陽(yáng)安及寶成線大功率機(jī)車(chē)引發(fā)供電問(wèn)題的探討

閆站偉

（西安鐵路局安全監(jiān)察大隊(duì)，工程師，陜西 西安 710054）

為了達(dá)到打通西南大通道，增加運(yùn)量的目的，在陽(yáng)安線、寶成線陽(yáng)平關(guān)至廣元段使用HXD3機(jī)車(chē)開(kāi)行5 000 t貨物列車(chē)。由于重載造成既有線牽引變電所過(guò)負(fù)荷而引起頻繁的跳閘，對(duì)牽引供電能力造成一定的影響。為此，分析增噸后牽引供電能力不適應(yīng)的原因，探討如何對(duì)薄弱區(qū)段的電氣化供電設(shè)備進(jìn)行適應(yīng)性改造，以滿足增噸重載的要求顯得十分必要。

1 既有牽引供電設(shè)備運(yùn)營(yíng)狀況

陽(yáng)安線全線采用LXGJ-80+TCG-110型全補(bǔ)償簡(jiǎn)單鏈型懸掛。寶成線陽(yáng)平關(guān)—廣元段低凈空隧道采用TCW-110型簡(jiǎn)單懸掛，其余區(qū)段采用LXGJ-80+TCW-110型全補(bǔ)償簡(jiǎn)單鏈型懸掛。自開(kāi)行HXD3型大功率機(jī)車(chē)后，由于牽引負(fù)荷增大，各牽引變電所過(guò)負(fù)荷跳閘頻繁，導(dǎo)致供電能力不適應(yīng)。

1.1 寶成線陽(yáng)平關(guān)至廣元段 寶成線陽(yáng)平關(guān)—廣元區(qū)段共計(jì)33座低凈空隧道，接觸網(wǎng)簡(jiǎn)單懸掛全長(zhǎng)9 518.7 m，有523處懸掛點(diǎn)和225處定位點(diǎn)。自2009年4月15日至2010年9月15日，累計(jì)饋線過(guò)負(fù)荷跳閘59件，其中2009年52件，2010年由于車(chē)流減少發(fā)生7件。

1.2 陽(yáng)安線 據(jù)統(tǒng)計(jì)2009年5月1日至12月31日，陽(yáng)安線因開(kāi)行和諧號(hào)重載機(jī)車(chē)導(dǎo)致?tīng)恳冸娝^(guò)負(fù)荷饋線最大電流為1 626 A（勉西變電所2號(hào)饋線），最小為1 045 A（茶鎮(zhèn)變電所1號(hào)饋線）。牽引變電所過(guò)負(fù)荷導(dǎo)致跳閘共計(jì)731件，其中跳閘件數(shù)最多的是漢中、西鄉(xiāng)供電車(chē)間管內(nèi)變電所，分別為260件、378件；跳閘相對(duì)較少的安康供電車(chē)間管內(nèi)變電所為43件。

2 增噸后供電能力存在的問(wèn)題

和諧型大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)單軸功率1 200 k W，HXD3交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)額定功率達(dá)7 200 k W（6軸車(chē)），雙機(jī)牽引，機(jī)車(chē)額定功率高達(dá)14 400 k W（6軸車(chē)）。交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)采用四相限整流，使電流波形逼近正弦波，且電流與電壓的相位基本同步。所以，交直交型電力機(jī)車(chē)的諧波含量很小、功率因數(shù)可高達(dá)0.97，使得牽引網(wǎng)阻抗引起的損失及變壓器損失均大幅下降，通常牽引網(wǎng)末端電壓水平較高。因此，牽引網(wǎng)末端電壓水平不再是限制供電方案的最主要因素。列車(chē)的負(fù)荷大小，主要與列車(chē)牽引質(zhì)量、運(yùn)行速度、線路坡度等因素有關(guān)，在運(yùn)行速度、線路坡度相同的情況下，列車(chē)負(fù)荷與牽引質(zhì)量成正比。對(duì)于重載鐵路由于牽引質(zhì)量的增大，使得牽引負(fù)荷成倍增大，機(jī)車(chē)帶電電流最大達(dá)860 A，造成負(fù)荷對(duì)接觸網(wǎng)的載流能力提出更高的要求。因此，牽引網(wǎng)載流能力成為控制電氣化鐵路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

