理结线。在牵引网中串联接入一定数量变比为 1:1 的吸流变压器，其一次绕组串联接入接触网中，二次绕组则串联接在专门架设的“回流线”中，在两相邻吸流变压器间，将回流线与钢轨作一次并联连接，在回流线的首、未两端也分别与钢轨连通。借助吸流变压器一、二次绕组间的互感作用，将直接供电方式时流经钢轨和大地的回流全部吸入回流线中，使接触网和回流线的电流达到完全平衡，减轻了对
10、通信线的电磁感应影响，参见吸流变压器供电方式。图 3 BT 供电方式原理结线图H回流线；T接触网；R钢轨；SS牵引变电所；BT吸流变压器。BT 牵引网阻抗与机车至牵引变电所的长度不是简单的线性关系。随着机车取流位置的不同，牵引网内的电流分布可有很大不同，例如图 4 中当机车位于供电臂内第一台 BT 前方（A）时，牵引负荷未通过吸流变压器一次绕组，其二次绕组没有电流流通，因此牵引网按直接供电方式运行，到达 B 处后，吸流变压器一次绕组有牵引电流流过，牵引回流被迫由钢轨逆行至远离电源侧的吸上线进入回流线，再经吸流变压器二次绕组返回牵引变电所，使牵引网阻抗大增。图 4 的曲线 3 是机车由牵引变电所
11、出发在不同位置时的牵引网总阻抗。图中曲线 2 是 BT 供电方式长回路牵引网阻抗，即牵引负荷全程流经接触网和回流线时的阻抗，相当于机车位于吸上线处的牵引网阻抗。图 4 BT 供电方式牵引网阻抗图1直接供电方式牵引网阻抗；2BT 供电方式长回路牵引网阻抗；3列车由牵引母线侧运行至末端牵引网阻抗变化。BT 牵引网阻抗通常较直接供电方式大 50%左右。自耦变压器（AT）供电方式 牵引网以 225 kV 电压供电，并在网内分散设置自耦变压器降压至 25 kV 供电力牵引用。图 5 是 AT 供电方式原理线圈。与接触网同杆架设一条对地电压为 25kV 但相位与接触网电压反相的“正馈线”，构成 225 k
12、V 馈电系统。自耦变压器变比为 2:1，其一次绕组接在接触网与正馈线之间，而中性点则接至钢轨。在接触网与钢轨和正馈线与钢轨间形成 25 kV 电压可供电力牵引用电。这种方式可在不提高牵引网绝缘水平的条件下将馈电电压提高一倍，可成倍提高牵引网的供电能力，扩展牵引变电所间距，牵引供电名项技术指标十分优越，特别适用于高速和重载电气化铁路，参见自耦变压器供电方式。图 5 AT 供电方式原理图T接触网；R钢轨；F正馈线；SS牵引变电所；AT自耦变压器。AT 牵引网阻抗与机车取流位置亦不呈线性关系。图 6 是机车从 AT 网络 SS 端运行至 SP端时网络阻抗的变化曲线。图 6 中曲线 1 是 AT 网络
13、的长回路阻抗，即机车正好位于 AT 处的 AT 网络阻抗。当机车位于两相邻 AT 之间时，网络阻抗见曲线 2。参见牵引网阻抗。图 6 AT 牵引网阻抗1长回路阻抗；2AT 牵引网总阻抗。AT 网络的长回路单位阻抗约为 0.2/km。同轴电缆（CC）供电方式 将首相同轴电力电缆与接触网钢轨回路并联，作为牵引电流主要载流导体以减轻对平行接近架空通信线电磁感应影响的一种供电方式，其结线原理见图 7。与接触网同杆架设一条由内、外两层导体构成的单相同轴电力电缆（图 8），电缆内、外层导体平均每 5km 10km 分别与接触网和钢轨作一次并联连接，形成若干个环状供电回路。内、外导体间有耐压为 30kV 的
14、交联聚乙烯绝缘层。由于同轴电缆的单位阻抗较小，牵引电流将主要流经同轴电缆。此外，同轴电缆内、外导体电流接近平衡，对周围的电磁感应影响很小。图 7 同轴电缆供电系统原理接线图图 8 同轴电缆结构示意图与架空裸接触线相比，高压同轴电缆导体的单位截面载流能力较小，导体需要截面较大，加上内、外绝缘层厚度，电缆的外径和重量很大，不仅加大了接触网支柱的荷重和施工难度，而且造价很高。除了局部特别困难的地段外，很少用于整段电气化铁路。单边供电方式 牵引变电所从一侧单方向向牵引网供电的方式。图 9 是牵引网单边供电示意图。复线时，上、下行牵引网可以由同相牵引母线供电，也可以由不同相牵引母线供电。图 9 单边供电
15、示意图SS牵引变电所。单边供电方式的技术特性 网内电压障。一列平均取流为 I 的电气列车通过长度为L 的供电臂时受电弓上最大电压降为U m=IZL (1)式中，I 为列车在带电运行时间内的平均电流（A）；Z 为牵引网单位阻抗（/km）；L 为供电臂长度(km)。列车通过供电臂时在网内的电力损失为：(2)式中，r 为牵引网单位阻抗的有效电阻分量（/km）；t 为列车通过供电臂的平均带电时分。单边供电方式的牵引网电压降和电能损失较大，而继电保护则相对较简单。双边供电方式 牵引网由相邻两牵引变电所从两端同时供电的方式。图 10 是双边供电方式示意图。图（a）是单线双边供电方式；（b）是双线双边供电方
16、式。在相邻两牵引变电所中间设分区所，可根据需要实现牵引网供电方式的转换。在双边供电牵引网发生短路故障时，分区所断路器可自动跳闸，使事故范围限制在一个供电分区内。 图 10 双边供电示意图SS牵引变电所；aa 相母线；SP分区所双边供电方式的技术特性 列车在牵引网内的最大电压降为：（3） 式中，L 1，L 2分别为并联供电两臂长度(km)；当 L1=L2=L 时，U m IZL，仅为单边供电的 。列车通过供电臂 L 在网内产生的电能损失为：（4） 式中，t 为列车通过供电臂的带电运行时分。在工频单相 25 kV 牵引制式时，这种双边供电方式由于可能造成部分电力系统功率“穿越 ”接触网，给铁路牵引供电系统带来额外电力损失，以及当相邻牵引变电所由未联网的不同电力系统供电时将形成短路等原因，一般较少采用双边供电
