中國(guó)干線電氣化鐵路均采用工頻單相交流制。截至2017年底，中國(guó)電氣化鐵路里程達(dá)8.7萬(wàn)km，鐵路電氣化率達(dá)到68.2%，其作用越來(lái)越大。為降低牽引負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)不平衡的影響，世界各國(guó)通常采用輪換相序、分相分區(qū)供電的方案，此時(shí)，需在分相分區(qū)處設(shè)置電分相。電分相是牽引網(wǎng)最薄弱的環(huán)節(jié)，會(huì)造成牽引網(wǎng)供電間斷，制約著電氣化鐵路高速和重載的發(fā)展，同時(shí)可能對(duì)電氣化鐵路的安全運(yùn)營(yíng)構(gòu)成威脅。

近期，國(guó)內(nèi)相繼展開(kāi)了市域鐵路及交流地鐵的建設(shè)，目前設(shè)計(jì)模式仍以借鑒干線鐵路為主，其行車(chē)密度大、站間距離短、再生制動(dòng)能量大、選址要求高等特點(diǎn)，電分相的設(shè)置成為難題，這對(duì)電氣化鐵路科研及設(shè)計(jì)人員亦提出了新的要求。

顯然，消除電分相不良影響的根本途徑是取消電分相。德國(guó)電氣化鐵路供電模式自成體系，可實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路的同相貫通供電，使電分相得以取消，但該供電制式代價(jià)太高，只有德國(guó)及其周邊少數(shù)國(guó)家采用。前蘇聯(lián)各國(guó)電氣化鐵路廣泛使用雙邊供電，該方式可省去變電所之間分區(qū)所處的電分相，但是會(huì)產(chǎn)生均衡電流和保護(hù)配合、電能計(jì)費(fèi)等問(wèn)題。鐵路功率調(diào)節(jié)器由日本學(xué)者提出，能夠有效實(shí)現(xiàn)負(fù)序等電能質(zhì)量問(wèn)題的治理，但是機(jī)車(chē)過(guò)電分相出現(xiàn)的問(wèn)題仍無(wú)法得到解決。

國(guó)內(nèi)，西南交通大學(xué)在同相供電領(lǐng)域進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的工作和大量卓有成效的研究，例如，最早提出了同相供電概念和初步技術(shù)方案；有學(xué)者論述了我國(guó)高速鐵路牽引供電發(fā)展的若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題；有學(xué)者提出新一代牽引供電系統(tǒng)并闡述了其關(guān)鍵技術(shù)，采用組合式同相供電技術(shù)治理負(fù)序，同時(shí)取消變電所出口處電分相，采用新型雙邊供電技術(shù)取消分區(qū)所處電分相；有學(xué)者則進(jìn)一步提出干線鐵路與城市軌道的統(tǒng)一牽引供電方式，為未來(lái)發(fā)展打下理論基礎(chǔ)。

現(xiàn)階段，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院、中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)的研究人員李群湛、王輝 等，在2021年第5期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，提出并研究了一種牽引變電所群貫通供電方案，著重研究了系統(tǒng)方案構(gòu)成、負(fù)序補(bǔ)償技術(shù)方案、貫通牽引網(wǎng)分段保護(hù)與狀態(tài)辨識(shí)技術(shù)及外部電源方式等關(guān)鍵技術(shù)方案，

PS：牽引變電所群貫通供電系統(tǒng)

定義電網(wǎng)同一變電站三相中的相同兩相（每相同一母線的不同分段）以樹(shù)形（輻射式）結(jié)構(gòu)給n（n≥2）個(gè)牽引變電所供電的這n個(gè)牽引變電所為1個(gè)牽引變電所群，牽引變電所群貫通供電系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1中，牽引網(wǎng)為直供方式，顯然也適用于自耦變壓器供電等其他供電方式，n個(gè)牽引變電所依次為SS1, SS2,…, SSn。群內(nèi)各牽引變電所之間實(shí)施貫通供電，構(gòu)成牽引變電所群貫通供電系統(tǒng)。

該系統(tǒng)牽引變壓器采用單相變壓器，一次側(cè)接自電力系統(tǒng)三相中相同的兩相，二次側(cè)牽引網(wǎng)實(shí)現(xiàn)貫通供電。當(dāng)公共連接點(diǎn)（Point of Common Coupling, PCC）處負(fù)序超過(guò)相關(guān)規(guī)定時(shí)，利用負(fù)序補(bǔ)償裝置進(jìn)行負(fù)序補(bǔ)償。根據(jù)負(fù)序補(bǔ)償方式的不同，將牽引變電所群貫通供電方案分為集中式補(bǔ)償和分布式補(bǔ)償兩類(lèi)。

圖1 牽引變電所群貫通供電系統(tǒng)示意

研究人員指出：

• 1）基于無(wú)功型的負(fù)序補(bǔ)償方式適用于N模式與N+1模式的集中式補(bǔ)償方案，集中式補(bǔ)償方案在一定程度上可以降低補(bǔ)償裝置的容量；
• 2）貫通牽引網(wǎng)分段保護(hù)與狀態(tài)辨識(shí)技術(shù)能夠保證電氣化鐵路的正常運(yùn)營(yíng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、隔離和排除故障，并把故障限制在最小范圍，使故障影響降到最低；
• 3）牽引變電所群貫通供電系統(tǒng)中各牽引變電所由同一電網(wǎng)變電站的分段母線供電，理論分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在構(gòu)成樹(shù)形結(jié)構(gòu)下，若各牽引變壓器的電壓比一致，則可使均衡電流為0。因此，本方案可以作為實(shí)現(xiàn)貫通供電的一種有效途徑之一。

研究人員表示，該方案能夠有效地取消變電所出口處和分區(qū)所處電分相、消除無(wú)電區(qū)，進(jìn)一步提高供電可靠性，始終保持列車(chē)牽引力和（電）制動(dòng)力，保證供電能力和運(yùn)輸能力良好發(fā)揮，同時(shí)降低建設(shè)成本，保證供電靈活和可靠性，并且能夠有效解決均衡電流和穿越功率問(wèn)題。

同時(shí)，該系統(tǒng)地提出不僅能夠攻克高原鐵路（青藏鐵路與川藏鐵路）坡道長(zhǎng)、大、多而不宜設(shè)分相（產(chǎn)生無(wú)電區(qū)）的難題，也對(duì)交流地鐵、市域鐵路、高速和重載干線鐵路等交流電氣化鐵路的建設(shè)具有重要的參考推廣價(jià)值。

本文編自《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，原文標(biāo)題為“電氣化鐵路牽引變電所群貫通供電系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)”，作者為李群湛、王輝 等。