牽引供電系統 說起電氣化鐵路，大家可能首先想到的就是線路兩旁一根根的線桿和列車頭頂密如蛛網的電線吧。沒錯電氣化鐵路與普通鐵路最明顯的不同在于，它除了地上一條線（軌道）、還有天上一張網（接觸網），是一種立體化的線路。電力機車所需的電能來自發電廠由輸電線路、變電裝置、牽引用電網絡、回流電路等組成的供用電系統供應。世界各國采用的供電制式各不相同，我國的電氣化鐵路選擇了25千伏單相工頻（50赫茲）交流供電制式。這種供電制式與工業生產所使用電流頻率簡稱工頻相同能使牽引動力獲得最佳效果。從天上到下，一套復雜完整的大系統為電氣化列車的運行提供了保證。1電氣化鐵路的心臟牽引變電所 牽引變電所是牽引供電系統的心臟，它的主要任務是將國家電力系統送來的三相高壓電變換成適合電力機車使用的單相交流電。牽引變電所從國家電網引入220千伏或110千伏三相交流電將三相電轉換為適合電氣列車使用的單相交流27.5千伏電源并送上接觸網。除此而外，它還起著供電保護、測量、控制電氣設備提高供電質量，降低電力牽引負荷對公共電網影響的作用。為確保牽引供電萬無一失，牽引供電系統都采用“雙備份”模式，兩套設備通過切換裝置可以互為備用并隨時處于“戰備”狀態，以備不時之需。通常將變電所設備分為一次設備和二次設備，一次設備是指接觸高電壓的電氣設備，如牽引變壓器、高壓斷路器、高壓隔離開關、高壓（電壓和電流）互感器、輸電線路、母線、避雷器等，它們主要完成電能變換、輸送、分配等功能。二次設備則主要是控制、監視、保護設備。隨著科技的發展，二次設備更加的集成化和智能化，形成了牽引變電所自動化系統為牽引變電所的遠動控制提供了可能。2電氣化鐵路的動脈接觸網當我們乘坐在電氣化鐵路的旅客列車上出行時，會看到路基兩旁有一根根電桿豎立著頂端安裝有單臂結構裝置伸向線路側上方且懸掛有電線，并將其固定在距軌道面一定高度的地方，在股道多的車站或編組站，懸掛結構及各種線網多如蛛網。這就是電氣化鐵路牽引供電系統的主要供電設備接觸網。 接觸網是在露天設置，不但受到各種氣象條件的影響，而且還受到電力機車行走時帶來的動作用力，加上接觸網又無法設置備用的條件，所以接觸網的工作環境條件非常惡劣。為了保證電氣化鐵路可靠安全運營，接觸網的結構必須經久耐用，這就決定了對接觸網要有特殊的結構。接觸網的功能，不但要把電能輸送給邊行走邊受流的電力機車使用，還要保證電力機車在走行時其受電弓與接觸線在滑動摩擦接觸過程中有良好的受流條件，特別是在環境條件變化的時候，線路基礎引起的震動，軌道的不平順，車體上下彈性跳動，受電弓弓臂和接觸滑板在受壓狀態下機車快速運行時產生的垂直加速度，以及接觸網導線不平整等因素的存在，都不應出現受電弓與接觸線分離現象（通常稱離線），否則將會導致受流惡化，嚴重時會產生電弧燒傷接觸線和受電弓的滑板，后果不堪設想。安全可靠的供電對接觸網的結構提出了特殊的要求。通過不斷優化，現在的接觸網主要有以下幾個部分構成： (1)接觸懸掛部分。包括承力索、接觸線、吊弦、中心錨結、錨段關節、補償裝置等。其中接觸線是與電力機車受電弓直接接觸處于滑動摩擦受流的導線。(2)支持裝置。用以懸吊和支撐接觸懸掛并將其各種受力載荷傳遞給支柱或橋隧等大型建筑物，還應通過定位構件將承力索和接觸線固定在一定范圍內，使受電弓在滑行時與接觸線有良好的接觸。根據接觸網所在位置及工作環境的不同，支持裝置的結構又可分為腕臂支持裝置、軟橫跨、硬橫跨、橋梁支持裝置及隧道支持裝置等。