电气化铁路双边供电系统供电能力提升策略研究

引言

电气化铁路供电系统是铁路运行的核心组成部分，直接关系到铁路的安全、稳定运行以及运输效率。双边供电作为一种先进的供电方式，具有降低牵引网电压损失、取消电分相提高列车运行平稳性等优势，能更好地满足高速、重载列车的供电需求。然而，双边供电系统在实际应用中仍面临一些问题，限制了其供电能力的充分发挥。因此，研究电气化铁路双边供电系统供电能力提升策略具有重要的现实意义。

1 电气化铁路双边供电系统概述

双边供电是指两个相邻牵引变电所之间通过分区亭的开关设备将接触网连通，使电力机车可以同时从两个牵引变电所获得电能。这种供电方式下，牵引负荷电流由两个牵引变电所共同承担，电流分布规律与单边供电有所不同。双边供电系统可有效降低牵引网中的电压损失和电能损耗，提高牵引网的电压水平，为电力机车提供更稳定的电源。同时，它能够取消牵引网供电臂末端的电分相，消除电分相对列车运行的影响，提高列车运行的平稳性和效率。此外，当一个牵引变电所出现故障时，电力机车仍可从另一个牵引变电所获得电能，实现越区供电，保障铁路的正常运行，供电可靠性较高。

2 影响电气化铁路双边供电系统供电能力的因素分析

2.1 电压损失

双边供电后，牵引负荷电流分布规律发生显著变化。由于电力机车可从两个牵引变电所取电，且不同运行工况下电力机车的功率需求不同，导致牵引网中电流分布复杂多变。在重载、高速列车运行时，负荷电流较大，若电流分布不合理，易使部分牵引变电所和供电线路过载，影响供电系统的安全稳定运行。同时，复杂的电流分布还增加了对供电系统保护装置的设计与整定难度，传统的保护策略难以适应双边供电下的电流变化，可能导致保护装置误动作或拒动作，威胁供电系统的可靠性。

2.2 均衡电流

双边供电系统中，由于两牵引变电所间的牵引网连通，在牵引网空载或轻载时，会产生均衡电流。均衡电流从一个牵引变电所流出，经牵引网，再流入另一个牵引变电所，它的存在不仅会造成额外的电能损耗，增加运营成本，还可能影响电力系统的潮流分布，引发电压波动、谐波污染等问题。尤其在电力系统较为薄弱的地区，均衡电流对电力系统的影响更为显著，严重时甚至可能威胁电力系统的安全运行。

2.3 保护装置性能

双边供电后牵引负荷电流分布改变，对牵引变电所的保护装置提出了更高要求。若保护装置不能准确、快速地动作，在故障发生时无法及时切除故障，会影响供电系统的安全运行，间接降低供电能力。

2.4 供电网络结构

牵引变电所的布局、牵引网的接线方式等供电网络结构因素，会影响电流分布和电压水平。不合理的网络结构可能导致部分区域供电压力过大，而其他区域供电能力未充分利用，整体供电能力受限。

3 供电能力提升策略

3.1 优化供电网络结构

通过合理规划牵引变电所的布局，可使供电区间划分更为合理，减少供电臂过长或过短的情况。对于重载、高速铁路等负荷较大的线路，适当增加牵引变电所的数量，缩短供电臂长度，降低电流传输距离，从而减小电压损失和电能损耗。例如，在某重载铁路线路中，通过增设一座牵引变电所，将原有的长供电臂一分为二，改造后该区域的牵引网电压损失降低了 15% ，供电能力得到显著提升。同时，优化分区亭的设置，合理选择分区亭的位置与数量，确保分区亭能有效实现双边供电的功能切换，提高供电系统的灵活性与可靠性。在一些复杂的供电网络中，采用多分区亭的设计，根据列车运行情况和负荷分布，灵活控制分区亭的开关状态，实现对供电网络的优化运行。

3.2 改进控制策略

针对牵引负荷电流分布复杂的问题，开发智能负荷分配控制策略。利用先进的传感器技术和通信网络，实时监测电力机车的运行位置、功率需求以及各牵引变电所的供电状态等信息。通过智能算法，如基于模型预测控制（MPC）的方法，根据实时监测数据预测未来一段时间内的负荷变化趋势，提前调整各牵引变电所的输出功率，使牵引负荷电流在各供电设备间实现合理分配，避免部分设备过载。在某电气化铁路试验段应用该智能负荷分配控制策略后，牵引变电所的过载次数减少了 40% ，有效提高了供电系统的稳定性。为抑制均衡电流，采用基于晶闸管控制电抗器（TCR）和静止无功补偿器（SVC）的综合补偿技术。通过检测均衡电流的大小和相位，实时调节 TCR 和 SVC 的参数，产生与均衡电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而抵消均衡电流。在实际工程应用中，该技术可使均衡电流降低 80% 以上，大大减少了均衡电流对电力系统的不良影响。

3.3 采用先进设备技术

引入新型牵引变压器，如非晶合金牵引变压器。非晶合金材料具有低损耗、高导磁率等特性，相较于传统硅钢片变压器，非晶合金牵引变压器的空载损耗可降低 70%-80% ，能有效减少供电系统的电能损耗。同时，其过载能力强，可更好地适应双边供电系统中复杂的负荷变化。例如，在某新建电气化铁路项目中采用非晶合金牵引变压器，运行一年后，与采用传统变压器的类似线路相比，电能损耗降低了 12% 。利用电压调节装置，如自动有载调压变压器（OLTC）和静止同步补偿器（STATCOM），实时调节牵引网电压。OLTC 可根据牵引网电压的变化自动调整变压器的分接头，改变输出电压；STATCOM 则通过快速调节输出无功功率，稳定牵引网电压。在某高速电气化铁路中，同时应用 OLTC 和 STATCOM后，牵引网电压波动范围从 ±10% 降低至 ±5% ，有效提高了电压稳定性。

3.4 采用智能控制策略

实时监测与数据分析：利用传感器和智能监测设备，实时监测双边供电系统的运行参数，如电压、电流、功率等。通过对大量运行数据的分析，掌握系统运行状态和负荷变化规律，为优化控制提供依据。智能优化控制：基于实时监测数据和分析结果，采用智能控制算法，如模糊控制、神经网络控制等，根据列车运行状态和负荷需求，动态调整供电参数，如实时调整供电电压和电流，实现电能的高效利用，提升供电能力。

结语

综上所述，供电能力提升策略可以有效提升双边供电系统的供电能力，具有广阔的应用前景，是未来电气化铁路供电系统的重要发展方向。通过分析其供电能力的影响因素，本文提出了一系列供电能力提升策略，包括优化供电网络结构、控制均衡电流、改进保护装置和采用智能控制策略等。这些策略的实施，有助于充分发挥双边供电系统的优势，提高牵引网的电压水平，降低电能损耗，增强供电系统的可靠性和灵活性，从而有效提升电气化铁路双边供电系统的供电能力，为电气化铁路的高速、重载运行提供更可靠的电力保障。未来，随着技术的不断进步，还需进一步深入研究和探索更有效的供电能力提升技术和方法，以期在补偿设备经济性、可靠性和供电能力提升效果之间的博弈中寻求到最优解。

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