電力牽引供電系統是指從電力系統或一次供電系統接受電能，通過變壓、變相或換流（將工頻交流變換為低頻交流或直流電壓）後，向電力機車負載提供所需電流制式的電能，並完成牽引電能傳輸、配電等全部功能的完整系統。牽引供電系統的性能直接影響列車牽引功率的發揮和牽引傳動控制系統的性能。
基本介紹
- 中文名：電力牽引供電系統
- 外文名： power supply system of electric traction
- 套用：19世紀末
- 供電：發電廠
- 組成：牽引變電所和接觸網
- 類型：電力牽引
系統簡介,電流制的發展,電力牽引供電系統,牽引變電所,分區所,開閉所,自耦變壓器站,接觸網,
系統簡介
電力牽引供電系統按照向電力機車提供的電流性質分為直流制和交流制，交流制又分工頻單相交流制和低頻單相交流制。工頻指工業標準頻率,即50赫或60赫;低頻指低於工業標準頻率的頻率,套用最多的赫,即50赫的三分之一。各種電流制的電力牽引供電系統的設備有很大的差別。
電流制的發展
直流制套用最早，19世紀末電力牽引開始用於鐵路幹線時，套用的就是直流制。目前在英、法、日、蘇等國直流制仍然大量存在。直流制是將電力系統的三相交流電降壓並變換為直流電供應接觸網。接觸網電壓有1200伏、1500伏、3000伏等多種。由於電力機車電壓受直流牽引電動機換向條件的限制，接觸網電壓很難大幅度提高，所以直流制須沿接觸網輸送大量電流，在接觸網上一般須用兩根銅接觸導線，並套用銅承力索，另加一些平行的鋁加強導線來分流，耗費有色金屬量較大。另外，為了保持接觸網的電壓水平，沿線路每隔10～30公里須設定一個牽引變電所。直流制的這些弱點，推動了交流制的研究。
20世紀初，工頻三相交流制和低頻單相交流制相繼出現。工頻三相交流制曾在義大利套用，由接觸網輸送三相中的兩相，另一相接地。後因兩相接觸網結構複雜、維護困難被淘汰。低頻單相交流制則在德國、瑞典、瑞士等國得到發展。這種電流制接觸網電壓一般為 15000伏,在電力機車上降壓,使用單相整流子牽引電動機。交流制的接觸網比直流制的簡單得多，牽引變電所的設定間距也加長。採用低頻的主要原因是整流子牽引電動機換向困難，不適宜於在工頻運轉。低頻制需要低頻電源，所以低頻制電氣化鐵路必須建設專用低頻發電廠，或者在牽引變電所將電力系統送來的工頻電流降壓並變換成低頻電流。早年採用電動發電機組來變換頻率，後來改用靜止式變頻器，設備比直流制複雜。單相整流子牽引電動機也不如直流牽引電動機構造簡單和容易維護。
1933年匈牙利曾建成一條工頻單相交流制電氣化鐵路，接觸網電壓為 16000伏，電力機車上採用旋轉式變相頻機和三相異步電動機。這種電力機車由於構造複雜，沒有得到推廣。1955年，法國在電力機車上採用靜止式整流器和直流牽引電動機獲得成功，工頻單相交流制才在各國推行開來。原來採用直流制的日本、蘇聯、英國、印度等國也相繼採用工頻單相交流制。這種交流制接觸網電壓一般為25000伏，接觸網構造進一步簡化，牽引變電所的設定間距擴大為30～70公里。電力機車上靜止式整流器最初套用引燃管，後來普遍採用矽半導體整流器。整流技術的進步，是工頻單相交流制獲得廣泛套用的一個重要因素。中國鐵路採用工頻單相交流制,定25000伏為接觸網標準電壓。套用矽半導體整流器的“韶山”型電力機車運行經驗證明，這種電力機車維護簡易，運行可靠。
電力牽引供電系統
