南昆鐵路牽引供電系統(tǒng)電壓水平及補(bǔ)償措施

李 劍，袁 勇，高 宏

0 概述

南昆鐵路采用部分帶回流線的直接供電方式；全線共設(shè)18 座牽引變電所；各牽引變電所均采用三/二相不等容牽引變壓器，安裝容量由 2×12.5 MV·A 至2×25 MV·A 不等；各牽引變電所27.5 kV 側(cè)均裝設(shè)了固定電容補(bǔ)償裝置。1998 年變更設(shè)計(jì)時(shí)在部分牽引變電所內(nèi)及區(qū)間增設(shè)了串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置。其電氣化鐵路運(yùn)行采用交直傳動(dòng)型電力機(jī)車，該類機(jī)車采用半控橋式整流裝置，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來實(shí)現(xiàn)機(jī)車出力的調(diào)節(jié)，導(dǎo)致功率因數(shù)較低（0.75～0.8），并產(chǎn)生較豐富諧波。

該線外部電源除個(gè)別牽引變電所外普遍較弱，尤以百色—威舍段為甚。以百色—威舍段的田林牽引變電所和平林（小平塘）牽引變電所的外部電源為例，田林牽引變電所為百色沙坡220/110 kV 變電站引出2 回110 kV 電源供電，110 kV 線路供電距離達(dá)到了68 km；平林牽引變電所為隆林220/110 kV 變電站引出2 回110 kV 電源供電，110 kV線路供電距離為58 km。其中田林110 kV 最小短路容量僅為195.64 MV·A，可見，影響南昆鐵路牽引供電系統(tǒng)電壓水平的主要因素是外部電源薄弱，機(jī)車自然功率因數(shù)偏低。

1 電壓水平理論計(jì)算及重載測試

1.1 電壓水平理論計(jì)算

1.1.1 計(jì)算條件

機(jī)車功率因數(shù)暫按0.8 計(jì)，適當(dāng)考慮實(shí)際運(yùn)行情況。110 kV 外電情況：根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況按電力系統(tǒng)最小運(yùn)行方式取值，田林牽引變電所按最小短路容量195.64 MV·A 計(jì)算。

1.1.2 田林牽引變電所理論計(jì)算

田林牽引變電所采用三/二相不等容牽引變壓器，安裝容量2×25 MV·A，供電臂長度分別為喜屯方向32.25 km，巖龍方向31.182 km，并在田林牽引變電所、汪甸站、潞城鄉(xiāng)站設(shè)置了串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償了7.16 kV 和7.39 kV 的電壓，其電壓水平理論計(jì)算結(jié)果見表1。

由上述計(jì)算結(jié)果可知，對接觸網(wǎng)末端最低電壓水平的影響，主要為牽引網(wǎng)壓損及系統(tǒng)、牽引變壓器壓損。

1.2 牽引重載試驗(yàn)測試驗(yàn)證

1.2.1 試驗(yàn)排車情況

牽引重載試驗(yàn)時(shí)田林牽引變電所主要測試田林—巖龍供電臂。共3 列列車運(yùn)行，其中，2 列為雙機(jī)牽引，1 列為單機(jī)牽引。

1.2.2 測試結(jié)果

田林牽引變電所測試數(shù)據(jù)見表2；供電臂末端區(qū)間機(jī)車測試數(shù)據(jù)見表3。

表1 田林牽引變電所電壓水平計(jì)算結(jié)果表

表2 田林牽引變電所測試數(shù)據(jù)表

表3 供電臂末端區(qū)間機(jī)車測試數(shù)據(jù)表

2 影響牽引供電系統(tǒng)電壓水平因素分析

從以上理論計(jì)算及測試結(jié)果可見，影響牽引供電系統(tǒng)電壓水平的因素主要有以下2 個(gè)方面。

2.1 110 kV 系統(tǒng)

試驗(yàn)時(shí)測得110 kV 側(cè)三相空載最高電壓達(dá)到121 kV，而在最大負(fù)荷情況下（牽引變電所饋線電流約910 A），110 kV 側(cè)最低電壓僅93.62 kV，折算至27.5 kV 牽引側(cè)其系統(tǒng)電壓損失達(dá)到7.25 kV，與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。由此可見，110 kV 進(jìn)線電壓波動(dòng)大大超過了國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，反映了系統(tǒng)短路容量小、短路阻抗大，致使?fàn)恳?fù)荷在電力系統(tǒng)中造成的電壓損失增大。

2.2 功率因數(shù)

測試過程中SS7機(jī)車功率因數(shù)、牽引變電所功率因數(shù)均偏低，使?fàn)恳╇娤到y(tǒng)設(shè)備的供電能力不能充分利用，還導(dǎo)致線路及變壓器的無功損耗增加，電壓損失增大。

以上2 個(gè)原因均極大地加大了系統(tǒng)、牽引變壓器、牽引網(wǎng)的壓損，直接導(dǎo)致了供電臂末端牽引網(wǎng)電壓水平偏低，引起實(shí)際運(yùn)營中列車多次發(fā)生運(yùn)緩、坡停、跳閘等情況。

3 綜合補(bǔ)償措施

通過以上分析可以看出，在外部電源短時(shí)間內(nèi)難以切實(shí)得到改善的情況下，只能改善功率因數(shù)，而機(jī)車類型決定了機(jī)車自然功率因數(shù)難以大幅度提高。因此，要提高牽引供電能力，必須對牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行分析并進(jìn)行相應(yīng)治理。

