【电气铁路25kV交流动力供电系统】25kV交流电铁路牵引供电系统，用来驱动1kV的JR EH800列车载荷研究附Matlab代码

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🔥 内容介绍

电气化铁路凭借其诸多优势，如强大的运输能力、较高的行驶速度、较低的能源消耗和运营成本等，在现代铁路运输中占据着重要地位。在电气化铁路的关键组成部分中，牵引供电系统起着核心作用，为列车的稳定运行提供持续且可靠的电能。我国电气化铁路广泛采用单相工频（50Hz）25kV 交流制，这种供电制式具有供电电压较高、发展前景良好等显著特点。

JR EH800 列车作为一种特定型号的列车，其运行依赖于稳定且适配的供电。研究 25kV 交流电铁路牵引供电系统如何驱动 1kV 的 JR EH800 列车载荷，对于提升列车运行性能、保障供电系统的高效稳定运行以及推动铁路电气化技术的进一步发展具有重要意义。通过深入剖析两者之间的适配关系、存在的问题以及相应的解决策略，可以为实际的铁路运营和技术改进提供坚实的理论基础和实践指导。

二、25kV 交流电铁路牵引供电系统概述

（一）系统架构与工作原理

1. 系统架构：25kV 交流电铁路牵引供电系统主要由牵引变电所、接触网、馈电线、轨道回路以及相关的保护和控制设备等构成。牵引变电所的功能是将电力系统送来的三相高压交流电，通过变压器降压并转换为单相 25kV 交流电。以常见的 AT（自耦变压器）供电方式为例，牵引网以 2×25kV 电压供电，在网内分散设置自耦变压器，将电压降至 25kV 供电力牵引用。同时，与接触网同杆架设一条对地电压为 25kV 但相位与接触网电压反相的 “正馈线”，构成 2×25kV 馈电系统。自耦变压器变比为 2:1，其一次绕组接在接触网与正馈线之间，中点接至钢轨。接触网则负责将电能传输给列车，通过列车的受电弓与接触网滑动接触，使列车获得电能。轨道回路与大地共同构成电流返回路径，完成整个供电回路。

1. 工作原理：在电力系统中，三相高压交流电首先进入牵引变电所。在变电所内，通过特定接线形式的变压器，如单相联结接线形式的变压器，将三相电转换为单相电，并降压至 25kV。以 AT 供电方式下的牵引变电所输出为例，其输出电压为 27.5kV 或 55kV（55kV 主要用于高速电气化铁路的 AT 供电方式）。之后，电能通过馈电线输送到接触网。当列车运行时，受电弓与接触网紧密接触，将接触网中的 19 - 29kV 的单相交流电引入列车内部。列车内部的变压器对引入的交流电进行降压处理，再通过整流设备将交流电转换为直流电，经过一系列滤波、稳压装置后，输出直流电为列车动轮的牵引电机提供动力，驱动列车运行。

三、JR EH800 列车及其载荷特性

四、25kV 供电系统驱动 JR EH800 列车载荷的适配性分析

（一）电压匹配与转换

1. 列车内部电压转换机制：由于接触网提供的是 25kV 交流电，而 JR EH800 列车牵引电机额定电压为 1kV，列车内部必须具备高效可靠的电压转换机制。在列车内部，首先通过变压器将 25kV 交流电降压到合适的中间电压。例如，可能先将电压降至数千伏，然后再通过整流器将交流电转换为直流电，接着利用逆变器将直流电转换为适合牵引电机工作的 1kV 交流电。在这个过程中，变压器的变比设计、整流器和逆变器的控制策略等都至关重要。合理的变压器变比能够确保降压后的电压满足后续整流和逆变的要求，而精确的整流器和逆变器控制策略可以保证输出的 1kV 交流电具有良好的电能质量，如稳定的电压幅值、合适的频率和较低的谐波含量。

