沈曼盛，周方圆
摘 要：牵引供电系统是电气化铁路的能源动脉，本文从牵引供电制式、过分相、电能质量及同相供电等方面对国内外电气化铁路牵引供电技术现状进行总结，并结合新能源利用等分析了铁路牵引供电技术的发展趋势。
关键词：牵引供电；过分相；电能质量；同相供电；新能源
电气化铁路运能大、速度快，具有明显的经济效益，是未来铁路发展的方向[1]，但作为其重要组成部分的牵引供电系统仍存在诸多问题，如过分相问题，负序、谐波、电压波动等电能质量问题[2]，制约着电气化铁路的安全运行及高效发展。
水稻后期冠层结构绿色叶面积的主要构成部分为上部3叶(倒1叶、倒2叶、倒3叶)[11]。叶长和叶宽直接决定水稻叶面积的大小，进而影响叶片的光合面积，因此对光合作用有着重要影响。分蘖期淹水处理水稻叶长、叶宽和叶面积见表2和表3。
（1）《中华人民共和国企业所得税法实施条例》[6]中明确规定对企业从事农、林、牧、渔业项目的所得，可以免征、减征企业所得税。
目前，针对以上问题采取了相应的解决措施，如对过分相问题采取车载过分相、地面过分相等方式，针对电能质量问题采取SVC、RPC等治理方式。但上述解决措施通常存在一定局限性，而同相供电可以综合治理过分相问题和电能质量问题。同相供电在国外及国内已经得到工程应用，适合我国国情的同相供电技术仍处于改进和完善中[1～3]。
本文在对各国牵引供电系统技术现状进行总结的基础上，结合节能减排大环境下绿色新能源利用背景，分析铁路牵引供电的发展趋势。
电气化铁路采用单相交流牵引供电，但是各国的牵引供电制式有所不同。德国等中、北欧国家因历史原因采用16.7 Hz单相交流供电[3，4]制式，法国、英国等国家电网电压等级高、短路容量大，采用单相变压器为铁路供电[4]，而日本受某些地区薄弱电网影响采用Scott平衡变压器为铁路供电[5]。我国电气化铁路采用单相工频交流牵引供电方式[6]，受地区电网特点影响，变压器接线形式多样。表1为各国铁路主要牵引供电制式汇总。
表1 各国铁路主要牵引供电制式汇总
国家系统电压等级供电方式变压器接线方式 中国110 kV、220 kV，西北电网330 kV单相交流25 kV，50 Hz，直供、带回流线直供、AT供电。单相、Ynd11、V/v、V/x接线、阻抗匹配变压器 德国110 kV（单独发电厂）、400 kV公用电网低频单相交流15 kV，16.7 Hz，直供，少部分采用AT供电。单相接线 法国大部分225 kV、400 kV交流25 kV，50 Hz，大部分采用AT供电，少部分采用直供。单相接线 日本154 kV、220 kV、275 kV交流20 / 25 kV，50 / 60 Hz，AT供电。Scott接线或改进Woodbridge接线
为使电力系统三相负荷尽量平衡，电气化铁路采用分段换相供电[7]，中间需设置绝缘无电区，由此产生电分相。机车过分相过程存在短时断电，给列车带来速度损失和安全隐患，该过程中开关的开/闭产生过压、过流，严重时可能烧毁车载设备[8]。针对电分相问题各国采用了不同的过分相方式，如表2所示。
表2 过分相方式
过分相方式代表国家 车载过分相手动过分相中国 自动过分相法国、英国德国、中国 柱上开关过分相——瑞士 地面自动过分相机械开关型日本、中国 电子开关型日本、韩国西班牙、中国 柔性过分相日本（研究阶段）中国（实验阶段）
欧洲国家大多采用单相变压器为铁路供电，省去变电所出口处过分相，铁路牵引供电系统一般接入高电压等级三相电网，短路容量较大，供电距离长，过分相数量进一步减少。欧洲铁路针对过分相问题采用车载自动过分相方式（图1），英国和德国铁路也采用该过分相方式[8]。
图1 车载自动过分相
我国高铁普遍采用车载自动过分相，列车检测地面传感器信号自动断合车载主断路器，惰行通过中性区。该方式适应多速度要求，但需要开/闭车载主断路器，对车载设备存在暂态冲击，需设置相关保护。我国老式列车还存在手动过分相，司机需要根据轨旁的“断”、“合”标志手动操作，每隔25 km左右就需要操作一次，增加司机疲劳感，过分相断电时间较长，列车速度损失严重。
起初挺好，他严肃庄重地端着步履和身段，让这个叫魂的仪式颇具庄重感。可是在梨园里转了一圈再跟着他往回走，我就没了兴致，回答也变得有气无力。
