既有電氣化鐵路牽引網(wǎng)電壓損失改善措施研究

邊宏超，劉承志，曹景雷，游先亮，朱 婭

0 引言

近年來(lái)國(guó)內(nèi)高速及重載鐵路發(fā)展迅速，與此同時(shí)，牽引網(wǎng)電壓損失增大的問(wèn)題顯現(xiàn)出來(lái)，一些既有線(xiàn)路也需要擴(kuò)能改造，特別是一些地處山區(qū)的線(xiàn)路末端網(wǎng)壓降低較為嚴(yán)重，甚至低于19 kV，影響機(jī)車(chē)正常運(yùn)行，也限制了繁忙時(shí)期的機(jī)車(chē)密度。采取措施改善網(wǎng)壓水平十分必要，本文對(duì)牽引網(wǎng)電壓損失形成機(jī)理進(jìn)行分析，提出2種改善措施，并結(jié)合實(shí)際利用PSCAD/EMTDC建模進(jìn)行分析。

1 網(wǎng)壓損失介紹

所謂牽引網(wǎng)電壓損失是指變電所牽引側(cè)母線(xiàn)到機(jī)車(chē)取流點(diǎn)的電壓降。牽引網(wǎng)作為多導(dǎo)線(xiàn)懸掛系統(tǒng)總體呈現(xiàn)感性阻抗，因此會(huì)造成網(wǎng)壓損失。由于牽引負(fù)荷變化，網(wǎng)壓也不斷變化，特別在重載緊密運(yùn)行時(shí)網(wǎng)壓降落幅度大。設(shè)U1為牽引側(cè)母線(xiàn)電壓，U2為機(jī)車(chē)取流點(diǎn)電壓，I為牽引網(wǎng)電流。φ為機(jī)車(chē)功率因數(shù)角，即I滯后U2角度為φ，那么電阻造成電壓降IR與I同相，電感造成電壓降IXL則超前90°。網(wǎng)壓損失ΔU就是IR和IXL在U2方向上的分量之和（圖1）。

網(wǎng)壓損失問(wèn)題在南昆線(xiàn)、寶成線(xiàn)及寶蘭線(xiàn)等一些地處山區(qū)的線(xiàn)路均有不同程度存在，特別像南昆線(xiàn)近年來(lái)負(fù)荷持續(xù)增大，問(wèn)題更加顯現(xiàn)。圖2為牽引網(wǎng)電壓實(shí)測(cè)曲線(xiàn)，從測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該時(shí)段 14點(diǎn)57分、15點(diǎn)02分、15點(diǎn)05分、15點(diǎn)21分負(fù)荷較大，網(wǎng)壓明顯降低，最小值僅為19.3 kV?？梢?jiàn)，采取措施提高網(wǎng)壓水平十分必要。

圖1 電壓損失向量圖

圖2 牽引網(wǎng)電壓實(shí)測(cè)曲線(xiàn)圖

2 牽引網(wǎng)電壓水平分析

2.1 牽引供電系統(tǒng)模型

（1）變電所。實(shí)現(xiàn)變壓、變相和向牽引網(wǎng)供電，牽引變壓器是其核心設(shè)備，Scott接線(xiàn)可實(shí)現(xiàn)三相和兩相系統(tǒng)間的對(duì)稱(chēng)變換，使負(fù)序功率降至最低，各繞組相對(duì)匝數(shù)見(jiàn)圖3，原邊BC和AD成倒T形，3個(gè)出線(xiàn)端接入三相電網(wǎng)，這樣原邊三相對(duì)稱(chēng)電壓經(jīng)Scott變壓器，轉(zhuǎn)換為次邊兩相27.5 kV垂直電壓Uα、Uβ。Scott接線(xiàn)建模如圖3所示。

