第六节 牵引供电
一、220kV外部电源供电及新型2×25kVAT供电技术
在全面研究和总结日本及欧洲高速铁路供电方式技术特点的基础上，结合京沪高速铁路高速动车组用电需求、速度目标值和运输组织要求，提出了京沪高速铁路220kV外部电源供电和新型2×25kVAT供电技术。京沪高速电气化铁路是电力系统重要的一级负荷。鉴于高速铁路牵引负荷的重要性，由国家电网供电的牵引变电所的一次供电电压应高于普通常速铁路，需要将牵引变电所的外部电源电压等级从110kV提高到220kV。
京沪高速铁路全线的牵引变电所由两回独立可靠的220kV电源供电，提高了电力线路的输送能力，且改善了电气化铁路对电力系统的负序和谐波影响，从而保证了牵引供电系统具有较高的安全可靠性。
京沪高速铁路新一代16辆编组双弓高速动车组的持续轮周功率约为19200kW和21021kW，单列车负荷电流值可达1000～1300A，列车最小追踪间隔时分按远期3分钟设计。为保证高速动车组的稳定、正常运行，对本线牵引供电系统的供电能力和受流质量都提出了较高要求。
AT供电方式在提高供电能力、减少电分相、适应动车组高速运行、改善电磁环境和降低外部电源投资等方面的优势明显，可降低对接触悬挂载流量的要求和减轻牵引网电流密度，并有利于大运量客运专线接触网的轻型化和系统匹配设计，对于京沪高速铁路长距离、大坡度、高速度、高密度和重负荷的情形尤其适用，因此高速正线的牵引供电系统采用2×25kVAT供电方式，枢纽地区高中速联络线、动车组走行线和动车段（所）等采用1×25kV带回流线的直接供电方式。
在牵引变电所中牵引变压器均采用三相V结线型式的情况下，京沪高速铁路采用AT供电方式后可较带回流线的直接供电方式减少52处接触网电分相，使高速动车组平均过电分相的时间间隔由2.1分钟提高至约4.1分钟，避免动车组频繁过分相掉速，并可改善弓网受流质量和列车运行环境，延长车上设备使用寿命。
为提高供电质量和减轻牵引网电流密度，牵引变电所的供电臂长度一般不大于30km，每个供电臂一般设两个AT段；AT所间距一般不大于15km。经对比分析，京沪高速铁路牵引变电所的平均间距基本与法国、日本高速铁路接近。牵引网采用上下行同相单边供电，在供电臂中部和末端分别设AT所和分区所，在正常运行方式下实现上下行牵引网在AT所和分区所处的全并联供电，使牵引网的电能损耗较单边分开供电情况明显减少，并有利于高速动车组再生电能的回馈吸收。为提高枢纽区段及部分长供电臂的供电能力和载流量，对于牵引变电所第一AT段的接触网，采用接触线、承力索和加强线三导体并联的形式。
选用该供电方式的牵引变电所采用单相三绕组牵引变压器，其二次侧两绕组串联后中点引出并接地，二次侧电压为2×27.5kV，在牵引变电所内可省略馈线AT。与采用SCOTT结线型式牵引变压器相比较，该类型牵引变电所中无55kV电压等级设备，变电设备类型统一，提高了供电可靠性和灵活性，简化了牵引供电网络，不仅具有节能效果，且有效减少了与高压电网的接入点数量，其供电能力和供电容量创国内外牵引供电系统之最。尤其在京沪高速铁路的先导段，为尽量减少高速动车组通过电分相的数目和速度损失，考虑由桃沟牵引变电所按单相变压器越区供电至徐州和固镇牵引变电所处，从而实现了110km接触网的连续供电区段，为动车组速度试验创造了条件。
二、新型综合接地技术
由于京沪高速铁路列车运行速度高、负荷电流大和行车密度高，全线封闭，且大量采用高架线路，致使钢轨对地泄漏电阻较大，牵引负荷电流、故障短路电流和钢轨泄漏电阻均较既有普通铁路显著增大，从而造成钢轨电位急剧增高，并对旅客及通信信号等设备的安全构成威胁。
通过对国外接地技术的研究，结合接地的仿真模拟计算，采用在京沪高速铁路沿线有限范围内单独设置贯通地线，统一考虑各类设备的工作接地和安全接地，作为京沪高速铁路沿线的综合接地体。这样既减少了不同系统之间的相互干扰及接口问题，又提供了安全、可靠和稳定的接地效果。
贯通地线（截面为70mm2铜线，上下行各一根）、保护线（或回流线）在每个闭塞分区和上下行钢轨（经过扼流圈）进行等电位连接，综合接地的电阻一般低于1Ω；车站接触网支柱还应与车站综合地网相连接；距综合地线15m范围内的金属结构物均与贯通地线相连接，距贯通地线15m以外的支柱及其他金属物可单独接地，接地电阻不大于10Ω。
在综合接地中，综合接地线在牵引变电所、AT所、分区所、开闭所和电力配电所处与地网可靠连接，这样综合接地线就为沿线的电气设备和栏杆等提供了接地措施。车站上或其他人员活动频繁处的支柱还单独与车站或变电所地网相连接，实现双重接地。该方案解决了接触网等强电和通信信号等弱电有效共地问题，极大地提高了系统安全性和兼容性。
