交直交機車應(yīng)用對牽引供電系統(tǒng)的新要求

陳 敏

0 引言

大秦線開行的2萬噸列車由交直交型機車（包括 HXD1、HXD2型號）牽引，萬噸組合列車仍采用SS4型機車牽引，2類機車在牽引功率、功率因數(shù)和制動方式等方面存在較大差異，對牽引供電系統(tǒng)的供電能力提出更高要求。

現(xiàn)場測試表明，在長大下坡區(qū)段，機車再生制動向系統(tǒng)反饋電能，接觸網(wǎng)電壓多處抬升至31 kV以上，導(dǎo)致電制動功率下降甚至封鎖；在供電臂較長、負(fù)荷集中區(qū)段，接觸網(wǎng)最低電壓降至16.4 kV，導(dǎo)致中途停車。

結(jié)合大秦線年運量4億噸運輸目標(biāo)，從牽引供電仿真模擬、適用供電方案等方面進(jìn)行研究，提出相應(yīng)的解決措施，以提高牽引供電系統(tǒng)的供電能力和供電質(zhì)量，滿足大秦線運量大幅度增長需要。

1 交直交機車對牽引網(wǎng)電壓的要求

HXD1、HXD2型機車分別是從西門子和阿爾斯通公司引進(jìn)的大功率交流傳動電力機車，SS4、HXD2機車主要性能參數(shù)如表1所示。

由表1見，同SS4型電力機車相比，交直交型電力機車具有以下特點：主整流器采用交直交IGBT逆變，功率因數(shù)高，牽引、制動功率大；電制動為再生制動方式，機車上無電阻，再生電能全部回饋至牽引供電系統(tǒng)；對供電電壓質(zhì)量要求高，當(dāng)機車電壓低于17.5 kV或高于31 kV時，電壓保護(hù)裝置動作，機車功率降至0，在大秦線實際運用中，接觸網(wǎng)電壓過高或過低都會造成機車牽引封鎖。牽引供電系統(tǒng)必須適應(yīng)交直交機車的上述特點。

表1 SS4、HXD1、HXD2機車主要性能參數(shù)表

HXD1、HXD2機車的功率發(fā)揮與網(wǎng)壓的關(guān)系分別見圖1和圖2。

圖1 HXD1機車功率/網(wǎng)壓限制曲線圖

圖2 HXD2機車功率/網(wǎng)壓限制曲線圖

從圖1可以看出，HXD1機車正常工作網(wǎng)壓范圍為22.5～30 kV。網(wǎng)壓22.5～19 kV，機車功率從100%線性下降到84%；網(wǎng)壓19～17.5kV，機車功率從84%線性下降為0；網(wǎng)壓30～31 kV，機車功率從100%線性下降為0。

從圖2可以看出，HXD2機車正常工作網(wǎng)壓范圍為25～30 kV。網(wǎng)壓25～17.5 kV，機車功率從100%線性下降到64%；網(wǎng)壓低于17.5 kV，機車功率為0；網(wǎng)壓30～31 kV，機車功率從100%線性下降為64%；網(wǎng)壓高于31 kV，機車功率為0。

機車功率不同引起的需求可通過調(diào)整牽引變壓器配套開關(guān)及接觸網(wǎng)設(shè)備的容量來解決；因此，下面將重點研究如何改善接觸網(wǎng)電壓質(zhì)量的問題。

2 大秦線接觸網(wǎng)電壓水平分析

按大秦線年運量 4億噸運輸組織計劃及調(diào)整后的牽引供電設(shè)施分布，采用動態(tài)模擬及靜態(tài)分析相結(jié)合的方法，對全線各供電臂接觸網(wǎng)最高及最低電壓進(jìn)行校核，結(jié)果如下。

2.1 接觸網(wǎng)最高電壓

經(jīng)對全線各牽引變電所進(jìn)行模擬計算，受機車再生電能回饋影響，導(dǎo)致接觸網(wǎng)電壓抬升超過30 kV的牽引變電所如表2所示。

為保證分析結(jié)論的全面性，對上述牽引變電所，結(jié)合線路坡道情況，另采用靜態(tài)計算的方法，在不考慮再生能量被相鄰機車吸收利用的情況下，進(jìn)一步校核網(wǎng)壓抬升情況。結(jié)果如表2所示。

表2 接觸網(wǎng)最高電壓校核結(jié)果表

接觸網(wǎng)電壓抬升大小主要與牽引變電所外部電源短路容量、牽引變壓器容量、供電范圍內(nèi)線路坡度、列車位置及其再生電流大小有關(guān)。從表2可以看出，再生制動回饋電能導(dǎo)致網(wǎng)壓抬升，機車運行存在隱患的區(qū)段主要集中在重車方向持續(xù)長大下坡的區(qū)段，分別為K137～K196和K275～K327，相關(guān)牽引變電所為永安堡、東城鄉(xiāng)、涿鹿、沙城東和下莊，接觸網(wǎng)電壓抬升最大為3 kV。

2.2 接觸網(wǎng)最低電壓

電氣化鐵路接觸網(wǎng)電壓水平受電力系統(tǒng)電壓損失、牽引變壓器電壓損失和牽引網(wǎng)電壓損失三方面的制約。經(jīng)校核，永安堡、東城鄉(xiāng)、沙城東及撫寧北牽引變電所供電范圍內(nèi)，接觸網(wǎng)最低電壓為20 kV，雖滿足鐵標(biāo)要求，但供電質(zhì)量不高，具體如表 3所示；其余供電臂接觸網(wǎng)最低電壓均可達(dá)21 kV以上，滿足要求。