2.1 既有接觸網(wǎng)承力索和導(dǎo)線載流量不足 既有陽(yáng)平關(guān)—廣元段采用簡(jiǎn)單懸掛處所，僅靠CT-110導(dǎo)線載流，而CT-110導(dǎo)線的持續(xù)載流量為480 A。陽(yáng)安線采用非載流承力索，主要依靠接觸線載流。

根據(jù)陽(yáng)平關(guān)、燕子砭、朝天3個(gè)變電所日電壓電流負(fù)荷測(cè)量數(shù)據(jù)顯示：陽(yáng)平關(guān)變電所4#饋線最大負(fù)荷670 A，燕子砭3#饋線最大電流770 A，燕子砭4#饋線最大電流785 A，朝天變電所1#饋線最大負(fù)荷432 A，朝天變電所2#饋線最大負(fù)荷461 A，朝天變電所3#饋線最大負(fù)荷470 A，朝天變電所4#饋線最大負(fù)荷550 A。依據(jù)過(guò)負(fù)荷跳閘統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，最大的過(guò)負(fù)荷值高達(dá)1 788 A。

2.2 既有供電線載流量不足 既有陽(yáng)安線、寶成線牽引變電所供電線均采用單根LGJ－185鋼芯鋁鉸線，其持續(xù)載流量為530 A，滿足不了5 000 t取流達(dá)800 A左右的需求。寶成線陽(yáng)平關(guān)—廣元區(qū)段由于含有低凈空隧道，接觸網(wǎng)采用簡(jiǎn)單懸掛就成為重載后供電能力最薄弱的區(qū)段。

2.3 既有接觸網(wǎng)主導(dǎo)電回路能力不足 既有錨段關(guān)節(jié)、股道、線岔電聯(lián)接均為單股TRJ－95銅電聯(lián)接線，其載流量為420 A，增噸到5 000 t以后，取流一般達(dá)800 A左右，當(dāng)前的供電能力顯然不足。

2.4 陽(yáng)平關(guān)-廣元段接觸網(wǎng)無(wú)防雷設(shè)施 由于寶成線接觸網(wǎng)原設(shè)計(jì)為全線不設(shè)防雷保護(hù)，以致2010年7月23日大灘站區(qū)連續(xù)降暴雨和雷電時(shí)，軍師廟至大灘間上行線分相絕緣器遭受雷擊燒損，造成本體絕緣水平降低和機(jī)械強(qiáng)度下降，燕子砭和朝天變電所同時(shí)發(fā)生跳閘。當(dāng)K452次運(yùn)行通過(guò)此處分相絕緣器時(shí)，該分相絕緣器在機(jī)車(chē)受電弓壓力和接觸線張力的作用下，造成分相絕緣器斷裂刮壞K452次機(jī)車(chē)受電弓的事故。

2.5 既有變電所容量不足 頻繁的過(guò)負(fù)荷跳閘，導(dǎo)致既有牽引變電所主變壓器容量不足，設(shè)備急需擴(kuò)容。

3 建議措施

3.1 提升導(dǎo)線和承力索載流能力

3.1.1 更換載流性能更好的接觸線 增噸后，接觸線內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間流經(jīng)大電流，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)流過(guò)較大的載流量以后，自然引起導(dǎo)線發(fā)熱，在溫升達(dá)到一定程度時(shí)，導(dǎo)線的材質(zhì)會(huì)軟化，強(qiáng)度會(huì)降低，嚴(yán)重時(shí)，接觸線因溫度影響形成的蠕動(dòng)性伸長(zhǎng)，從而破壞正常的受流。因此，選擇的接觸線材質(zhì)應(yīng)具有較好的耐熱性能，一般要求軟化點(diǎn)在300℃以上，以適應(yīng)較高載流量。