電力牽引供電系統是指從電力系統或一次供電系統接受電能，通過變壓、變相或換流（將工頻交流變換為低頻交流或直流電壓）後，向電力機車負載提供所需電流制式的電能，並完成牽引電能傳輸、配電等全部功能的完整系統。牽引供電系統的性能直接影響列車牽引功率的發揮和牽引傳動控制系統的性能。
工頻交流單相電力牽引供電系統主要由牽引變電所、牽引網、分區所、開閉所等部分組成。
牽引變電所
直流制牽引變電所用主變壓器降壓並把三相交流電變換為6相或12相,然後用整流器整流。工頻單相交流制在牽引變電所只進行降壓，主要設備是降壓變壓器，稱為主變壓器。牽引變電所按主變壓器繞組接線方式，分為三相、單相和三相-二相牽引變電所。
三相牽引變電所
它的主變壓器結構與一般三相電力變壓器相同,只是次邊額定電壓為27500伏。繞組通常採用 Y/△接線。用兩台主變壓器並聯運行。原邊Y形繞組接連電力系統的高壓母線,次邊△線繞組一端接地,另兩端分別向兩邊的接觸網供電(圖1)。三相牽引變電所的優點是主變壓器價格低廉，配電設備簡單,可在27500伏側用電力變壓器降壓至 10000伏向鄰近地區和鐵路的三相負荷供電。缺點是主變壓器容量利用率較低，三相繞組中有一相達不到額定負荷。另外，牽引變電所對電力系統形成不對稱負荷，通常須將各個牽引變電所的兩個重負電荷相輪換接入電力系統中的三相。中國和蘇聯的工頻單相交流制電氣化鐵路大都採用三相牽引變電所。
單相牽引變電所
採用單相雙繞組主變壓器。有兩種接線方式:簡單單相接線（圖2）和V/V接線（圖3）。V/V接線是將兩台主變壓器的原邊接在高壓母線不同的兩相間，次邊分別以不同的相電壓向兩邊接觸網供電。簡單單相接線設備簡單、經濟，主變壓器容量利用率高。但是由於牽引變電所對電力系統構成單相負荷，即使將各個牽引變電所輪換接入電力系統中的三相，在局部系統中仍將產生大量負序電流，所以只適宜於在電力系統容量較大的地區採用。單相V/V接線在電力系統中產生的負序電流和三相牽引變電所產生的相同，比簡單單相接線產生的要小。這種接線也可在 27500伏側套用降壓變壓器供應地區三相負荷。但是兩台主變壓器不是並聯，操作手續和設備比較複雜。法國、英國、印度的工頻單相交流制電氣化鐵路普遍採用單相牽引變電所，而且多採用簡單單相接線。中國只在個別線路上採用單相V/V接線。
電力牽引供電系統
電力牽引供電系統三相－二相牽引變電所
主變壓器一般採用斯科特接線。其原邊有兩個繞組，匝數比為1:3,短繞組（稱為高繞組）接於長繞組（稱為底繞組）的中點，三個出線端接高壓母線的三相，形成“T”形接線(圖4)。次邊兩個繞組輸出對稱二相電壓，分別向兩邊接觸網供電。斯科特接線的優點是,當兩邊接觸網負荷相等時,主變壓器從電力系統取用對稱三相電流。缺點是要求特製的主變壓器。另外，和簡單單相接線一樣,在27500伏側不能供應地區三相負荷。三相-二相牽引變電所在日本套用最為廣泛。
電力牽引供電系統
電力牽引供電系統分區所
交流電氣化鐵路上為了增加供電的靈活性，提高運行的可靠性，在兩個牽引變電所的供電區中間常加設分區所，分區所的作用可簡述如下。
（1）可以使兩相鄰的供電區段實現並聯工作或單獨工作。當實現並聯工作時，分區所的斷路器閉合，否則打開。
（2）當相鄰牽引變電所發生故障而不能繼續供電時，可以閉合分區所的斷路器，由非故障牽引變電所實行越區供電。
（3）雙邊供電的供電區內發生牽引網短路事故時，可由分區所的斷路器切除事故點所在處的一半供電區，非事故段仍可照常工作。
開閉所
交流電力牽引系統開閉所，實際上是起配電作用的開關站，一般在下面兩種情況或系統中設定。