1. 对供电系统稳定性的影响：列车内部频繁的电压转换过程会产生一定的谐波电流。这些谐波电流注入到供电系统中，可能会导致供电系统电压波形发生畸变。谐波电流会在供电线路和变压器等设备中产生额外的功率损耗，降低设备的运行效率。同时，谐波还可能引发供电系统的谐振现象，当谐波频率与供电系统的固有频率接近时，会产生谐振过电压或过电流，严重威胁供电系统的安全稳定运行。为了降低这种影响，需要在列车内部和供电系统中采取相应的谐波抑制措施，如安装滤波器等。

（二）功率匹配与动态响应

1. 供电系统功率供应能力：25kV 交流电铁路牵引供电系统需要具备足够的功率供应能力，以满足 JR EH800 列车在不同运行工况下的需求。在列车启动和加速阶段，由于列车载荷较大，需要供电系统能够提供较大的瞬时功率。这就要求牵引变电所的变压器容量、馈电线的载流能力等都要满足相应的要求。例如，牵引变电所的变压器应根据所供电区域内列车的数量、类型以及可能出现的同时启动等情况，合理选择容量，确保在列车需求功率最大时，也能稳定供电。同时，馈电线的截面积和材质也应经过精心设计，以保证能够传输足够大的电流，而不会因为过热等问题影响供电。

1. 列车载荷动态变化的应对：JR EH800 列车载荷的动态变化要求供电系统具有良好的动态响应能力。当列车从匀速运行状态突然加速时，供电系统需要能够迅速增加输出功率，以满足列车的功率需求。反之，当列车进入制动状态，供电系统需要能够及时调整，适应列车再生制动反馈电能的情况。这就需要供电系统具备快速的控制和调节机制，如采用先进的电力电子控制设备，能够实时监测列车的功率需求和供电系统的运行状态，根据变化快速调整供电参数，保证供电的稳定性和可靠性。

五、面临的问题与挑战

（一）电能质量问题

1. 谐波污染：如前所述，列车内部复杂的电气设备，尤其是电压转换过程中的整流器和逆变器等非线性设备，会产生大量的谐波电流。这些谐波电流注入到 25kV 供电系统中，会使供电系统的电压和电流波形发生畸变。谐波污染不仅会增加供电系统设备的损耗，降低设备寿命，还可能对通信系统等其他设备产生干扰。例如，谐波电流在变压器中会引起额外的铁芯损耗和绕组损耗，导致变压器发热加剧，缩短其使用寿命。在通信系统中，谐波可能会耦合到通信线路中，产生噪声，影响通信质量。

1. 电压波动与闪变：JR EH800 列车载荷的频繁变化，特别是在启动、加速和制动等过程中，会导致供电系统的电压出现波动。当电压波动的频率和幅度达到一定程度时，就会产生电压闪变。电压闪变会影响照明设备的正常工作，使人眼产生明显的闪烁感，同时也可能对一些对电压稳定性要求较高的设备造成损害。例如，一些精密的工业控制设备在电压闪变的情况下，可能会出现误动作，影响生产过程的正常进行。

（二）供电可靠性问题

1. 接触网故障风险：接触网作为将电能传输给列车的关键设备，长期暴露在户外环境中，容易受到自然因素和人为因素的影响而发生故障。例如，恶劣的天气条件，如大风、暴雨、冰雪等，可能导致接触网导线断裂、绝缘子闪络等故障。此外，接触网与受电弓之间的频繁摩擦也会导致接触网导线磨损，当磨损到一定程度时，就容易引发故障。接触网一旦发生故障，将直接导致列车失去供电，影响铁路运输的正常秩序。

1. 系统故障后的恢复难度：由于 25kV 交流电铁路牵引供电系统涉及众多的设备和复杂的网络结构，当系统发生故障时，故障的排查和恢复工作难度较大。例如，当某个牵引变电所发生故障时，需要迅速判断故障原因，可能涉及到变压器、断路器、保护装置等多个设备。而且，在恢复供电的过程中，还需要考虑到整个供电系统的负荷平衡、电压调整等问题，以确保恢复供电后系统能够稳定运行。如果恢复时间过长，将对铁路运输造成严重的影响，导致大量列车晚点甚至停运。