柱上开关自动过分相方式以瑞士为代表，我国原福州铁路分局20世纪90年代曾采购过2套柱上开关自动过分相装置[8]（图2）。该装置将真空开关和线包控制系统安装在接触网分相绝缘器附近的支柱平台上，通过磁控线包控制真空开关分、合闸操作，缩短电力机车过分相的距离和断电时间，司机可以不操纵机车使其惰性运行驶过分相绝缘器。
该装置在我国实际应用时需要对机车的控制系统进行相应改造[8]，且分相区结构复杂，换相过程过压、过流严重，给车载设备带来损害。
图2 柱上开关自动过分相
2.3.1 机械开关型
地面自动过分相方式以日本为代表，日本早期多采用真空断路器地面自动过分相（图3）。该装置由位置传感器、真空断路器及逻辑控制器构成。其问题在于过分相过程中断电时间较长（约300 ms），真空断路器控制不够精确，无法控制合闸相位，开关开/闭过程中的过压、过流较严重[9]，且真空断路器寿命较短，后期维护繁琐，维护成本较高。
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图3 机械开关型过分相（日本）
我国西安铁路科学研究院20世纪90年代研制了带有智能选相功能的真空断路器过分相（图4）。该装置包括永磁操作机构和智能相控关合，可实现在主断路器工作情况下转换时间小于（0.13±0.02）s，备用断路器工作情况下转换时间小于（0.4±0.05）s；系统额定电流可达到1 250 A或 1 600 A，短时可承受大于16 kA电流冲击，断路器寿命大于3万次开合。该装置后期维护成本较高，已在神朔、宝成等长大坡道、重载铁路广泛应用。
图4 真空断路器型过分相（西铁科）
2.3.2 电子开关型
机械开关型过分相在控制和寿命上均存在固有缺点，日本逐渐采用电子开关型过分相代替[10]。电子开关过分相主要采用晶闸管阀组和阻尼电路代替真空断路器，晶闸管可控性强，响应快，可靠性高，使用寿命长，维护费用低，系统断电时间和换相时间都大大缩短，其电路原理如图5所示。电子开关型过分相可精确控制开/闭角，对缓解电压暂态冲击很有帮助。西班牙也采用了和日本相似的电子开关过分相方案，装置采用模块化设计，方便后期更换和维护[11]。
图5 电子开关型过分相
国内一些高校和科研院所从2002年开始，对电子开关过分相展开理论和工程应用研究。2018年6月，由中车株洲电力机车研究所研制的电子开关型地面自动过分相装置（或称：重载铁路智能电分相装置）在神朔铁路成功投用，取得重载铁路领域的全球首创。该装置最大电流可达2 000 A，换相时间小于1.5 ms，可实现列车无感知自动过分相。
通过对比可以看出：经过移植的苗木，高生长量减少，而直径生长量增加，根量也增加，侧、须根较发达、而主根较短。留床苗因为营养面积小，光照不足，通风不良，地上部分枝叶少，苗干虽高但细弱，侧、须根不发达，地下根量小，而主根过长。
2.3.3 柔性过分相技术
尽管电子开关相比于机械开关过分相性能有了很大改进，其对开/闭相位的控制、抑制暂态冲击等很有帮助，但是列车仍有短暂的断电时间，无法实现完全不断电过分相。日本铁路研究机构提出基于过分相供电系统（Changeover Section Power System，CSPS）的地面自动过分相装置[10]（柔性过分相）（图6）。
图6 柔性过分相（日本）
该装置主要包括3种控制：电压调幅和移相控制、负载传输控制和输出限制控制。列车在过分相过程中，CSPS装置通过3种控制实现列车平滑不断电通过电分相[9]。
国内学者也对柔性过分相进行了研究并提出相关方案[12，13]，目前我国自主研制的柔性过分相（图7）装置已进入试验阶段，该装置同样通过调幅移相使列车不断电平滑通过电分相。柔性过分相均需要配套安装隔离变压器和大容量的电力电子装置，成本相对较高。
图7 柔性过分相（中国）
制约电气化铁路发展的因素除电分相问题外，还有电能质量问题。电能质量不仅影响电气化铁路本身的安全、高效运营，同时也是电力部门和铁路部门关注的焦点，如铁路部门因为供电系统功率因数问题经常接受电力部门的罚款，增加了电气化铁路的运营成本。
各国电气化铁路受牵引供电制式、系统侧短路容量影响，突出的电能质量问题也不尽相同，各国均对电能质量问题采取了针对性治理措施，表3为常用电能质量治理措施及其特点。