圖3 Scott接線(xiàn)原理及模型圖

（2）接觸網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是具有特定幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜懸鏈系統(tǒng)。帶回流線(xiàn)直接供電系統(tǒng)主要由接觸線(xiàn)，承力索，回流線(xiàn)，鋼軌（2根）構(gòu)成基本骨架，每隔一定距離將鋼軌與回流線(xiàn)相連接。建模重點(diǎn)在于阻抗參數(shù)的計(jì)算，由于各導(dǎo)線(xiàn)間存在特定的耦合關(guān)系，所以不僅與各導(dǎo)線(xiàn)材料、型號(hào)等有關(guān)，還與系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。工程上，通過(guò) Carson理論計(jì)算：?jiǎn)胃鶎?dǎo)線(xiàn)與地回路的等效單位長(zhǎng)自阻抗為

式中，Rε1為導(dǎo)線(xiàn)等效半徑；r1為其有效電阻；Dg為導(dǎo)線(xiàn)—地回路等值深度。

2根導(dǎo)線(xiàn)（設(shè)為1、2）與地回路等值互阻抗為

式中，d12為2根導(dǎo)線(xiàn)間距離。

通常將電氣并聯(lián)導(dǎo)線(xiàn)合并等效成一個(gè)當(dāng)量導(dǎo)線(xiàn)，則該當(dāng)量導(dǎo)線(xiàn)—地回路單位長(zhǎng)等效阻抗為

式中，Rε是該當(dāng)量導(dǎo)線(xiàn)等效半徑。

同一懸掛中接觸線(xiàn)、承力索合并（T），2條鋼軌合并（R）。接觸網(wǎng)呈分布參數(shù)特性，可用分段集中參數(shù)模型來(lái)等效。

（3）機(jī)車(chē)。SS6B型電力機(jī)車(chē)是國(guó)內(nèi)客、貨運(yùn)主力機(jī)車(chē)之一，最高速度 100 km/h，總功率4 800 kW，多機(jī)重聯(lián)時(shí)可擔(dān)當(dāng)重載貨運(yùn)牽引。它采用3段半控橋晶閘管相控整流無(wú)級(jí)調(diào)壓，傳統(tǒng)直流傳動(dòng)方式。SS6B機(jī)車(chē)主電路建模見(jiàn)圖 4，其調(diào)速控制較復(fù)雜，具體可參考文獻(xiàn)[2]。SS6B運(yùn)行時(shí)會(huì)向牽引網(wǎng)注入諧波且含量較為豐富，圖 4給出了50 km/h時(shí)的諧波電流含量，因此需要考慮為降低網(wǎng)損而采取的措施對(duì)牽引網(wǎng)諧波特性造成的變化。

圖4 SS6B主電路建模及50 km/h時(shí)諧波含量圖

2.2 阻抗測(cè)算

由ΔU=IRcosφ+IXsinφ=I(Rcosφ+Xsinφ)，記z=rcosφ + xsinφ為牽引網(wǎng)等效單位阻抗。供電臂長(zhǎng)L= 35 km，阻抗z= 0.339 Ω/km，供電臂下放2臺(tái)SS6B（15 km、25 km各1臺(tái)），以持續(xù)50 km/h速度運(yùn)行，每臺(tái)I= 430 A（SS6B雙機(jī)牽引）。

牽引網(wǎng)壓損：

ΔUl= z×2I×15 + z×I×10 = 583.1V

變壓器造成壓損：主變壓器容量63 MV·A，阻抗電壓百分?jǐn)?shù)10.5，則

由圖3知Scott變壓器可等效為2個(gè)單相變壓器，對(duì)單相接線(xiàn)變壓器壓損為

ΔUT=XTsinφ(I1+I2)，I1、I2為負(fù)荷。

ΔUT=XTsinφ(I1+I2) = 2.520 8×0.435 9×(860 + 860) = 1 890 V

110 kV系統(tǒng)造成壓損：

電力系統(tǒng)造成壓損：

ΔUS= 0.415XS(I1+I2) = 1 080 V

由此，供電臂末端電壓：

Umin=U0- ΔUS-ΔUT- ΔUl= 18.699 kV，該值低于19 kV，需要采取措施來(lái)提高網(wǎng)壓水平。仿真測(cè)量母線(xiàn)電壓為24.939 kV，末端電壓18.911 kV，圖5為母線(xiàn)和牽引網(wǎng)末端測(cè)量波形。