增大接觸線橫截面積，可以有效提高拉斷力和增大載流量，從而相應(yīng)地降低溫升，所以適當(dāng)增加橫截面積是有利的。但是過(guò)大地增大接觸線的橫截面積會(huì)產(chǎn)生2個(gè)負(fù)面效果：一是使接觸線線密度增加，從而降低了波動(dòng)速度，這是極為有害的；二是架設(shè)時(shí)的不均勻性及平直性的危險(xiǎn)增加。

純銅接觸線具有導(dǎo)電性能和施工性能好的優(yōu)點(diǎn)，但是存在抗拉力差、耐磨性能差和高溫易軟化等諸多缺點(diǎn)，無(wú)法適應(yīng)大載流量的要求。載流量與接觸線最高允許工作溫度有關(guān)，為了避免載流量過(guò)大影響機(jī)械強(qiáng)度，所以各國(guó)對(duì)純銅接觸線最高允許工作溫度都作了規(guī)定，如德國(guó)規(guī)定80℃，日本規(guī)定為90℃，俄羅斯規(guī)定為95℃，我國(guó)也規(guī)定為95℃。采用銅合金會(huì)有效地提高其軟化溫度，如純銅接觸線在200℃開(kāi)始明顯軟化，而銅合金接觸線的軟化點(diǎn)都在300℃以上，所以，采用銅合金接觸線是提高載流量的基本措施之一。為此建議將陽(yáng)平關(guān)—廣元簡(jiǎn)單懸掛區(qū)段接觸線，更換為載流性能更好的CTAH-150型高強(qiáng)度銀銅合金接觸線，因其導(dǎo)線溫度150℃時(shí)，載流量為800 A，可以滿足機(jī)車(chē)牽引5 000 t時(shí)取流的需求。

3.1.2 更換承力索和吊弦 將陽(yáng)安線、寶成線陽(yáng)平關(guān)—廣元段非載流承力索更換為載流承力索，并將吊弦更換為整體載流吊弦。其中陽(yáng)安線更換為T(mén)J-150載流承力索，其在環(huán)境溫度35℃、導(dǎo)體工作溫度70℃時(shí)的載流量為510 A；寶成線陽(yáng)平關(guān)—廣元段更換為T(mén)J-95載流承力索，其在環(huán)境溫度35℃、導(dǎo)體工作溫度70℃時(shí)的載流量為380 A。這樣一方面降低接觸網(wǎng)阻抗，為提高短路電流整定值及過(guò)負(fù)荷電流整定值提供條件。和諧號(hào)重載機(jī)車(chē)開(kāi)行后變電所過(guò)電流保護(hù)定值達(dá)到了極點(diǎn)，接近或超過(guò)了接觸網(wǎng)末端短路電流（如安康東2號(hào)饋線，接觸網(wǎng)末端短路電流為940 A，過(guò)負(fù)荷保護(hù)整定到了1 117 A），降低了保護(hù)的靈敏性。另一方面將導(dǎo)線單獨(dú)載流變?yōu)槌辛λ?、?dǎo)線并聯(lián)載流，提高了載流能力。

3.2 提升供電線供電能力

3.2.1 供電線改造 供電線（也叫饋電線）其作用是由牽引變電所或開(kāi)閉所向接觸網(wǎng)傳送電能，供電線的截面大小根據(jù)所通過(guò)電流的大小決定。根據(jù)單股LGJ-185鋼芯鋁鉸線，其在導(dǎo)體工作溫度為90°C時(shí)持續(xù)載流量為530 A，因此建議在增噸5 000 t后電流較大的陽(yáng)安線、寶成線陽(yáng)平關(guān)—廣元區(qū)段的饋線改造為雙股LGJ-185鋼芯鋁鉸線并聯(lián)供電，便可以滿足供電需求。

