客運專線AT供電方式的分析探討

方 偉 上海鐵路局杭州供電段

鐵路從蒸汽機時代發展到內燃機時代，再到電氣化時代，縱觀鐵路發展的歷史，實則為鐵路機車牽引方式的發展史。隨著當今社會對鐵路運輸能力的需求增加，運行速度的需求提高，環境保護的意識增強，人們對電氣化鐵路發展給予了越來越高的關注。2008年國務院調整以后的《中長期鐵路網規劃》中指出，到2020年全國鐵路營業里程達到1.2×105km以上，電氣化率達到50%，建設客運專線1.6×104km以上。

鐵路電氣化技術的發展為鐵路的提速提供了技術保障，也成為了高速鐵路發展的主旋律；它具備運能大、速度快、經濟效益好、環境污染少等特點，充分顯示了電氣化鐵路技術的優越性。電氣化鐵路之所以具備如此多的優點，除了因為它以電能作為機車前進的能源，還有就是電氣化鐵路的牽引供電方式，因為它直接影響著鐵路的牽引功率、運行速度以及環境影響等。因此，選擇何種牽引供電方式直接關系到鐵路的運輸效率。

1 牽引供電方式的類型及特點

目前，電氣化鐵路的牽引供電方式有以下幾種：

直接供電方式（簡稱TR供電方式）、帶回流線的直接供電方式（簡稱DN供電方式）、自耦變壓器供電方式（簡稱AT供電方式）、吸流變壓器供電方式（簡稱BT供電方式）、同軸電力電纜供電方式（簡稱CC供電方式）等。

（1）TR供電方式是指牽引變電所通過接觸網直接向電力機車供電，回流經鋼軌及大地直接返回牽引變電所的供電方式，它的特點是：供電回路構成簡單，工程投資、運營成本和維修工作量都少；但對臨近通信線路的電磁干擾影響嚴重，鋼軌電位也比其他供電方式高（見圖1）。

圖1 單線區段牽引供電原理圖

圖2 復線區段牽引供電原理圖

（2）DN供電方式是在接觸網同高度的外側增設了一條回流線（見圖2），牽引變電所通過接觸網直接向電力機車供電后，牽引電流經回流線、鋼軌及大地直接返回牽引變電所的供電方式，它的特點保留了直接供電方式的優點，同時又有了以下改善：

①原來流經軌道、大地的回流，一部分改由架空回流線流回牽引變電所，其方向與接觸網中電流方向相反，因此，相當于對鄰線通信線路增加了屏蔽效果（見圖3）。

②牽引阻抗和軌道電位都有所降低。

圖3 直供加回流線供電方式原理圖

（3）AT供電方式與BT供電方式相比具有供電電壓高、牽引功率大、牽引所間距大、防護效果好等特點，能夠滿足高速大功率電力機車運行需要（見圖4）。

圖4 AT供電方式原理圖

（4）BT供電方式的特點是在牽引供電系統中加裝吸流變壓器(約3～4 km安裝一臺)和回流線的供電方式。這種供電方式由于在接觸網同高度的外側增設了一條回流線，回流線上的電流與接觸網上的電流方向相反，因此，減輕了接觸網對鄰近通信線路的干擾。其供電原理如圖5所示。

圖5 BT供電方式原理圖

（5）CC供電方式是一種新型的供電方式，它的同軸電力電纜沿鐵路線路埋設，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。每隔5～10 km作一個分段。這種供電方式對鄰近的通信線路幾乎無干擾，同時電路阻抗小，因而供電距離長。但由于這種供電方式造價高、投資大，目前很少采用。

綜上所述，從供電電壓、牽引功率、防護效果、建設成本等各方面綜合考慮，AT供電方式都展現了其巨大的優越性。因此，在目前電氣化鐵路尤其是客運專線和城際鐵路的建設中，AT供電方式得到了廣泛地應用。

2 AT供電方式的原理及應用分析

自耦變壓器（Auto Transformer）供電方式，簡稱AT供電方式。目前，AT供電方式在我國高速鐵路中得到了廣泛地應用，新建的京津、合武、武廣、沿海、滬寧等城際客專線路都采用AT供電方式。

2.1 AT供電網絡工作原理

AT供電方式的電路主要包括牽引變電所S、接觸懸掛T、軌道R、自耦變壓器AT、正饋線AF、保護線PW、電力機車EL等。下面介紹AT供電方式的原理電路圖。

如圖6所示，T為接觸網，R為軌道，F為正饋線，沿供電臂接觸網架設。AT1、AT2為自耦變壓器，變比為2:1，其一端與接觸網連接，另一端與正饋線連接，中點與軌道連接。假設接觸網與軌道之間的繞組匝數為w2，正饋線與軌道之間的繞組匝數為w1，故w1=w2。繞組w2（即副邊）接負載，電壓為U（即27.5kV）；繞組w1電壓與繞組w2相同，故電壓也為U（即27.5kV）；繞組w1與w2串聯（即原邊）接入電源，故電壓為2U（即2×27.5kV）；因此，AT供電方式在無需提高牽引網設備絕緣水平的情況下，即可將供電電壓提高一倍。

