神朔重載鐵路擴(kuò)能工程電氣化新技術(shù)

楊振龍

0 引言

神朔重載鐵路西接包神線(xiàn)和西延線(xiàn)，東連北同蒲線(xiàn)和朔黃線(xiàn)，是承接我國(guó)“三西”煤炭外的重要運(yùn)輸通道。該鐵路于2000年10月全線(xiàn)電氣化通車(chē)。投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，至2006年雖進(jìn)行過(guò)增建第二線(xiàn)、自動(dòng)閉塞、對(duì)朱蓋塔等7個(gè)車(chē)站的站改工程等擴(kuò)能改造，在一定程度上可緩解該線(xiàn)的運(yùn)輸壓力，但隨著我國(guó)能源需求的強(qiáng)勁增長(zhǎng)和煤炭運(yùn)輸量的快速增加，神朔線(xiàn)能力緊張問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，作為大秦鐵路和朔黃鐵路的前方重要通路，既有神朔鐵路已不能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的煤炭外運(yùn)需求，因此安排了該線(xiàn)的萬(wàn)噸列車(chē)擴(kuò)能改造工程。為了實(shí)現(xiàn)逐年增加運(yùn)量的目的，對(duì)其中成為瓶頸的部分區(qū)段的電氣化供電能力進(jìn)行了應(yīng)急加強(qiáng)，并在電氣化工程和設(shè)計(jì)中采用了一些新技術(shù)。

1 線(xiàn)路與供電

1.1 線(xiàn)路能力

既有神朔線(xiàn)線(xiàn)路輸送能力為14 900萬(wàn) t/年。2006年神朔線(xiàn)完成運(yùn)量12 800萬(wàn)t，2007年神朔線(xiàn)計(jì)劃完成14 500萬(wàn)t，線(xiàn)路能力已趨于飽和。

設(shè)計(jì)神朔鐵路萬(wàn)噸擴(kuò)能最大貨流密度區(qū)段2010年為20 000萬(wàn)t；2015年為22 000萬(wàn)t。煤炭運(yùn)量占運(yùn)輸總量比重的98%以上。

遠(yuǎn)景年輸送能力3億t，客車(chē)1對(duì)。

1.2 電氣化供電方案

（1）既有神朔線(xiàn)電氣化鐵道大柳塔—橋頭鎮(zhèn)為帶回流線(xiàn)的直接供電方式；橋頭鎮(zhèn)—神池南為AT供電方式；神池南—朔西為帶回流線(xiàn)的直接供電方式。

（2）神朔線(xiàn)電氣化鐵道開(kāi)行萬(wàn)噸列車(chē)擴(kuò)能方案將橋頭鎮(zhèn)—王家寨既有AT供電方式改造為帶回流線(xiàn)的直接供電方式，其余區(qū)段維持既有供電方式不變。新建朱蓋塔、南梁、橋頭鎮(zhèn)直供牽引站共3座，對(duì)不能滿(mǎn)足容量需求的牽引變壓器予以更換，增設(shè)分區(qū)所、AT所，單線(xiàn)鐵路供電方式改為 AT方式。

2 電氣化新技術(shù)

2.1 陰塔牽引站超大容量SVC應(yīng)急工程[1]

神朔線(xiàn)既有牽引系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)在橋頭分區(qū)所處。由于系統(tǒng)短路容量小，行車(chē)密度大，重車(chē)連續(xù)上坡?tīng)恳?fù)載大，SS4型交直機(jī)車(chē)功率因數(shù)低等原因，橋頭分區(qū)所的2條供電臂末端電壓水平偏低，陰塔—橋頭供電臂尤為嚴(yán)重。為了完成 2007年神朔線(xiàn)年運(yùn)量1.5億t的運(yùn)輸能力，當(dāng)年年初啟動(dòng)了“加強(qiáng)神朔鐵路牽引供電能力”應(yīng)急工程，工程內(nèi)容包括：調(diào)整陰塔、神池南電分相位置，改陰塔至橋頭鎮(zhèn)供電臂重車(chē)方向接觸線(xiàn)為銅合金導(dǎo)線(xiàn)，在陰塔牽引站增設(shè)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置等。

原SVC方案在Scott牽引變壓器每座（相）設(shè)置3，5，7次濾波補(bǔ)償以及可調(diào)電抗支路。補(bǔ)償支路通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)和雙極真空斷路器接入 55 kV母線(xiàn)。電容器額定電壓9 kV、額定容量400 kvar，4串多并構(gòu)成電容器組。橋頭臂3，5，7次補(bǔ)償支路電容量分別為28.8，16，16 Mvar，總計(jì)60.8 Mvar，相控電抗器28.73 Mvar；韓家樓臂3，5，7次補(bǔ)償支路電容量分別為22.4，12.8，12.8 Mvar，總計(jì)48 Mvar，相控電抗器21.83 Mvar。

