第三节 铁路供电系统介绍
电力系统是发电、输电、变电、配电到用电的一个有机整体，其动力源可以是水能、热能等传统能源，也可以是太阳能、风能、核能等新能源，而铁路供电系统是电力系统中具有特殊负荷特性的一个子系统。电力系统示意图如图1-6所示。
图1-6 电力系统示意图
铁路供电系统分为两部分：电力供电和牵引供电。电力供电系统为调度指挥、通信信号、旅客服务等业务提供可靠的电力保障，而牵引供电系统为电气化铁路的电力机车（动车组）提供电能。
一、电力供电系统简介
铁路电力供电线路一般由沿铁路全线设置的一条一级负荷电力贯通线和一条综合电力贯通线构成。电力贯通线电压等级通常为10kV，供电距离30～50km，特殊情况下如青藏铁路采用35kV电压等级，供电距离超过100km。沿线与行车有关的通信、信号、综调系统等由一级负荷电力贯通线主供，综合电力贯通线备供。其他用电负荷及各牵引变电所所用电源由综合电力贯通线提供电源，在区间各用电点设置10kV箱式变电站。京津城际客运专线电力供电系统示意图如图1-7所示。
图1-7 京津城际客运专线电力供电系统示意图
变配电所两路相互独立的进线电源由公共电网提供，进线电压等级有10kV、35kV、110kV、220kV等。
电力负荷分为车站负荷和区间负荷两大类。车站负荷主要为通信、信号、防灾报警、自动检售票、客服、电力监控、消防系统、各类水泵、各类通风机、空调、自动扶梯、电梯、电热设备和各类生产生活照明及站区照明负荷。区间负荷主要为通信、信号中继站、光纤直放站、牵引变电所操作电源、隧道照明及监控设备等。按重要程度分为三个负荷等级，最重要的一级负荷包括：通信、信号、防灾报警、自动检售票、客服、电力监控、消防系统、应急照明、站台照明、地下出站厅照明、主控制室照明等。
二、牵引供电系统简介
牵引供电系统示意图如图1-8所示。
图1-8 牵引供电系统示意图
1—区域变电所或发电厂；2—高压输电线；3—牵引变电所；4—馈电线；5—接触网；6—钢轨；7—回流线；8—分区所；9—电力机车；10—开闭所
1.牵引变电所（图1-9）
牵引变电所的作用是将电力系统引入的110kV或220kV三相交流电变换成27.5kV的单相交流电，通过馈电线送至电路沿线的接触网，为电力机车供电。有少数牵引变电所还承担向铁路地区工农业用户的10kV动力负荷供电。牵引变压器除了采用电力系统常规的普通三相变压器外，为满足牵引负荷的特殊需求还常采用特殊接线变压器，如单相接线、V/V接线、斯科特接线、阻抗匹配平衡接线等变压器。
图1-9 牵引变电所示意图
2.分区所（图1-10）
为了增加供电的灵活性，在两个牵引变电所的供电区中间常增设分区所。断路器1QF、2QF正常工作时闭合，实现上、下行牵引网并联运行。隔离开关1QS、2QS在正常运行时断开，当相邻牵引变电所发生故障而不能继续供电时，可以闭合1QS、2QS由非故障牵引变电所实现越区供电，使行车不至中断。
图1-10 分区所示意图
3.开闭所（图1-11）
在电气化铁路枢纽地区，客运站、编组站和电力机车机务段等铁路设施较集中的地方，由于站线延续长且股道数量多，接触网结构和配置复杂，客货运交会、编组和电力机车整备作业繁忙，致使该地区牵引网发生故障的几率增多。为了保证枢纽供电的可靠性，缩小事故范围，一般将接触网横向分组及分区供电。因此设置开闭所，由相邻两牵引变电所的牵引馈线经断路器1QF、2QF向它供电。通过开闭所的多路馈线和断路器（3QF～6QF）向站场、电力机车机务段等牵引网供电，7QF、8QF为旁路断路器。
图1-11 开闭所示意图
4.AT所（图1-12）
采用AT供电方式时，在沿线间隔10km左右设置一个自耦变压器站（AT所）。
5.牵引供电的方式
（1）直接供电方式（图1-13）
直接供电方式的供电回路为：
牵引变压器→牵引母线→馈电线→接触网→电力机车→区间钢轨→回流线→牵引变压器接地端子
图1-12 AT所示意图
这种方式的特点是结构简单、造价低。主要缺点是对铁路沿线通信干扰大。早期的牵引网和边远山区的牵引网多采用这类供电方式。
图1-13 直接供电方式
（2）DN供电方式（图1-14）