(3)支柱與基礎。用以安裝支持裝置、懸吊接觸懸掛并承受其載荷。另有因供電系統需要的供電線、加強線，以及因供電方式不同而設置的回流線、正饋線、保護線等附加導線均安裝在支柱的不同高度位置上，以及為了供電安全與維護檢修作業的需要而設置的保護設備、電氣設備等也安裝在支柱上。隨著電氣化鐵路特別是高速電氣化鐵路的發展，對接觸網結構和供電質雖提出了更加嚴格的要求。接觸網的懸掛方式也衍生出簡單接觸懸掛、簡單鏈形懸掛彈性鏈形懸掛、復鏈形懸掛等多種方式。由于篇幅限制，我們在此就不一一詳細介紹了。3電氣化鐵路供電方式的變遷電氣化鐵路中單相文流電的電流回路主要是由鋼軌擔任的。但鋼軌與大地之間不可能做到理想的絕緣，不僅可能帶來危險，還會嚴重影響沿途通信。為防止電氣化鐵路的電磁干擾以及減輕回流的泄漏給地下金屬管道帶來的高電位差，人們采取了各種辦法，供電方式的結構形式也在逐漸演變。(1)直接供電方式供電方式。（TR供電方式）所謂直接供電，就是牽引網不采取任何措施，回流電通過鋼軌返回牽引變電所。由于鋼軌和大地之間沒有良好的絕緣牽引回流從鋼軌泄漏到地中的回流分量較大，對鐵路沿線平行接近的架空通信線和廣播線路產生較大的電磁干擾。但這種方式結構最簡單，投資最省。我國早期修建的電氣化鐵路大都是采用這種供電方式。(2)帶回流線的直接供電方式（TN-RF供電方式）為了改善鋼軌中的回路電流流入大地所造成的危險影響和干擾影響，于是在接觸網的支柱上再架設一條與鋼軌并聯的回流線，利用回流線與鋼軌間的并聯連接線使鋼軌中的回路電流盡可能地由回流線流回到牽引變電所中，從而減少大地回流，減小對沿線通信的干擾。這種改進型的直接供電方式的供電性能和供電質量得到了改善，在我國電氣化鐵路上得到了廣泛的采用。(3)吸流變壓器供電方式（BT供電方式）BT是英文的Booster Transformer的縮寫，即“吸流變壓器”。吸流變壓器并非名符其實的變壓器，它既不升壓也不降壓，僅是一個原邊和次邊線圈匝數相等的電磁耦合器。它的作用就是通過電磁耦合使牽引電流從鋼軌吸引到回流線。由于接觸網與回流線中流過的電流大致相等、方向相反，因此對鄰近的架空通信線路和廣播線路的電磁感應絕大部分被抵消。吸流變壓器使牽引網阻抗約增大50%，能耗增加，應用就受到限制。(4)自耦變壓器供電方式（AT供電方式）AT是Auto Transformer（自耦變壓器）的英文縮寫。它是將單相自耦變壓器的原理移植到電氣化鐵路供電系統的供電方式，從自輻變壓器繞組的中點抽出一個端子直接接到鋼軌，就能把單相變壓器的輸出端分成兩個電壓相等的電源。電力機車受電的工作電壓是自耦變壓器輸入端電壓的一半，這時牽引變電所牽引變壓器的供電電壓可達到50千伏，大大提高了供電能力。電力機車從接觸網受電后，牽引電流一般由鋼軌流回，但由于自耦變壓器的作用經鋼軌流回的電流經自耦變壓器的另一段繞組和正饋線流回牽引變電所。當電力機車取用電流時，由于自禍變壓器的作用，流經接觸網和正饋線的電流僅為機車負荷電流的一半。另外，這種供電方式可在不提高牽引網絕緣水平的條件下將饋電電壓提高一倍，可成倍提高牽引網的供電能力，加上牽引網的阻抗小，電壓損失小，電能損耗低，供電距離長，牽引供電的各項技術指標十分優越，在高速、重載等負荷大的電氣化鐵路，是一種首選的供電方式，目前已得到廣泛應用。現在，我國鐵路根據實際情況，對沿線通信無特殊要求的一般區段，基本上都還采用帶回流線的直接供電方式(TR-NF)，在重載、高速、大密度的繁忙干線和電源設施薄弱的地區，則采用AT供電方式。