此外，當流過電力機車的牽引電流為I時，通過分析可知，流過w1、w2的電流分別為I/2，即從牽引所流到接觸網上的電流等于正饋線流回牽引所的電流，都等于I/2；也就是說，在相同地牽引負荷條件下，接觸網和正饋線中的電流可以減少一半。同時，由于自耦變壓器本身具備阻抗，在并入牽引網后，使得整個牽引網單位阻抗約為BT供電方式牽引網阻抗的1/4，降低了牽引阻抗，從而大大減小了牽引網的電壓損失和電能損失。

兩臺自耦變壓器之間的距離一般為10～16 km，但實際的間距按對通信線防干擾及牽引供電的要求計算確定。如沿海鐵路客專線浙江段中根據不同地段的要求不同，各AT變壓器之間的實際距離也不盡相同，距離最長的兩自耦變壓器之間，相隔18.3 km；距離最短的兩自耦變壓器之間，相隔10 km。

圖6 AT供電方式原理電路圖

2.2 AT牽引供電系統中牽引所亭的介紹

AT牽引供電系統中牽引所亭一般包括了牽引變電所、AT所、分區所以及開閉所，它們在牽引供電系統中起了各自不同的作用（見圖7）。

圖7 牽引所、亭與接觸網示意圖

（1）牽引變電所

牽引變電所的功能是將三相220 kV（客運專線一般采用220 kV電力系統供電）高壓交流電變換為兩個單相27.5 kV的交流電，然后向上、下行兩個方向對接觸網供電。每個牽引變電所設置四臺單相變壓器，每組主變采用兩臺單相變壓器外部組合成V/X接線方式。

AT供電方式牽引變電所，按牽引變壓器接線形式可分為三相-二相平衡接線、三相十字交叉接線、V,v接線和單相接線；按牽引側母線電壓系統可分為55 kV單相電壓系統、2×27.5 kV兩相三線電壓系統。目前在客運專線AT供電方式中應用最多的是三相V,v接線方式，如新建的合武、沿海、滬寧等客運專線牽引變壓器均采用這種接線方式。

牽引變壓器三相V,v（或連體式V,x）接線方式的供電原理圖如圖8所示，它由兩臺牽引變壓器構成，每臺副邊的兩個繞組皆帶中點抽頭，即每個副邊繞組皆為2×27.5 kV兩相三線電壓系統。兩臺三相V,v接線牽引變壓器中，一臺運行，另一臺固定備用。運行的這臺三相V,v接線牽引變壓器，兩個原邊繞組分別接入三相電力系統的AC相和BC相；兩個副邊繞組的出線端子a1、1和a2、x2分別接到兩組55 kV牽引母線上。兩相牽引母線分別通過饋線向變電所兩側供電臂的牽引網供電。亦即運行的三相V,v接線牽引變壓器中，兩臺單相變壓器器身各供應變電所的一側供電臂。兩個副邊繞組的中點抽頭o1，o2分別接到N母線上。N母線與軌道連接，并通過放電器F接地。

圖8 三相V,v接線方式

（2）AT 所

AT所有兩臺自耦變壓器同時接在母線上，每臺自耦變壓器通過雙極斷路器和雙極電動隔離開關接于母線上，一臺運行，一臺備用。供電臂上、下行之間采用一臺斷路器和兩臺電動隔離開關相聯。正常運行時，斷路器和隔開閉合，實現供電臂上下行并聯供電。

當正在運行的自耦變壓器故障時，通過斷路器跳閘，使故障自耦變壓器退出運行，再將另一臺自耦變壓器投入運行。

（3）分區所

分區所設于兩個牽引供電臂之間，可使相鄰的接觸網供電區段（同一供電臂的上、下行或兩相鄰變電所的兩供電臂）實現并聯或單獨工作。此外，當相鄰變電所出現故障無法向接觸網供電時，分區所還具備向相鄰區段接觸網越區供電的作用。

分區所內設有兩組自耦變壓器，分別向兩側接觸網區段供電；每組分別有兩臺自耦變壓器接于同一個供電臂的母線上，一主一備運行。供電臂上、下行之間采用一臺斷路器和兩臺電動隔離開關相聯；正常運行時，斷路器和隔開閉合，實現供電臂上下行并聯供電；