在直接供电方式的基础上，增加与钢轨并联的架空回流线，即带回流线的直接供电方式。
这种供电方式的牵引电流回路为：
牵引变压器→牵引母线→馈电线→接触网→电力机车→区间钢轨和回流线→牵引变压器接地端子。
这种供电方式使原来流经大地和钢轨的部分电流经架空回流线回牵引变电所，架空回流线中的电流与接触网电流方向相反，距离近，两者产生的电磁场明显较直接供电方式小，对铁路沿线通信干扰小，这是DN供电方式的优点。
图1-14 DN供电方式
（3）BT供电方式（图1-15）
BT供电方式就是在牵引网中，每相距1.5～4km间隔，设置一台1∶1的变压器，它的一次侧绕组串接在接触导线上，二次侧绕组串接在特设的回流线或钢轨上。
图1-15 BT供电方式
1—吸流变压器；2—接触网；3—回流线；4—吸上线；5—钢轨；6—牵引变电所；7—绝缘轨缝
（4）AT供电方式（图1-16）
随着铁路的提速，高速、大功率电力机车的不断投入运行，机车通过吸流变压器处的接触网分段时，产生很大的电弧，极易烧损机车受电弓滑板和接触线，且BT供电方式的单位牵引网阻抗大，造成很大的电压和电能损失。为此引入自耦变压器供电方式，即AT供电方式。
图1-16 AT供电方式
两台自耦变压器之间的距离称为自耦变压器间距，一般为10km左右。为了减少对通信线路的电磁干扰，正馈线与接触导线架设在同一支架上。
AT供电方式的特点：
①AT供电方式中自耦变压器是并联连接在接触网和正馈线之间，与BT供电方式相比，提高了供电可靠性。在BT供电方式下，吸流变压器的一次侧绕组串接在接触导线上，所以在每一个吸流变压器处接触网必须电分段。这样就增加了接触网的维修工作量和事故率，降低了供电可靠性。在AT供电方式下，自耦变压器是并联在接触网和正馈线之间，不存在上述问题，所以有利于高速和大功率电力机车运行。
②减小了对通信线路的干扰。在自耦变压器作用下，牵引负荷电流经接触网和正馈线供给，且由于接触网和正馈线的电压为电力机车的2倍，在功率相同的情况下，经接触网和正馈线的电流为机车负荷电流的一半。接触网和正馈线是同杆合架，两个方向相反的电流对外界的电磁干扰基本抵消，所以对通信线路的干扰大大降低。
③AT供电方式的馈电电压高，供电能力大，电压下降率小。AT供电方式的馈电电压为BT供电方式的2倍。同时对于相同的牵引负荷，AT供电方式的电压下降率为BT供电方式的1/4，从理论上看，牵引变电所的间距可以增大4倍。在实际应用中，由于供电区段的加长，区段上同时运行的列车增多，负荷将增大，因此AT供电方式下的牵引变电所间距一般为BT供电方式间距的2～3倍，牵引变电所的数量可以减少，从而节省投资。
（5）全并联AT供电方式（图1-17）
随着我国高速铁路和重载铁路的快速发展，AT供电方式越发显示出较其他供电方式的优点，为进一步提高牵引网电压，减小牵引网电能损失，采用了牵引网在AT所和分区所处进行上下行并联的接线方式，称为全并联AT供电方式。我国高速铁路普遍采用全并联AT供电方式。
图1-17 全并联AT供电方式
三、牵引所主要设备介绍
1.一次设备
一次设备是指发、输、配电的主系统上所使用的设备。如发电机、变压器、断路器、隔离开关、母线、电力电缆和输电线路等。
2.二次设备
对一次设备的工作进行控制、保护、监察和测量的设备。如测量仪表、继电器、操作开关、按钮、自动控制设备、计算机、信号设备、控制电缆以及提供这些设备能源的一些供电装置（如蓄电池、硅整流器等）。
3.一次设备介绍
（1）断路器
断路器既可用于在正常情况下接通和断开电路，又可用于切除短路故障电流，因此其同时承担着控制和保护的双重任务。
①油断路器：指触头在断路器油中开断，利用断路器油作为灭弧介质的断路器。
②SF6断路器：以SF6气体作为灭弧介质，或兼作绝缘介质的断路器。
③真空断路器：指触头在真空中开断，利用真空作为绝缘介质和灭弧介质的断路器。
（2）牵引变压器
牵引变压器是将三相电力系统的电能传输给两个各自带负载的单相牵引线路。两个单相牵引线路分别给上下行机车供电。在理想的情况下，两个单相负载相同。所以，牵引变压器就是用作三相变二相的变压器。