京沪高速铁路牵引变压器与27.5kV设备间连接以及馈出上网采用27.5kV专用单芯电缆，多根并联运行，根数及截面按满足最大行车密度情况下的载流要求确定。变电所馈出上网电缆，每回路电缆与另一回路电缆互为100％备用。通过对电缆结构、运行情况及现场条件的研究，提出了适用于高速铁路的27.5kV专用单芯电缆的接地方式，最大限度保障电缆运行安全，提高了电缆回路供电可靠性。
在确定电缆回路的结构和配置，保证电缆回路正常运行及承受短路能力的前提下，结合高速铁路馈出线上网路径情况，电缆采用单端接地，考虑护层保护器的安装及维护方便，电缆在接触网侧直接接地，在变电所侧接护层保护器。
针对上网电缆供电距离长的情况，以保证人身安全为前提，通过限制短路故障情况下非直接接地端的感应电压确定电缆分段接地长度。
三、变电所综合自动化技术
结合京沪高速铁路工程“高速电气化铁道牵引供电综合自动化系统方案研究”科研项目，提出高速铁路综合自动化系统和微机保护解决方案。基于现代化通信技术和微机保护技术，通过变电所与AT所、分区所之间共享信息，达到集中进行快速故障判断和快速、准确选择性切除故障的目的，同时提出完善的站控层功能需求（如当地监控、当地维护、设备诊断、事故分析、远方通信、远方维护、图像监视等功能）、所内与所间网络通信网络结构和介质、间隔层各保护单元的功能配置，并研制综合自动化模拟仿真系统。
京沪高速铁路的牵引供电与电力供电综合自动化技术，分为北京调度和上海调度。
远动装置由设置在电力调度所的电力调度主站、设置在沿线各牵引变电所、AT所、分区所、开闭所的综合自动化被控站和连接各处的远程通信通道构成。采用分层分布式局域网结构，服务器、工作站和交换机冗余配置；电力调度主站采用具有较高安全性、可靠性、实时性、开放性、可移植性、可扩容性的软件；软、硬件采用模块化设计，易于扩展，不仅满足工程运营和管理的容量和功能要求，并且能满足未来其他客运专线接入时的容量扩充和功能扩展的要求。
四、适应速度380km/h的接触网张力组合技术
研究及实践表明，为保证良好的弓网耦合关系，列车最高行车速度与接触网的波动传播速度之比β=v列车/v波动小于0.7时才能基本保证列车受电弓与接触网之间的耦合集电特性，减少列车受电弓与接触网之间的火花和离线率，达到列车在高速行驶时稳定地从接触网取流的效果。因此，目前世界各国均将更高的接触网波动传播速度作为接触网是否满足高速铁路性能要求的首要指标。根据波动传播速度理论，增大接触网的波动传播速度，就应提高接触线的额定工作张力，尽量降低接触线的线密度。在国内高速铁路正线接触线截面采用150mm2的前提下，加大接触线的额定工作张力是提高接触网波动传播速度的直接途径。
京沪高速铁路采用技术性能达到国际领先水平的高强度高导电率铜合金接触线，该接触线抗拉强度大于等于560MPa，导电率达到75％IACS～82％IACS，磨耗明显低于铜镁、铜锡合金接触线。
为满足京沪高速铁路最高运营速度及相应的试验速度的要求，在先导段下行线进行了接触线分别为31.5kN、33kN、36kN及高强高导导线40kN、承力索均为20kN的四种额定工作张力的张力体系对比试验，通过实车试验结果最终确定京沪高速铁路速度380km/h区段接触网的张力配置。
根据实践经验，当动车组双弓运行速度超过350km/h时，由于接触网的振动较为剧烈，若不对受电弓采取措施，仅靠加大接触网的张力手段来改善后弓的受流质量，效果并不是很明显，因此用于京沪高速铁路的新一代动车组全部装备了带主动控制的新型受电弓，这也是国内动车组首次装备主动控制型受电弓。它可以根据运行速度适时调整受电弓的静态接触压力，进而使得弓网间的动态接触力在平均值上下，燃弧率也大幅减小，最终达到改善弓网受流质量的目的。先导段实车试验结果表明，在采用带主动控制的新型受电弓条件下，拟定的三种接触网张力均满足京沪高速铁路动车组速度380km/h双弓、持续、稳定受流运行的要求，平均接触力、最大接触力、抬升量、燃弧率等指标均在预期范围之内。相比之下，（20kN+36kN）张力性能最为优越，（20kN+33kN）张力次之，（20kN+31.5kN）张力可用。
五、接触网新型无交叉布置技术
线岔是关系行车安全的关键设备之一。目前主要有交叉和无交叉两种线岔形式。
交叉式线岔处主线与侧线吊弦交叉连接，当列车以350km/h以上速度通过正线时，由于接触线抬升量较大，受电弓必然要接触两支接触线，在交叉点附近形成相对硬点是难免的；无交叉式线岔形式，当正线高速行车时，受电弓只与正线接触线接触，但当列车由侧线驶入正线时，同样受电弓需通过倒角过渡后与正线接触线接触。
京沪高速铁路采用带一组“辅助悬挂”的锚段关节式结构，无论是正线行车还是侧线行车，工作接触线始终处于受电弓的动态包络线以外，且受电弓在工作支与非工作支之间的转换过渡非常平缓，因此其安全性良好。
京沪高速铁路正线在18号和42号道岔处接触网采用了这种新型无交叉布置方式，确保正线行车时受电弓不与侧线接触线相接触，可以保证按设计速度运行的绝对安全。