考慮了場(chǎng)地、工期、SVC裝置運(yùn)行穩(wěn)定以及電力系統(tǒng)在義井地區(qū)變電站采用了SVC綜合補(bǔ)償?shù)纫蛩?，從解決主要問(wèn)題出發(fā)，設(shè)計(jì)中對(duì)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方案進(jìn)行了以下優(yōu)化：

（1）只在陰塔牽引站橋頭鎮(zhèn)一側(cè)安裝動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置。

（2）取消原來(lái)的5，7次濾波支路，濾波支路設(shè)為2個(gè)3次濾波支路，總補(bǔ)償出力容量不變。

（3）橋頭鎮(zhèn)牽引站建成后，橋頭鎮(zhèn)分相裝置兩側(cè)網(wǎng)壓低的問(wèn)題可得到解決，屆時(shí)陰塔至橋頭鎮(zhèn)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置作用就不再明顯，可將其中一個(gè)支路撥接到韓家樓臂，實(shí)現(xiàn)平衡補(bǔ)償。

設(shè)計(jì)中采用了以下新技術(shù)：

（1）取消原來(lái)濾波電容支路接地的中性點(diǎn)，每支路只有一組電容器和一組電抗器。

（2）電容支路采用110 kV雙極FS6斷路器。

（3）采用集合式電容器，單臺(tái)8 900 kvar，額定電壓40 kV，每支路電容器2串2并。

如此，首次在國(guó)內(nèi)電氣化鐵道牽引站形成電容量為71 200 kvar、以提高電壓為主要目的的超大容量SVC裝置。

值得指出的是，橋頭鎮(zhèn)牽引站建成投產(chǎn)后，陰塔牽引站SVC容量過(guò)剩，曾做過(guò)將其中一個(gè)電容支路的電容器退出一串，補(bǔ)償度由12%變?yōu)?%作為 5次濾波器的試驗(yàn)，試驗(yàn)表明該支路運(yùn)行不穩(wěn)定，反過(guò)來(lái)看，設(shè)計(jì)優(yōu)化是正確的。

2.2 先期實(shí)施橋頭牽引站工程

考慮到新建牽引站外部電源工程的困難以及開(kāi)行萬(wàn)噸列車(chē)必須先進(jìn)行有關(guān)的試驗(yàn)等因素，2007年6月，按開(kāi)行萬(wàn)噸列車(chē)方案，安排了先期實(shí)施新建橋頭牽引站工程項(xiàng)目，工程內(nèi)容包括新建橋頭牽引站、新建保德、王家寨分區(qū)所及重車(chē)方向自動(dòng)過(guò)分相等。

新建橋頭牽引站在既有橋頭AT與直供混合方式分區(qū)所原址建設(shè)，站址非常困難，地處山區(qū)，地形狹小、復(fù)雜，該處并非鐵路車(chē)站，其上行端為隧道口，下行端是大橋，右線(xiàn)為峭壁，左線(xiàn)緊鄰分區(qū)所原址，距鐵路60 m是神池—保德省道，鐵路與公路高差約20 m。從公路到橋頭分區(qū)所，汽車(chē)須上盤(pán)山道，牽引變壓器只能靠鐵路駁運(yùn)。

慮及供電能力、越區(qū)供電方便以及既有的牽引網(wǎng)供電方式，原設(shè)計(jì)橋頭牽引站—王家寨供電臂維持AT方式，橋頭牽引站—保德供電臂維持直供加回流線(xiàn)方式，牽引變壓器采用Vy接線(xiàn)型式。后根據(jù)意見(jiàn)，橋頭牽引站采用直供方式。

工程設(shè)計(jì)中采用了以下新技術(shù)：

（1）110 kV高壓設(shè)備采用GIS組合電器。結(jié)合橋頭極端最低氣溫-38℃的氣象條件，采用110 kV室內(nèi)型GIS高壓設(shè)備，可減少110 kV高壓設(shè)備占地面積，以適應(yīng)場(chǎng)地條件。