表3 接觸網(wǎng)最低電壓校核結(jié)果表

3 改善接觸網(wǎng)電壓水平的措施

3.1 永安堡和沙城東等牽引變電所

4億噸擴能改造中，永安堡、沙城東、下莊和撫寧北牽引變電所變壓器需增容，設(shè)備重新采購，可采用裝設(shè)有載自動調(diào)壓牽引變壓器的方案，解決接觸網(wǎng)電壓偏高和偏低問題。

大秦線地處山區(qū)，外部電源極其薄弱，據(jù)調(diào)查，除木林和遷西牽引變電所外，110 kV側(cè)進(jìn)線供電電壓正負(fù)偏差絕對值之和均超出國標(biāo)規(guī)定的 10%的要求，最高達(dá)30%，導(dǎo)致接觸網(wǎng)最低電壓多次低至16 kV（鐵標(biāo)中規(guī)定正常運行情況下機車受電弓電壓不低于 20 kV）。外部電源供電能力加強工程勢在必行，但受諸多因素限制，短期內(nèi)無法實現(xiàn)。因此，在有載分接開關(guān)選擇時，通過合理確定電壓調(diào)整范圍，確保牽引變電所 110 kV進(jìn)線電壓在90～121 kV間波動時，牽引變壓器低壓側(cè)輸出電壓均為55 kV。有載自動調(diào)壓牽引變壓器由牽引變壓器本體、有載分接開關(guān)、電動機構(gòu)及其自動控制器組成。對于大秦線的斯柯特結(jié)線變壓器，在低壓側(cè)T座、M座各裝設(shè)1臺有載分接開關(guān)，T座、M座電壓可分別獨立調(diào)整。

迄今為止，國內(nèi)外使用的油浸式有載分接開關(guān)，其油室內(nèi)的油絕大多數(shù)既是分接開關(guān)的絕緣介質(zhì)，又是切換過程中主通斷觸頭及過渡觸頭電弧熄滅的介質(zhì)，同時兼作機械傳動部分的潤滑劑和觸頭與導(dǎo)電部件的冷卻介質(zhì)，因此也可稱作油中熄弧的有載分接開關(guān)。該開關(guān)在運行中油的碳化不可避免，隨著操作次數(shù)的增加，油中的碳化物不斷增多。油中熄弧的有載分接開關(guān)使用在除了中性點調(diào)壓之外的其他部位上時，不得不添加輔助設(shè)備—在線濾油裝置以保證油的絕緣性能并減少油中碳粒。

目前，油浸式真空熄弧有載分接開關(guān)研制成功，用真空管替代電弧觸頭，絕緣油僅為開關(guān)的絕緣介質(zhì)，在長時間的運行中始終保證油的良好絕緣性能及良好機械潤滑性能。這樣，不管分接開關(guān)用于何種場合，維護(hù)工作量均很小，可使運行成本降到最低。大秦線牽引變壓器采用了該種開關(guān)，并已投入運行，實際運行效果很好。

3.2 東城鄉(xiāng)牽引變電所

4億噸擴能改造工程中，東城鄉(xiāng)牽引變電所內(nèi)變壓器不需增容，設(shè)備也不必更換。

該所僅需加強機車上和牽引變電所內(nèi)監(jiān)測，若出現(xiàn)接觸網(wǎng)電壓抬升，擾亂運輸秩序的問題，可采取將牽引變電所高壓側(cè)分接開關(guān)分接位置由 3位調(diào)至2位或1位的方法解決。

對于網(wǎng)壓偏低的問題，結(jié)合東城鄉(xiāng)牽引變電所電能質(zhì)量綜合治理工程，在牽引變電所55 kV側(cè)T座和M座母線上各裝設(shè)1套TCR（并聯(lián)可調(diào)電抗器）及3次、5次單調(diào)諧濾波裝置，可將牽引變電所高壓側(cè)功率因數(shù)提高至0.95，電力系統(tǒng)和牽引變壓器上的電壓損失也相應(yīng)減少約1.5 kV，使得接觸網(wǎng)末端最低電壓提高至21 kV以上。

3.3 涿鹿?fàn)恳冸娝?/h3>

4億噸擴能改造工程中，涿鹿?fàn)恳冸娝鶅?nèi)變壓器不需增容，設(shè)備也不需更換。因此，涿鹿?fàn)恳冸娝瑯有杓訌姍C車上和牽引變電所內(nèi)監(jiān)測，適時調(diào)整牽引變壓器高壓側(cè)分接開關(guān)分接位置，穩(wěn)定接觸網(wǎng)電壓。

4 結(jié)語

目前，有載調(diào)壓牽引變壓器已投入使用，實際運行效果很好。牽引變壓器采用有載調(diào)壓方式，可作為外部電源薄弱地區(qū)，提高接觸網(wǎng)電壓質(zhì)量的有效措施之一，供其他電氣化鐵路參考。

[1]繆耀珊，曹東白.電氣化鐵道設(shè)計手冊 牽引供電系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，1998.

[2]Kie?ling, Puschmann, Schmieder.電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M].中鐵電氣化局集團(tuán)譯.北京：中國電力出版社，2004.

[3]賀威俊，簡克良.電氣化鐵道供變電工程[M].北京：中國鐵道出版社，1983.