0 引言

牵引供电系统是电气化铁路的重要组成部分。牵引供电系统能否稳定、高效工作关系到铁路的安全、可靠运行。正常工作情况下，牵引供电系统应该能够保证向牵引负荷安全、不间断地供电；使牵引网电压保持在允许的电压水平之间；在保证以上基本条件的情况下，尽可能提高功率因数，减少单相负荷对三相电力系统带来的谐波和负序污染，减少电能损失 [1]。

在现有的牵引供电方式下，不管牵引变压器采用何种接线形式，由于电力机车为单相负荷，都将会产生负序电流。负序电流的大小和单相负荷的运行状况、变压器的接线方式等有关。电气化铁路目前主要采取以下几种措施抑制负序[1,3,4]：

（1）采用短路容量大、电压等级高的外部电源。

（2）采用具有抑制负序能力牵引变压器，例如Scott接线变压器和阻抗匹配平衡变压器能在一定程度上减小原边的三相不平衡度。

（3）使用补偿装置，如SVC、SVG等。

（4）相邻牵引变电所或者整条线路采用换相联接。

而同相供电系统的提出较好地解决了现有牵引供电系统存在的问题，通过在牵引变电所增加同相供电装置可同时解决牵引变电所处电分相和以负序为主的电能质量问题，顺应了电气化铁路的发展趋势。

朔黄铁路是我国“西煤东运”第二大通道的重要组成部分，近两年，随着朔黄铁路运量不断增加，牵引供电系统电分相问题对列车运行的影响日趋明显，研讨朔黄铁路采用同相供电技术对提高牵引供电系统整体技术水平和经济效益具有重大意义。

1 同相供电系统

1.1结构

同相供电系统是在现有牵引供电系统基础上在牵引变电所中增加了一套同相供电装置，将牵引变电所次边两相中的一相合并到另外一相上，实现单相供电，牵引变电所出口处的电分相装置可以取消。

图1同相供电系统结构示意图

图1中，SS1和SS2为同相牵引变电所，SP为分段断路器，T为接触网，R为钢轨。

1.2基本原理

本节以平衡接线牵引变压器为例介绍同相供电方案。平衡接线牵引变压器具有下述特点：当平衡牵引变压器次边电流大小和功率因数角相等时，原边三相电流平衡；无功电流为0时，功率因数为1，因此平衡接线牵引变压器具有抑制负序能力。以Scott牵引变压器为例的同相供电系统原理如图2所示。

图2 基于Scott变压器的同相供电系统示意图

补偿原理为负载电流由有功电流和无功电流两部分组成，同相供电装置将负载有功电流的一半由β相传递到α相，同时α相侧补偿无功,从而实现变压器次边两相电流相等，功率因数为1。

同相供电系统不仅可以采用平衡接线牵引变压器，也可采用Vv（Vx）等接线牵引变压器，采用不同接线牵引变压器实现相同指标同相供电时同相供电装置容量略有差异。采用平衡接线牵引变压器可使同相供电装置容量达到最小。

2 朔黄铁路黄大线同相供电方案

2.1黄大线概况

朔黄铁路黄大线北起朔（州）黄（骅港）电气化铁路的黄骅南车站向南延伸纵跨河北、山东两省，经沧州、滨州、东营、潍坊4市10个区县（市），南接益羊铁路大家洼车站。其中河北省境内，新建线路全长38.04km，新建重车下行疏解线长度12.76km；山东省境内，新建线路全长172.92km。采用电力牵引，机车类型为近期SS4，远期为HXD系列。牵引质量：近期黄骅南至贾象10000t，远期黄骅南至贾象20000t；贾象至东营西：近期5500t，远期10000t；东营西至大家洼：近、远期5500、5000、4000t。

2.2同相供电方案

黄大线同相供电方案全线新增四个牵引变电所，直供+回流供电方式,采用平衡牵引变压器接线方式。供电方案示意图如图3所示。

图3 黄大线同相供电方案示意图

2.2供电方案

2.2.1牵引变压器容量

根据近期运量计算牵引变压器容量，其中紧密运行时牵引变压器按过负荷能力1.5倍考虑，短时最大负荷时牵引变压器按过负荷能力2倍考虑。既有供电模式采用Vv接线变压器，同相供电模式采用平衡接线牵引变压器，对比同相供电方案与既有两相异相供电方式的差异性,表1给出了具体的统计结果。

    表1 牵引变压器容量计算结果     （单位：MVA）

上述统计结果表明：与既有两相异相供电模式相比,采用同相供电技术方案可以大大减少牵引变压器安装容量，体现了显著的技术优势。

2.2.2供电臂末端网压

根据远期运量计算各供电臂末端网压，比较既有两相异相供电模式和同相供电模式两种方案的差异性,表2给出了具体的统计结果。

   表2供电臂末端网压计算结果     （单位：kV）

上述统计结果表明：采用同相供电技术后，显著提高了供电臂末端网压，保证了机车牵引功率的发挥。

3 技术经济指标分析

本节通过对异相4所方案和同相4所方案进行对比分析，综合比较二者的技术经济性。

3.1一次性投资分析

4所异相方案和4所同相方案在接触网、电力等方面基本相同，为方便对比，本节仅分析两种方案具有差异性的方面。

3.1.1 同相供电装置费用

同相供电装置基于电力电子技术，其费用一般为1.5元/VA。结合供电计算可知，4所同相方案近期需配置同相供电装置18MVA,远期需配置同相供电装置28MVA，远近期分别需要同相供电装置费用为2700万元和4200万元。