换相连接是将不同牵引变电所的变压器轮换接到电力系统侧的不同相，一般3个变电所即可实现一次循环，平衡系统负荷，降低系统侧的负序电流。虽然该方案不需增加额外成本，但使得变电所接线复杂化。
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平衡变压器也可用于不平衡补偿，但也存在局限性，只有在高密度行车情况下两供电臂负荷基本平衡时才能发挥平衡变压器的效果，降低电力系统侧的负序电流。
除了五色糯米饭，壮族人还用鸡矢藤、红丝线等做成不同颜色的糍粑；用糯稻或芝麻杆灰染糯米制作黑色粽子；用蓼蓝、木蓝、板蓝染布制成黑衣壮服饰；用金合欢、薯莨来染家具、饰品，所用染料植物如表2所示。
表3 常见电能质量治理措施及特点
补偿措施谐波补偿不平衡补偿无功补偿总成本特点 优点缺点 换相连接——Ö————不增加额外成本安装复杂 平衡变压器——Ö——Ö有效减少三相负序电流分量仅在高密度行车情况下有效 SVC——ÖÖÖÖÖ动态无功分量补偿存在谐振频率问题 STATCOMÖÖÖÖÖÖÖ动态无功\负序分量补偿控制复杂，成本高。 RPCÖÖÖÖÖÖÖÖÖÖÖÖ平衡供电、高性能，补偿效果好。成本较高 同相供电ÖÖÖÖÖÖÖÖÖÖÖÖÖ取消变电所出口过分相成本高，安装复杂。
注：√表示装置的补偿效果和成本大小。
各国铁路基于牵引供电制式和地区电网特点，采取侧重点不同的电能质量治理方式，本章主要介绍SVC、RPC、STATCOM 3种常用治理方式。
自2015年加钾公司与广东天禾开展合作以来，双方取得令人鼓舞的成果。为了进一步加强战略合作，双方将2018年定义为“天禾加钾年”，今后将在业务规模、服务推广等各个方面不断加强合作和投入，天禾加钾平衡施肥项目作为其中的一个公益性活动，双方将坚持不懈地在不同地区、不同作物逐年开展。
欧洲铁路采用单相变压器供电，一般系统侧连接大容量电网以缓解铁路电能质量问题对电力系统的影响[4]。单相变压器的负序问题比较严重，欧洲国家通常采用基于Steinmets法[14]的SVC方案进行补偿，如图8所示。
图8 SVC补偿方案（欧洲）
1987年，澳大利亚昆士兰铁路的三相132 kV电网侧安装了9套SVC装置用于治理负序问题和动态负载平衡，总安装容量达到600 Mvar，是世界上铁路SVC安装容量最大的一项工程。
SVC在我国铁路应用广泛，主要安装于牵引变电所和供电臂末端，补偿线路无功损失，提高功率因数。随着交直交机车逐渐取代交直机车，功率因数提高，SVC在铁路的应用逐渐减少，但部分使用交直机车的西部地区铁路和无功补偿改造项目仍采用该方案。
当补偿接入点的电压发生变化时，SVC的补偿效果并不理想，而STATCOM装置可弥补该不足，其响应时间仅20 ms，速度更快。日本将STATCOM安装于三相电网侧以消除负序分量，使用GTO作为功率器件。日本铁路从1993年以来，在东海道新干线安装了5套34 / 60 MV·A的STATCOM用于无功和负序补偿、低次谐波治理、抑制电压波动[15]，如图9所示。
图9 三相电网侧的STATCOM
STATCOM占用空间小，受端电压影响小，但是成本较SVC高出许多，控制方式也比SVC复杂，目前在我国铁路上应用较少。未来随着功率器件成本下降，STATCOM在铁路无功和负序补偿方面将有广阔应用前景[16]。
2)最大应力状态下，芯棒最大应力值为197.8 MPa，小于芯棒破坏载荷；铝股塑性区范围最大为11.5%，小于导线过张力机后塑性区比例。
平衡变压器在日本使用最广泛，日本铁路普遍使用Scott平衡变压器，这与日本铁路行车密度高有一定关系。为了发挥Scott平衡变压器效果，日本在Scott变压器两臂之间安装铁路功率调节器RPC（Railway Power Conditioner）（图10），补偿两供电臂的全部无功，以及在两供电臂之间传输有功，实现两供电臂有功平衡[17]。日本铁路先后有2套20 MV·A RPC（东北新干线）和6套20 / 60 MV·A RPC（东海道新干线）投运，投运后电力系统侧负序指标得到明显改善[10，17，18]。
图10 RPC结构图（日本）