六、解决方案与优化策略

（一）电能质量改善措施

1. 谐波抑制技术：为了抑制列车产生的谐波对供电系统的影响，可以在列车内部和供电系统中安装滤波器。在列车内部，可以采用有源电力滤波器（APF）。APF 通过实时检测列车产生的谐波电流，产生与之大小相等、方向相反的补偿电流，注入到电路中，从而抵消谐波电流。在供电系统侧，可以安装无源滤波器，如 LC 滤波器。LC 滤波器利用电感和电容的谐振特性，对特定频率的谐波电流进行滤波。通过合理设计滤波器的参数，可以有效地抑制谐波电流，提高供电系统的电能质量。

1. 电压稳定控制策略：为了应对列车载荷变化引起的电压波动和闪变问题，可以采用电压稳定控制策略。在供电系统中，可以安装静止无功补偿器（SVC）或静止同步补偿器（STATCOM）等设备。SVC 通过调节自身的无功功率输出，来维持供电系统的电压稳定。STATCOM 则采用了更为先进的电力电子技术，能够快速、精确地调节无功功率，具有更好的电压稳定控制效果。同时，通过优化供电系统的运行方式，如合理调整牵引变电所的供电范围、优化列车的运行调度等，也可以减少电压波动和闪变的发生。

（二）提高供电可靠性的方法

1. 接触网维护与故障预防：加强对接触网的维护和故障预防工作至关重要。定期对接触网进行巡检，检查导线的磨损情况、绝缘子的清洁度等。采用先进的检测技术，如红外测温技术，检测接触网连接部位的温度，及时发现潜在的故障隐患。同时，提高接触网的设计和施工质量，采用高质量的导线和绝缘子等设备，增强接触网的抗风、抗雨等能力。此外，还可以安装接触网故障监测系统，实时监测接触网的运行状态，一旦发生故障，能够迅速定位故障位置，为抢修工作提供依据。

1. 系统冗余设计与应急供电方案：在 25kV 交流电铁路牵引供电系统中，采用冗余设计可以提高系统的可靠性。例如，在牵引变电所中，可以设置备用变压器和备用断路器等设备，当主设备发生故障时，备用设备能够迅速投入运行，保证供电的连续性。同时，制定完善的应急供电方案，当整个供电系统发生大面积故障时，可以启动应急电源，如移动发电车等，为关键区域的列车提供临时供电，确保列车的安全运行。此外，建立高效的应急响应机制，提高故障处理的效率，缩短停电时间。

七、结论

本研究深入探讨了 25kV 交流电铁路牵引供电系统驱动 1kV 的 JR EH800 列车载荷的相关问题。通过对 25kV 交流电铁路牵引供电系统的架构、原理、特点以及 JR EH800 列车的基本参数、电气系统和载荷特性的分析，明确了两者之间的适配关系。在适配过程中，电压匹配与转换、功率匹配与动态响应是关键因素，但同时也面临着电能质量问题（如谐波污染、电压波动与闪变）和供电可靠性问题（如接触网故障风险、系统故障后的恢复难度）。

针对这些问题，提出了一系列有效的解决方案与优化策略。在电能质量改善方面，采用谐波抑制技术（如安装 APF 和 LC 滤波器）和电压稳定控制策略（如使用 SVC 和 STATCOM）；在提高供电可靠性方面，加强接触网维护与故障预防（定期巡检、采用先进检测技术等）以及实施系统冗余设计与应急供电方案（设置备用设备、制定应急电源方案等）。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 李群湛,郭锴,周福林.交流电气化铁路AT供电牵引网电气分析[J].西南交通大学学报, 2012, 47(1):6.DOI:10.3969/j.issn.0258-2724.2012.01.001.

[2] 赵乾钊.我国电气化铁路的特点[J].铁道知识, 1997(3):2.DOI:CNKI:SUN:TDZS.0.1997-03-002.

[3] 范红静.电气化铁路双边供电系统性能分析[D].西南交通大学,2015.

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