表3牵引变压器容量与同相供电装置容量和投资

3.1.2 电能质量补偿装置费用

电力系统对电气化铁路的电能质量治理要求日益强烈，对电能质量的考核包括无功、谐波和负序等指标。目前广泛采用的固定电容补偿和SVC动态补偿主要对无功和谐波进行治理。根据供电计算可知，黄大线采用固定电容补偿装置时每个所平均需装配2400kvar，4所共需要投资120万元。黄大线若采用SVC动态补偿装置，每套SVC按150万元计算，共需投资600万元。

3.1.3 自动过分相费用

重载电气化铁路推荐采用自动过分相方式，以地面自动过分相装置为例,需要设置8台断路器和约1km的中性区。考虑到过分相设备的工作备用,每处地面自动过分相装置的投资超过600万元。与既有供电模式相比,采用同相供电,可以节省4个电分相环节。此外，每处分相装置需要定期更换断路器及其附属部件，按照100万元/年考虑，则具体节省的费用见下表。

    表4采用同相供电技术节省的地面自动过分相费用（单位：万元）

3.1.4小结

考虑到黄大线未采用地面自动过分相系统和SVC动态电能质量补偿装置，剔除该两项费用后，可综合得出黄大线一次性投资比较如表所示，则同相供电和异相供电相比，一次性投资增加2580和4080万元。

表5一次性投资比较

3.2 运行费用分析

3.2.1同相供电的基本电费

同相供电系统由于具有平衡负荷的作用，提高了牵引变压器的容量利用率，在保障相同供电能力的条件下，采用同相供电技术的电气化铁路可减少牵引变电所安装容量，进而节省变电所的基本电费。

黄大线的异相方案和同相供电方案的供电计算表明，同相供电系统可节省变压器总安装容量21.8MVA,按照每月25元/月的基本电费计算，本线近期每年可节省基本电费654万元，远期每年可节省900万元。

表6采用同相供电技术节省的变压器每年基本容量电费支出 （单位：万元/年）

3.2.2同相供电的损耗

同相供电系统一方面由于同相供电装置自身具有一定的能量损耗，另一方面同相供电可减少系统的损耗。

同相供电装置的损耗主要来自电力电子器件的开关损耗，隔离变压器损耗。同相供电系统具有平衡负荷的作用，可减少牵引变压器主变损耗，系统进线损耗；同相供电具有无功补偿功能，减少了无功穿越变压器，进而减少变压器损耗；无功补偿使电压保持稳定，有利于减小接触网的损耗。

    同相供电装置具有无功补偿功能，减少了无功穿越变压器，进而减少变压器损耗；无功补偿使电压保持稳定，有利于减小接触网的损耗。由于固定电容补偿具有相似的作用，由同相供电装置节省的能量较小。

考虑到无功补偿和电压稳定对能量节省的作用，以及由于取消固定电容补偿装置，避免了固定电容补偿器本身的损耗。按照牵引供电系统总损耗5%计算，则可使系统损耗减少至3%-4%，同相供电装置本身具有约3%-4%的损耗。因此综合比较而言，同相供电的损耗与异相供电的损耗基本相当。

3.2.3无功罚款与奖励

电力部门要求用户侧功率因数不小于0.9。功率因数达不到要增收电费，功率因数超过0.9将以减收电费作为奖励。统一写成增收电费的形式，则增收电费百分数为

既有供电模式中采用固定补偿装置,在反送正计方式下,功率因数一般为0.8左右,而采用同相供电模式,系统功率因数可以达到0.95以上。考虑电量电费为0.6元/度,则采用同相供电方案后可以避免大量的无功功率罚款,节省了大量电费支出,计算结果如下。

表7 同相供电模式下可以节省的电费支出

3.2.4 小结

同相供电与异相供电系统相比，可节省基本电费和无功罚款，同相供电每年可节省的运行费用如表所示。

表8同相供电年运行费用节省 （单位：万元/年）

3.3 同相供电的综合经济技术综合比较

表4同相供电投资回收年

综上所述可以看出，同相供电系统在经济效益和社会效益方面均具有较明显的优势，主要技术经济优势有：

1）对于既有变电所而言，经过同相改造后，牵引变压器利用率显著提高，使提高了既有变电所的供电能力。

2）对于新建线路而言，由于提高了牵引变压器利用率，采用同相供电，可减小牵引变电所的安装容量1-2个容量等级，显著减少了基本电费。

3）采用同相供电技术的牵引变电所减少了电压波动，可提高供电距离，减少牵引变电所数量。

4）可节省自动过分相系统、电能质量综合补偿装置等一次性投资和维护费用；

5）在近期采用交直型列车时，在反送不计和反送正计方式下，同相供电装置均可达到功率因数0.95以上。在远期采用HXD系列的交直交车后，用于补偿无功的装置容量可用以平衡负荷，补偿负序，提高变电所的供电能力。

6）采用同相供电技术减少了牵引变压器安装容量、牵引变电所数量、电源进线、无功罚款等，使同相供电系统具有较好的经济效益。

4 结论

本文在介绍同相供电技术基本原理基础上，针对朔黄铁路黄大线运输需求，对牵引供电系统采用同相供电技术进行了研究，给出了同相供电系统初步设计方案，并与既有两相异相供电方式进行了技术经济对比分析。结果表明同相供电系统优势明显，更能适应朔黄铁路作为重载铁路的运输需求，对朔黄铁路发展具有重大意义。

参考文献

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[2] 李群湛．电气化铁道并联综合补偿及其应用[M]．北京：中国铁道出版社，1993．

[3] 李群湛．牵引变电所供电分析及综合补偿技术[M]．北京：中国铁道出版社，2006．

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[5] 李群湛，张进思，贺威俊．适于重载电力牵引的新型供电系统的研究[J]．铁道学报，1988，10(4)：23-31．

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