3.1 綜合補(bǔ)償措施的選擇

目前電氣化鐵路一般采取如下補(bǔ)償措施：動(dòng)態(tài)并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置（SVC）；串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置；增壓變壓器；更換牽引變壓器為有載調(diào)壓三相V/v牽引變壓器；載流承力索。

經(jīng)校驗(yàn)分析，上述任何一種補(bǔ)償措施均難以使?fàn)恳╇娤到y(tǒng)電壓水平達(dá)到要求，因此需要采用系統(tǒng)化的綜合補(bǔ)償技術(shù)。根據(jù)南昆鐵路現(xiàn)場實(shí)際情況及技術(shù)實(shí)施的難易程度，擬定了以下補(bǔ)償方案：

（1）全供電臂設(shè)置載流承力索。

（2）保留田林牽引變電所內(nèi)及供電臂中間設(shè)置的串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置（1998 年南昆鐵路變更設(shè)計(jì)時(shí)已實(shí)施）。

（3）選擇由固定濾波裝置（FC）與晶閘管相控制電抗器（TCR）構(gòu)成的靜止無功補(bǔ)償系統(tǒng)（SVC），通過調(diào)節(jié)電抗器電流，實(shí)現(xiàn)無功自動(dòng)調(diào)節(jié)，降低無功功率，改善功率因數(shù)，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)功率因數(shù)在0.9 以上；保持牽引母線在較高電壓水平，增加牽引系統(tǒng)的供電能力；部分吸收3 次、5次、7 次諧波電流，降低諧波電流對電力系統(tǒng)的不良影響。

（4）增設(shè)2 臺(tái)增壓變壓器作為后備電壓補(bǔ)償措施。

3.2 補(bǔ)償后的效果驗(yàn)證

采用上述相同計(jì)算條件，增設(shè)載流承力索、設(shè)置可調(diào)無功補(bǔ)償裝置后，其計(jì)算結(jié)果見表4。

實(shí)施以上措施后，2005 年對田林牽引變電所再次進(jìn)行了牽引重載試驗(yàn)測試。在重車通過時(shí)，A相（田林—巖龍）電流達(dá)到最大值（1.002 4 kA），牽引變電所功率因數(shù)為 0.931 9，有功功率為21.852 MW，無功功率為8.502 Mvar，基波電壓為23.505 kV。測試曲線見圖1。

表4 田林牽引變電所綜合補(bǔ)償效果表

圖1 電流、電壓及功率因數(shù)測試曲線圖

由圖1 的測試結(jié)果可見，在田林牽引變電所供電范圍內(nèi)采用了多種臨時(shí)應(yīng)急補(bǔ)償措施后，其效果較為明顯，牽引供電系統(tǒng)的水平得到了較大提高。

可見，針對類似南昆鐵路田林牽引變電所外部電源薄弱、機(jī)車功率因數(shù)低、機(jī)車電流大的情況，只有采用多種補(bǔ)償措施綜合考慮，多管齊下，才能解決其供電能力問題。

4 結(jié)束語

對于外部電源比較薄弱、牽引負(fù)荷較大、采用交直型機(jī)車牽引的山區(qū)鐵路牽引供電系統(tǒng)電壓水平問題，首先要掌握牽引供電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)，對電壓水平開展實(shí)時(shí)監(jiān)測，以掌握其動(dòng)態(tài)；其次是詳細(xì)分析電能質(zhì)量的測試數(shù)據(jù)及電壓水平的影響因素；再次是開展系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和改造，結(jié)合運(yùn)行負(fù)荷的特點(diǎn)并有針對性地采用技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的、運(yùn)行可靠的補(bǔ)償措施；最后還需進(jìn)行現(xiàn)場測試，以了解補(bǔ)償后的效果，并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，最終達(dá)到最佳補(bǔ)償效果。但也應(yīng)該看到，這些都只能作為臨時(shí)措施或補(bǔ)充手段，最終解決這些電能問題還是需要一個(gè)強(qiáng)大的外部電源系統(tǒng)的支持。特別在國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，鐵路運(yùn)量快速增長，牽引負(fù)荷大幅度提高的情況下，電氣化鐵路的電能質(zhì)量問題特別是電壓水平問題已經(jīng)對鐵路運(yùn)輸產(chǎn)生了很大影響，因此如何使外部電源建設(shè)更適應(yīng)電氣化鐵路的負(fù)荷特點(diǎn)和需要，應(yīng)該成為今后電氣化鐵路沿線外部電源建設(shè)的重點(diǎn)研究內(nèi)容。

[1] GB12325-1990中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) 電能質(zhì)量 供電電壓允許偏差[S].

[2] 電氣化鐵道設(shè)計(jì)手冊 牽引供電系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，1988.

[3] 南昆線牽引供電系統(tǒng)能力加強(qiáng)牽引供電施工設(shè)計(jì)文件鐵道第二勘察設(shè)計(jì)院，2005，2.

[4] 南昆線南寧—威舍全程測試報(bào)告 柳州鐵路局 鐵二院西南交大電氣學(xué)院，2002.

[5] 田林牽引變電所電能測試報(bào)告.