由中车株洲电力机车研究所研制的国内首套RPC装置于2015年在常德石门牵引变电所成功投运。该变电所未安装RPC之前存在功率因数低、谐波含量高、三相不平衡严重、单臂供电供电能力不足等问题，安装RPC装置后，变电所月功率因数由0.76提升至0.95，系统侧三相不平衡度由2.4%降至0.3%，电压波动明显缓解，谐波电压畸变率小于3%，变压器利用率提高了25%。
使用RPC不仅可以进行无功、谐波补偿，实现供电臂功率平衡，使三相不平衡度大大降低，而且可提高牵引变压器的容量利用率，提升牵引供电能力，是电网薄弱、电压跌落、供电品质较低的牵引系统首选方案，但仍未解决过分相问题。
上文提到的过分相方式和电能质量治理方式仅解决单项问题，而同相供电则可综合治理过分相问题和电能质量问题[19，20]。
欧洲最早开展贯通式同相供电技术研究和应用，早期采用旋转变频机组，目前普遍采用大功率频率变换器SFC（Static Frequency Converter）。欧洲采用的SFC主要有2种结构：一种是NPC级联交直交拓扑（图11 a），采用三电平模块级联，模块并联以提高冗余度（现有工程达到413 MW），换流器效率达95%，且实现牵引网和三相电网完全解耦；另一种是MMC直接变换型拓扑（图11 b），该方案电网侧输入功率因数连续可调且无需设置滤波器，能流方向在半个周波内可改变，输出直接与接触网相连，可省去输出变压器。
图11 SFC的2种结构
2014年，澳大利亚昆士兰铁路投入使用2套15 MV·A交直交型静止变流器（SFC），是世界上首个50 Hz / 50 Hz铁路基于SFC的同相供电工程，实现三相电网与单相接触网完全解耦，两者几乎互不影响。
日本的东海道新干线采用60 Hz单相供电，某些地区公用电网薄弱（只有77 kV / 60 Hz），无法满足铁路运能增加的要求。该地区高电压等级电网仅为50 Hz，日本铁路采用EFC（Electronic Frequency Converter）将50 Hz三相电变换为60 Hz单相电。2003年以来，先后有3套60 MV·A EFC安装运行，EFC具有实现同相供电的能力[21，22]。
夏国忠几步跨上战壕，举起望远镜，向山下望去。他看见，山脚下的鬼子正在集合。不过，看样子，他们不像在组织进攻，而是在准备逃跑。他赶紧让电话兵接通营部电话，向营长报告：“鬼子好像要撤退，怎么办？”营长在电话里兴奋地说：“我也刚接到电话，上峰说鬼子在宜昌的飞机场被炸了。同时，各路向我进攻的小鬼子都受到了顽强抵抗，小鬼子的进攻失败了，我们胜利了。夏国忠，你们打得好，守住了阵地。我要给你们请功！”
国外同相供电发展起步较早，投入运行的工程安装容量较大。德国、澳大利亚和日本的同相供电工程实际运行效果表明，同相供电不仅解决过分相问题及电能质量问题，还实现牵引网和三相电网解耦，对保证电力系统的安全运行意义重大，其贯通式同相供电技术值得我国同行借鉴和学习。
国内相关学者和研究单位一直致力于同相供电技术研究[1，2，19，20，23，24，25]，国内首套由西南交通大学牵头，株洲电力机车研究所等单位共同参与的同相供电装置于2010年在眉山牵引变电所投入运行。其结构如图12所示，核心装置为潮流控制器。
该套系统的主要功能包括：取消变电所出口电分相，兼顾谐波和无功补偿，同时补偿负序，降低原边三相不平衡度。眉山同相供电装置经过现场验证，运行稳定，安全可靠。
图12 眉山同相供电装置结构
眉山同相供电装置获得成功试验后，2014年，世界首套“单三相组合式同相供电装置”在山西中南重载铁路投运，标志着我国同相供电技术及装备开始进入工程化应用。单三相组合式同相供电结构及单单组合式同相供电结构如图13、图14所示。
组合式同相供电采用负序补偿，实现补偿容量最小化，变压器容量利用率最大化，并且变流器的冗余备用可在线切换，提高了同相供电系统的供电可靠性。
图13 单三相组合式同相供电结构
图14 单单组合式同相供电结构
我国的同相供电以牵引变压器为主，电力电子补偿装置为辅，降低了电力电子装置安装容量，具有成本优势，且变流器故障情况下可切换至牵引变压器供电，虽然电能质量下降，但是可短时恢复列车供电，不影响列车运行[23]。
随着电力电子技术的不断进步，制约电气化铁路发展的电分相问题和电能质量问题将得到很好的解决。