一種情況是在離牽引變電所較遠的鐵路樞紐地區，由於站線多，接觸網相應複雜，客貨運交會、編組和機車整備作業繁忙，致使該地區故障幾率增多，為保證樞紐地區供電的可靠性，縮小事故範圍，一般將接觸網橫向分組及分區供電，由開閉所的多路饋線向接觸網各分組和分區供電。
另一種情況是在AT供電方式的複線牽引網供電臂中間設定開閉所，由於AT供電方式供電電壓增高（2×25kV），供電臂距離增長，可達40～50km，為提高供電靈活性（如接觸網停電檢修等），縮小事故停電範圍，故需在牽引變電所與分區所之間設定開閉所。
自耦變壓器站
工頻單相交流電氣化鐵路如採用自耦變壓器（AT）供電方式時，在沿線需每隔10～15km設定一台自耦變壓器。應儘量把自耦變壓器設於沿鐵路的各站場上，大致和鐵路區間的距離一樣。同時，應與分區所、開閉所合併，以便於運行管理。
接觸網
電力牽引供電系統接觸網主要由接觸懸掛及其支柱組成。常用的有簡單彈性懸掛和單鏈形懸掛。
簡單彈性懸掛只有一根接觸導線，用彈性吊弦掛在支柱上（圖5 ）。彈性吊弦可以緩和受電弓對懸掛點的衝擊。這種懸掛可適應70～90公里/小時運行速度。接觸導線彈性較好的，可適應100公里/小時以上的速度。接觸導線材料具有耐磨、耐腐蝕、抗拉強度高和導電性能好等特點。多數國家主要採用銅導線和鎘銅導線。中國廣泛套用鋼鋁雙金屬導線。為了使接觸導線有必要的張力，接觸網每隔一定長度設定一個錨段，將接觸導線一端下錨，另端吊掛一個載重體，稱為補償器。補償器在季節變化引起接觸導線冷縮熱脹時自動上下移動，使接觸導線張力保持不變。
電力牽引供電系統
電力牽引供電系統單鏈形懸掛加用一根承力索，將接觸導線用吊弦均勻地吊掛在承力索上（圖6 ）。對承力索採取補償措施的稱為全補償單鏈形懸掛。這種結構的優點是接觸導線平直，接觸懸掛彈性均勻，因此受電弓和導線有較好的接觸，受流較好，適用於運行頻繁、運行速度較高的線路。直流制電氣化鐵路接觸網普遍採用兩根接觸導線和單鏈形懸掛。交流制接觸網採用一根接觸導線和單鏈形懸掛或簡單彈性懸掛。中國主要採用單鏈形懸掛，但也開始採用簡單彈性懸掛。還有一種復鏈形(雙鏈形、三鏈形)懸掛(圖7)，是在單鏈形懸掛的承力索和接觸導線之間加設一條輔助承力索,用吊弦掛在承力索上,再把接觸導線掛在輔助承力索上。這種結構使接觸懸掛彈性更加均勻，適應更高的運行速度。日本東海道新幹線採用彈性雙鏈形懸掛。
早期的接觸網大都使用金屬支柱，後來改用鋼筋混凝土支柱。這種支柱省鋼材，耐腐蝕，造價較低。接觸懸掛掛在支柱的金屬腕臂上，用定位器來固定接觸導線的水平位置，使接觸導線沿線路成“之”字形走向，以免運行中的電力機車受電弓集中在一點被接觸導線擦傷。
電力牽引供電系統
電力牽引供電系統供電方式
電力牽引供電系統防干擾設施
為了減少接觸網電流的電磁感應對沿線通信電路的干擾，在交流制電氣化鐵路鄰近城鎮的區段將接觸網每2～4公里劃成一個吸流分段，設定回流線和吸流變壓器。這時，電力機車的電流沿回流線流回牽引變電所，從而沿軌道和大地流回的電流很少。回流線和接觸網的電流近似相等，方向相反，這就大大減輕了電氣化鐵路對沿線通信電路的干擾。這種方式的缺點是吸流變壓器串接在電路中，加大了接觸網阻抗。日本新建設的工頻單相交流制電氣化鐵路採用了自耦變壓器方式，沿鐵路每10公里左右設定一台自耦變壓器。自耦變壓器中性點接地，一端接接觸網，另一端接回流線，稱為正饋（電）線。正饋線和接觸網電流大小相等，方向相反，同樣起著減小對通信電路干擾的作用。另一方面，由於接觸網和正饋線之間電壓為二倍接觸網電壓，沿接觸網電壓降便大大減小。