（2）牽引變壓器無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓分接范圍為（110±3）×2.5% kV。考慮了牽引站投產(chǎn)后近幾年地區(qū)電網(wǎng)尚不發(fā)達(dá)，電源電壓偏低，但是遠(yuǎn)期該地區(qū)規(guī)劃有多個(gè)發(fā)電廠(chǎng)，將來(lái)電源電壓會(huì)偏高的因素，設(shè)計(jì)加大了調(diào)壓分接范圍以適應(yīng)電源電壓的大幅度變化，可延長(zhǎng)牽引變壓器使用期限。

（3）牽引變壓器阻抗電壓采用8.0%。估計(jì)該線(xiàn)電力機(jī)車(chē)更換為交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)的時(shí)間較長(zhǎng)，SS4型直流傳動(dòng)機(jī)車(chē)還要運(yùn)行相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間。由于SS4機(jī)車(chē)功率因數(shù)低，電源短路容量小，采用較低的短路阻抗有利于電壓調(diào)整和功率因數(shù)的提高。

（4）補(bǔ)償裝置容量比2∶1分組投切、大出力集合式電容器、帶5次濾波抽頭干式空心電抗器。新建橋頭鎮(zhèn)牽引站每牽引側(cè)每相母線(xiàn)設(shè) 2套并聯(lián)補(bǔ)償裝置，安裝容量均為（6 000 ＋ 3 200）kvar，分組投切以適應(yīng)負(fù)載變化。采用集合式電容器以減少占地面積。電容器額定基波電壓32.8 kV，設(shè)計(jì)額定耐受電壓43.7 kV，出力大。與3 200 kvar電容器適配的電抗器基本補(bǔ)償度為11.7%，作為3次濾波裝置，另外增加了4.5%抽頭，可改變?yōu)?次濾波裝置，根據(jù)需要可靈活使用。

（5）王家寨 AT與直供分區(qū)所在國(guó)內(nèi)電鐵行業(yè)首次采用32 MV · A最大容量AT變壓器。設(shè)計(jì)考慮按AT變壓器一主一備的運(yùn)行方式和備用原則以及越區(qū)供電能力的需要。

（6）在重車(chē)上坡的電分相處采用機(jī)車(chē)帶負(fù)荷通過(guò)電分相的自動(dòng)過(guò)分相裝置。由于列車(chē)運(yùn)行的坡道阻力很大，電力機(jī)車(chē)取流就很大，普通的電分相對(duì)列車(chē)牽引力、運(yùn)行速度影響非常大，甚至可能引起機(jī)車(chē)在無(wú)電區(qū)時(shí)“途?！?，造成行車(chē)事故。因此采用了地面開(kāi)關(guān)切換的相分段自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置，該自動(dòng)過(guò)分相裝置工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 相分段自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置系統(tǒng)工作原理圖

在接觸網(wǎng)分相處嵌入一個(gè)中性段，其兩端分別由絕緣器1JY、2JY與兩相接觸網(wǎng)絕緣。1JY、2JY采用錨段關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)空氣絕緣，以保證機(jī)車(chē)受電弓滑過(guò)時(shí)能連續(xù)受流。2臺(tái)真空負(fù)荷開(kāi)關(guān)1ZK、2ZK及其串聯(lián)、并聯(lián)備有真空開(kāi)關(guān) 3ZK、4ZK、11ZK、22ZK分別跨接在1JY、2JY上，使兩相接觸網(wǎng)能通過(guò)它們輪流向中性段供電。在線(xiàn)路邊設(shè)置3臺(tái)列車(chē)位置傳感器CG1、CG2、CG3，由它們將機(jī)車(chē)位置信息發(fā)送給控制屏，經(jīng)邏輯運(yùn)算發(fā)出相應(yīng)命令控制開(kāi)關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)中性段供電相位的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，機(jī)車(chē)可帶負(fù)荷通過(guò)相分段。

2.3 南梁牽引站工程

為了滿(mǎn)足開(kāi)行萬(wàn)噸列車(chē)試驗(yàn)的需要，在擴(kuò)能工程中緊接著安排了新建南梁牽引站工程。該所選址位于轉(zhuǎn)龍灣隧道東口，場(chǎng)坪是劈土山開(kāi)出來(lái)的，地形狹小。設(shè)計(jì)除了110 kV高壓設(shè)備采用GIS組合電器外，室外高壓設(shè)備采用了緊湊型布置方案。

工程中采用了以下新技術(shù)：

（1）高壓設(shè)備樓房布置，27.5 kV高壓室在一層，110 kV氣體絕緣GIS設(shè)備在二層。

（2）110 kV電源進(jìn)線(xiàn)與牽引變壓器在高壓開(kāi)關(guān)同側(cè)布置，充分利用防火距離空間，110 kV電源居中，牽引變壓器在兩邊。