魔芋是我国南方的一种特种经济作物，主要分布在湖北、四川和云南等省区，是自然界中唯一一种可以提供大量葡甘聚糖的经济产物。魔芋具有产量高、用途广等优点，在多个领域具有广泛的应用价值，尤其在医用功效上，具有降血糖、降脂的功能，使其成为独特的减肥保健食品，很符合当前“减肥”趋势下人们对于食物的需求。
我国乃至世界新能源发展迅速，铁路作为电能的消耗大户也应顺应这一潮流，提高新能源在铁路供电中的占比，不仅包括动力用电，还应包括牵引供电。德国等欧洲国家相继提出提高铁路新能源用电占比，德国甚至提出至2050年，德国列车将完全采用新能源供电，实现电气化铁路零碳排放。
电气化铁路再生制动能量利用率低，降低电气化铁路碳排放需将再生制动能量利用和新能源结合。再生制动能量通过储能系统对牵引供电削峰填谷，将列车制动能量存储用于列车加速工况下使用，降低牵引供电系统安装容量。
在北京市仁爱教育研究所诉重庆出版社有限责任公司侵犯著作权纠纷案㉖ 重庆市渝中区人民法院（2013）渝中知民初字第108号民事判决书。中，法院就认为，被告利用原告教科书而出版在目录和内容上均与教科书一一对应的教辅书行为，应视为对该教科书在著作权意义上的使用，侵犯了权利人“应当由著作权人享有的其他权利”。因为依据他人编著的教科书出版同步教辅书的行为，虽不同于复制行为，但仍然是作品的使用行为，是教科书著作权人所享有的一项重要的财产权益。虽然立法者未对其进行界定，但应通过兜底条款的适用来保护这一在立法上并未否定的利益。
由于牵引负荷冲击大，给新能源接入稳定性带来困难，储能系统可以分担牵引负荷给新能源带来的冲击。目前新能源用于牵引供电的技术还不成熟，未来随着虚拟同步技术[24]取得重大突破，新能源并网稳定性将大大提高，实现图15所示的“绿色”牵引供电系统将成为可能。
图15 “绿色”牵引供电系统
本文总结了国内外牵引供电系统的主要制式，分析了国内外解决电气化铁路电能质量和过分相问题的主要措施，其中RPC和电子开关型地面过分相装置已在国内得到应用。同时，国内外非常重视同相供电技术在牵引供电中的应用，已投入运行的工程实践证实了其优越性，我国同相供电也在不断优化和完善。
多波长HPLC法同时测定黔产泽漆中3个有效成分的含量…………………………………………………… 周 孟等（21）：2958
随着制约电气化铁路发展的电分相问题和电能质量问题逐步得到有效解决，新能源并网技术取得重大突破，在节能减排大环境下，“绿色”牵引供电系统将成为未来电气化铁路牵引供电发展的新趋势。
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Abstract: The traction power supply system is the energy artery of electrified railway, the paper illustrates the current status of traction power supply technologies of electrified railways at home and abroad in terms of traction power supply modes, phase breaking, energy quality and co-phase power supply, and analyzes the developing trend of railway traction power supply technologies with connection to the new energy utilization.
Key words: Traction power supply; phase breaking; energy quality; co-phase power supply; new energy
DOI：10.19587/j.cnki.1007-936x.2019.01.001
中图分类号：U223.5
文献标识码：A
文章编号：1007-936X(2019)01-0001-07
收稿日期：2018-09-10
作者简介：沈曼盛.中铁武汉电气化局集团有限公司，教授级高级工程师；
周方圆.株洲中车时代电气股份有限公司，高级工程师。
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