根据变压器绕组数量及接线方式，主要有：单相变压器、平衡变压器、Yn，d11变压器、V/V变压器、V/X变压器、SCOTT变压器。
（3）隔离开关
在电路中起隔离作用。刀闸的主要特点是无灭弧能力，只能在没有负荷电流的情况下分、合电路。
（4）电压互感器
作用就是变换线路上的电压。变换电压的目的，主要是给测量仪表和继电保护装置提供弱电压，使其能够测量线路的电压、功率和电能，或者用来在线路发生故障时保护线路中的贵重设备，比如接触网和变压器等。
其工作原理与变压器相同，基本结构也是铁芯和原、副绕组。特点是容量很小且比较恒定，正常运行时接近于空载状态。
（5）电流互感器
把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途。
四、综合自动化系统在铁路供电系统中的作用
1.铁路供电系统的三种状态
正常工作状态——正常监视开关状态及测量信息。
不正常工作状态——需要发告警信号。
母线电压、线路电流、设备功率、系统频率这几项指标中部分条件不能满足，称为不正常运行状态。
故障状态——需要切除故障点。
供电系统的所有一次设备在运行过程中由于外力、绝缘老化、过电压、误操作、设计制造缺陷等原因会发生例如短路、断线等故障。最常见同时也是最危险的故障是发生各种类型的短路。
2.继电保护装置
定义：能反应供电系统中电气设备发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。
（1）功能：
①自动、迅速、有选择性地将故障元件从供电系统中切除，使故障元件免于继续遭到损坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。
②反应电力设备的不正常运行状态，并根据运行维护条件，而动作于发出信号或跳闸。此时一般不要求迅速动作，而是根据对供电系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免暂短的运行波动造成不必要的动作和干扰引起的误动。
（2）继电保护装置的基本原理（图1-18）：
第一步：首先必须“区分”供电系统的正常、不正常工作和故障三种运行状态。
不同运行状态下具有明显差异的电气量有：流过电力元件的相电流、序电流、功率及其方向；元件的运行相电压幅值、序电压幅值；元件的电压与电流的比值即“测量阻抗”等。
第二步：通过比较，保护装置按一定的逻辑关系判定故障的类型和范围，最后确定是否应该使断路器跳闸、发出信号或不动作，并将对应的指令传给执行输出部分。
第三步：执行输出元件根据逻辑判断部分传来的指令，发出跳开断路器的跳闸脉冲及相应的动作信息、发出警报或不动作。
图1-18 过电流保护工作原理图
电流互感器TA将一次电流变换为二次电流5A或1A，送入电流继电器KA（测量比较元件），当流过电流继电器的电流大于其预定的动作值（整定值，可调整）时其输出启动时间继电器KT（逻辑部分），经预定（可调整）的延时（逻辑运算）后，时间继电器的输出启动中间继电器KM（执行输出）并使其接点闭合，接通断路器的跳闸回路，同时使信号继电器KS发出动作信号。
3.综合自动化系统
变电所自动化系统是将变电所的二次设备（包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等）经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全所设备的自动监视、自动测量、自动控制和保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。牵引供电变电所综合自动化系统结构图如图1-19所示。
图1-19 牵引供电变电所综合自动化系统结构图
综合自动化系统的主要功能：
①监控子系统
监控系统取代常规的测量系统，取代指针式仪表；改变常规的操作机构和模拟盘，取代常规的报警、中央信号、光字牌以及RTU装置等。
②继电保护子系统
继电保护子系统应满足快速性、选择性、灵敏性和可靠性的要求，其工作不受监控子系统和其他子系统的影响。
③通信子系统
通信子系统包括系统内部现场级的通信和系统与上级调度的通信两部分。