（3）支持 110 kV出線(xiàn)到牽引變壓器導(dǎo)線(xiàn)的110 kV絕緣子和懸掛27.5 kV進(jìn)線(xiàn)絕緣子的門(mén)型架構(gòu)合用，避免采用27.5 kV電纜進(jìn)線(xiàn)。

（4）110 kV避雷線(xiàn)越過(guò)高壓室樓頂錨接在27.5 kV饋線(xiàn)鐵塔，提高了防雷水平。

2.4 新型AT供電方案

考慮到大柳塔至南梁段新增朱蓋塔、南梁牽引站的方案存在供電臂較短，電分相過(guò)多，外部電源投資大，所址選擇難以及基本電費(fèi)支出高等缺點(diǎn)，筆者結(jié)合該段電氣化鐵道的實(shí)際情況，提出了一種不同于傳統(tǒng)方式的新型AT方式供電方案，見(jiàn)圖2。

圖2 大柳塔—南梁段新型AT方式供電方案示意圖

新型AT方式供電方案特點(diǎn)：

（1）上下行共用一路正饋（AF）線(xiàn)，采用大截面導(dǎo)線(xiàn)技術(shù)[2]，AF線(xiàn)可用2×LGJ-240。

（2）采用V/x接線(xiàn)變壓器并增容[1]，T線(xiàn)圈容量等于高壓側(cè)線(xiàn)圈容量，利用既有場(chǎng)地增設(shè) 2×27.5 kV饋線(xiàn)設(shè)備，T線(xiàn)進(jìn)既有高壓室，高壓室進(jìn)、饋線(xiàn)維持不變，每方向只一路AF線(xiàn)引出。

（3）供電臂中的 AT所、開(kāi)閉所以及末端分區(qū)所只設(shè)1臺(tái)大容量（32 MVA）AT變壓器，只設(shè)T線(xiàn)的母線(xiàn)，AF線(xiàn)傳輸?shù)墓β式?jīng)AT變壓器反相后其T線(xiàn)以及上下行接觸網(wǎng)引線(xiàn)共同紐接在T線(xiàn)的母線(xiàn)。

（4）不改造接觸網(wǎng)，工程對(duì)運(yùn)輸影響小。

（5）當(dāng)出現(xiàn)AT變壓器等故障不能構(gòu)成AT方式時(shí)，牽引網(wǎng)可恢復(fù)成直接供電方式，若AF線(xiàn)正常還可作為加強(qiáng)線(xiàn)使用，供電容量不減少，AT所、開(kāi)閉所以及末端分區(qū)所的 T線(xiàn)母線(xiàn)是直接供電方式的并聯(lián)點(diǎn)。

（6）由于采用 AT方式提高了傳輸電壓、增加了并聯(lián)點(diǎn)使上下行接觸網(wǎng)同時(shí)傳輸功率，因此這種可以靈活輸電的新型AT方案在坡度大的電氣化鐵道上不僅對(duì)于運(yùn)行交直機(jī)車(chē)具有節(jié)能、提高供電能力的效果，而且更能適應(yīng)具有高功率因數(shù)和再生制動(dòng)功能的交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)運(yùn)行，其下坡制動(dòng)機(jī)車(chē)產(chǎn)生的電能可就近被附近出力的機(jī)車(chē)使用，節(jié)能效果更好。

3 結(jié)束語(yǔ)

2009年11月，南梁牽引站投產(chǎn)，其高壓設(shè)備、電容補(bǔ)償?shù)仍O(shè)備與2008年11月投產(chǎn)的橋頭牽引站一樣，經(jīng)歷開(kāi)行由4臺(tái)SS4機(jī)牽引的萬(wàn)噸列車(chē)考驗(yàn)，驗(yàn)證了采用新技術(shù)的設(shè)計(jì)方案、設(shè)備選擇的正確性。

希望本文介紹的神朔重載鐵路擴(kuò)能電氣化新技術(shù)能為電氣化鐵道工作者提供有益的借鑒，在既有直接供電方式電氣化鐵道改造為AT方式的擴(kuò)能工程中，本文介紹的新型AT方式提供了一種可選擇的供電方案，通過(guò)實(shí)踐可進(jìn)一步完善，成為我國(guó)電氣化鐵道技術(shù)發(fā)展的一項(xiàng)貢獻(xiàn)。

[1]楊振龍.V/X接線(xiàn)牽引變壓器的研究和應(yīng)用[J].電氣化鐵道，2004，（4）.

[2]易輝，紀(jì)建民.交流架空線(xiàn)路新型輸電技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.