當正在運行的自耦變壓器故障時，通過斷路器跳閘，使故障自耦變壓器退出運行，再將另一臺自耦變壓器投入運行。兩個供電臂之間設有電動隔離開關，可以實現越區供電。

（4）開閉所

開閉所是不進行電壓變換而用開關設備實現電路開閉的配電所，一般有兩條進線，然后根據需要分多路饋出向樞紐站場接觸網各分段供電。進線和出線均經過斷路器，以實現接觸網各分段的停、送電靈活運行的目的。同時由于斷路器對接觸網短路故障進行保護，從而可以縮小事故的停電范圍。開閉所一般用于站場和樞紐等需多路饋出的地段。

2.3 防護效果及主要影響因素

AT供電方式中由于接觸網與正饋線距離相對較近，且其電流大小近似相等，方向相反，兩者產生的交變磁場基本上可相互抵消。因此，顯著減弱了接觸網和正饋線周圍空間的交變磁場，大大減小了牽引電流對鄰近通信線的電磁干擾。

研究發現，影響AT供電方式防護效果的主要因素有以下幾方面：

（1）電力機車運行位置

當電力機車位于AT處時，由于AT存在著很小的阻抗，故在全供電臂內將有部分牽引電流流經軌道、大地返回變電所，所以對鄰近通信線存在電磁感應，但由于此電流較小，故影響也很有限，這就是所謂的"長回路"感應影響。"長回路"感應影響的大小與AT的阻抗，以及接觸網、正饋線和通信線的相對位置以及軌道的"二次感應"等因素有關。

當電力機車運行于兩臺AT之間時，產生的牽引電流流入軌道和大地對鄰近通信線路的影響，在直線區段基本不產生干擾影響，在曲線區段會產生一定地影響，這個影響稱為"短段效應"。

（2）AT漏抗

理論證明，AT漏抗越小，AT將軌道和大地中電流吸至正饋線的效果就越好；反之，就降低了吸流效果。但是，AT漏抗越小其造價也就越高。因此在實際應用中，必須全面考慮技術和經濟雙重因素。根據實踐經驗，在工頻交流條件下，AT漏抗值取0.45 Ω（歸算至27.5 kV側）時，能夠在技術和經濟兩方面達到相對平衡點。

（3）AT間隔長度

減小AT間距，特別是減小變電所端第一個AT段的長度，可以顯著地減小最大區段安培公里值，使防護效果更好。但是AT間距過小，又將增加投資成本。根據實踐經驗，由于受地形和鐵路兩旁建筑物等條件的限制，AT間距一般在10~16 km左右。

（4）軌道對地漏泄電阻

該電阻值越大，從軌道漏泄到地中的電流就越小，防護效果就越好；反之，防護效果就降低。

（5）正饋線的阻抗

正饋線中的阻抗與接觸網的阻抗愈接近相等，兩者中的電流也愈接近，防護效果也就愈好。

3 AT供電方式的優缺點

隨著我國高鐵建設的穩步推進，AT供電方式的應用也將越來越普遍。

3.1 AT供電方式的優點

AT供電方式在防護效果、牽引功率等方面都有良好的效果，下面以BT供電方式為比較對象來介紹它的優點：

（1）供電電壓高。AT供電方式無需提高牽引網的絕緣水平即可將牽引網的電壓提高一倍。BT供電方式牽引變電所的輸出電壓為27.5 kV，而AT供電方式牽引變電所的輸出電壓為55 kV，線路電流為負載電流的一半，所以線路上的電壓損失和電能損失大大減小。

（2）防護效果好。AT供電方式接觸懸掛上的電流與正饋線上的電流大小相等，方向相反，其電磁感應相互抵消，防護效果好。并且，由于AT供電的自耦變壓器是并聯在接觸懸掛和正饋線間的，不象BT供電的吸流變壓器串聯在接觸懸掛和回流線之間，因此沒有因勵磁電流的存在而使原、副邊繞組電流不等，以及在短路時吸流變壓器鐵芯飽和導致防護效果很差等問題。另外也不存在"半段效應"問題。

（3）能適應高速大功率電力機車運行。因AT供電方式的供電電壓高、線路電流小、阻抗小(僅為BT供電方式的1/4左右)、輸出功率大，使接觸網有較好的電壓水平，能適應高速大功率電力機車運行的要求。另外，AT供電也不象BT供電那樣，在吸流變壓器處對接觸網進行電分段，當高速大功率電力機車通過時產生電弧，燒壞機車受電弓滑板和接觸線，對機車的高速運行和接觸網的運營維修極為不利。

（4）牽引變電所間距大、數量少。由于AT供電方式的輸送電壓高、線路電流小、電壓損失和電能損失都小，因此輸送功率大，牽引變電所之間的間距可以大大增加，牽引變電所的數量減少，從而建設投資和運營管理費用都會減少。

3.2 AT供電方式的缺點

AT供電方式的缺點主要是結構復雜，如牽引變電所、AT所、分區所、開閉所等，都給施工和運行維護帶來了一定的困難；同時AT供電方式與其它供電方式相比工程投資要大大增加，這也較大地提高了電氣化鐵路的建設投資成本。