4電力牽引的特點及優越性電氣化鐵路的供電系統是由發電廠集中提供電能，經變電站，通過高壓輸電線（110kV）傳輸給牽引變電所，轉變成電壓27.5kV或55kV送到接觸網上，供給沿線運行的電力機車。而牽引供電是指電力系統從鐵路牽引變電所開始，向牽引接觸網的供電。電力牽引是一種新型有軌運輸牽引動力形式。在干線鐵路、城市軌道交通運輸和工礦運輸中有著廣泛的作用。電力牽引是利用電能作為牽引動力，將電能轉換為機械能，驅動鐵路列車、電動車組和城市軌道交通車輛等有軌運輸工具運行的一種運輸形式。電力牽引按其牽引網供電電流制式不同，分為工頻單相交流制、低頻單相交流制和直流制。我國電氣化鐵路采用工頻單相交流制電力牽引，直流制電力牽引僅用于城市軌道交通運輸系統和工礦運輸系統。我國電力牽引供電系統的主要特點有以下幾方面：(1)電力機車是單相移動性隨機負荷，是一種負序源。(2)非線性整流器機車，成為一種諧波源，并從電力系統和牽引供電系統獲取無功。(3)供電方式及設備種類多樣化，有直接供電方式、帶回流線的直接供電方式、串聯吸流變壓器、BT供電方式、自耦變壓器AT供電方式，這些供電方式的技術和經濟特性有較大的差異。對牽引變壓器，有單相、YN，d11接線、斯科特接線、伍德橋接線、阻抗匹配平衡型、三相不等容量型等形式，它們具有不同的結構和性能特點。由于供電方式不同，接觸網結構類型也較多。(4)牽引供電系統和電力機車在電氣上是個連續的整體，易于實現自動化和信息化管理。電力牽引的優越性主要有以下幾點：(1)電力牽引的動力大，生產效率高電力牽引的能量取于強大的電力系統，牽引動力大，能最大限度適應鐵路運輸多拉快跑的需要。據有關資料統計，電力牽引的生產效率比內燃機車的生產效率高50以上，對于客貨運輸繁忙的鐵路干線，電力牽引的這種優越性尤為顯著。(2)電力牽引節省能源，經濟效益好一方面電力機車本身的電能轉換效率高；另一方面，電力的生產能夠高效率地綜合利用各種廉價的自然能源，這對于節約國家有限的煤炭、石油資源，提高鐵路運輸的經濟效益十分有利。(3)有利于優化生態環境，改善勞動條件電力機車運行時不會產生有害氣體，對鐵路沿線的居民和列車乘客不會造成危害，特別是在多隧道的山區線路，這種無有害氣體產生的優點更為可貴。電力機車的司乘人員工作條件好，維護檢修工作量小，大大降低了工人的勞動強度。5電氣化鐵路供電系統設計中存在的問題(1)牽引變壓器的選型問題鐵路部門從經濟性考慮，在牽引變壓器選型方面大多會采用V/V（V/X） 接線變壓器，會產生較嚴重的三相功率不平衡問題。而可大大減少對電力系統負序影響的阻抗平衡牽引變壓器或Scott牽引變壓器，由于造價相對較高，往往不被選用。特別是220kV 三相平衡牽引變壓器，鐵路部門認為目前尚無可靠制造和應用經驗，廣泛推廣面臨困難。(2)系統短路容量問題從保證高速鐵路牽引供電系統的電壓水平、確保動車組穩定正常運行的角度出發，要求在牽引變電站進線處外部配套電源的系統短路容量一般不小于特定數值。目前給牽引變電站供電的110kV電源，鐵路方面提出的系統短路容量大都低于1000MVA，相當多的牽引變電站短路容量在500 MVA 以下，有的甚至只有200、300 MVA，按此標準建設電氣化鐵路供電工程，將導致系統壓降很大。從供電安全可靠性考慮，要達到這個要求供電部門有一定困難。因此為保障電氣化鐵路的安全