3.2.2 采用牽引網(wǎng)全并聯(lián)供電方式 將寶成線陽(yáng)平關(guān)—廣元段上下行牽引網(wǎng)全并聯(lián)供電。這種全并聯(lián)供電方式與通常采用上下行接觸網(wǎng)只在供電臂末端并聯(lián)一次的供電方式不同，在同一供電臂上下行接觸網(wǎng)除了在末端分區(qū)所并聯(lián)以外，在中間車(chē)站或區(qū)間隔一定距離實(shí)施一次橫向并聯(lián)，并在變電所內(nèi)設(shè)置故障判別裝置以判斷故障性質(zhì)，將故障跳閘影響范圍減少到最小，可實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)的低阻抗，降低電壓損失、均衡上下行電流，使上下行接觸懸掛截面得到充分利用，解決重空車(chē)方向牽引負(fù)荷極不均衡問(wèn)題。

3.2.3 增設(shè)加強(qiáng)線 在寶成線陽(yáng)平關(guān)—廣元段簡(jiǎn)單懸掛能力不足的燕子砭、朝天牽引變電所首端供電臂增設(shè)LGJQ 240加強(qiáng)線。

3.3 更換主導(dǎo)電回路電聯(lián)接線 將陽(yáng)安線、寶成線陽(yáng)平關(guān)—廣元段錨段關(guān)節(jié)、線岔、股道電聯(lián)接等主導(dǎo)電回路更換為雙股TRJ－95電聯(lián)接線。對(duì)錨段關(guān)節(jié)處所、線岔、股道電聯(lián)接、隔離開(kāi)關(guān)電聯(lián)接等增設(shè)為雙股電聯(lián)接，從而實(shí)現(xiàn)供電能力配套。

3.4 增設(shè)防雷裝置和補(bǔ)裝回流線 建議按照《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，在寶成線陽(yáng)平關(guān)—廣元段分相絕緣器、站場(chǎng)端部絕緣錨段關(guān)節(jié)處、長(zhǎng)度超過(guò)2 000 m長(zhǎng)大隧道兩端以及較長(zhǎng)的供電線連接到接觸網(wǎng)上的接線處裝設(shè)氧化鋅避雷器。對(duì)陽(yáng)安線缺失的回流線、吸上線等進(jìn)行補(bǔ)裝，確保牽引回流暢通。

3.5 牽引變壓器增容改造 牽引變電所既有牽引變壓器的安裝容量已不能滿足運(yùn)輸要求，可采用更換大容量牽引變壓器或更換容量利用率較高接線型式的變壓器。如朝天牽引變電所牽引變壓器增容為31.5MVA，采用YN，d11接線形式不變；漢陰、褒河牽引變電所牽引變壓器均增容為2×（20+20）MVA；城固牽引變電所牽引變壓器增容為2×（12.5+12.5）MVA，采用三相V/V接線形式不變。

3.6 線索更換后引起的設(shè)備改造

3.6.1 接觸網(wǎng)支柱改造 陽(yáng)安線既有接觸網(wǎng)支柱多為3.8 t/m小容量支柱，建議對(duì)陽(yáng)安線、寶成線陽(yáng)平關(guān)—廣元段支柱容量進(jìn)行校核，對(duì)容量不足的橋支柱、更換承力索后負(fù)載增加的支柱、破損嚴(yán)重和狀態(tài)不良的支柱進(jìn)行更換改造。

3.6.2 腕臂支撐裝置更新 將原水平拉桿支撐裝置更新為水平腕臂支撐裝置。由于陽(yáng)安線轉(zhuǎn)換支柱單腕臂為承受雙支懸掛結(jié)構(gòu)，其在溫度變化時(shí)，經(jīng)常發(fā)生非支定位管磨工作支V型拉線，存在嚴(yán)重的設(shè)備質(zhì)量隱患。為此建議，將承力索區(qū)段錨段關(guān)節(jié)處單腕臂更換為雙平斜腕臂結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采取上述接觸網(wǎng)改造和牽引變電所增容等適應(yīng)性改造措施，可以大大提升陽(yáng)安線、寶成線電氣化供電能力，滿足其開(kāi)行和諧號(hào)大功率機(jī)車(chē)5 000 t重載運(yùn)輸?shù)囊?，進(jìn)而提高陽(yáng)安線、寶成線的運(yùn)能、運(yùn)量，保障西南大通道的暢通。