圖5 母線(xiàn)電壓與末端網(wǎng)壓波形圖

3 牽引網(wǎng)電壓水平的改善方案

提高網(wǎng)壓的方法：a.改用AT供電方式以適應(yīng)高速和重載，但成本高施工量大；b.采用有載調(diào)壓牽引變壓器，其缺點(diǎn)是對(duì)反應(yīng)速度要求較高，一旦反應(yīng)慢于最大負(fù)荷突然消失速度時(shí)，牽引網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓危及絕緣配合，而且調(diào)壓范圍還受到母線(xiàn)最高允許電壓限制；c.在2座變電所間中性處增建附加變電所，毫無(wú)疑問(wèn)，該方法費(fèi)用高昂；d.改用阻抗較小的銅合金載流承力索，這需要拆除原有接觸懸掛重新安裝。綜合來(lái)看，對(duì)既有牽引網(wǎng)增設(shè)加強(qiáng)導(dǎo)線(xiàn)，和采用串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置具有技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)性、易于施工的特點(diǎn)。

3.1 增設(shè)加強(qiáng)導(dǎo)線(xiàn)改善網(wǎng)壓

當(dāng)牽引負(fù)荷一定時(shí)，牽引網(wǎng)壓損與牽引網(wǎng)阻抗成正比，采用加強(qiáng)導(dǎo)線(xiàn)可以降低牽引網(wǎng)阻抗，對(duì)接觸線(xiàn)起到分流作用。在一些特殊情況下（如山區(qū)地段）增設(shè)加強(qiáng)導(dǎo)線(xiàn)是行之有效的方法。增設(shè)加強(qiáng)導(dǎo)線(xiàn)（采用 LJ-185型絞線(xiàn)）的牽引網(wǎng)模型圖略，其仿真測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

增設(shè)加強(qiáng)線(xiàn)后，牽引網(wǎng)的末端電壓抬高了ΔUmin= 1 738.8V，末端電壓損失降低了約27.8%。增設(shè)加強(qiáng)線(xiàn)前后牽引網(wǎng)的諧波特性見(jiàn)圖6。

圖6 增設(shè)加強(qiáng)線(xiàn)前后的諧波特性圖

3.2 串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置（SCC）

帶串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置（下文簡(jiǎn)稱(chēng)串補(bǔ)）牽引網(wǎng)等值電路如圖7所示。

圖7 補(bǔ)償示意圖

補(bǔ)償前牽引網(wǎng)壓損為

補(bǔ)償后牽引網(wǎng)壓損為

由式（5）、式（6），可得負(fù)荷電流通過(guò)串聯(lián)電容器時(shí)的壓損：

ΔUC為負(fù)值表明壓損減小，改善效果與取流大小及功率因數(shù)有關(guān)，且|ΔUC|與負(fù)荷電流成正比，相當(dāng)于根據(jù)負(fù)荷的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)網(wǎng)壓。

串補(bǔ)容量由補(bǔ)償電壓所需的容抗及通過(guò)的電流值來(lái)決定：

式中，ΔUC為需補(bǔ)償?shù)膲簱p；Imax為饋線(xiàn)最大電流。

注意，XC須小于牽引網(wǎng)阻抗XL與變壓器阻抗XT之和，避免系統(tǒng)發(fā)生諧振：

XL=Z×L= 0.339×35 = 11.865(Ω)

即應(yīng)有XC＜11.865 + 2.521 = 14.386(Ω)

已知饋線(xiàn)Im= 1 280 A，電容器元件參數(shù)：

UCN=1 000 V，ICN= 100 A，XCN= 10 Ω，

Umin= 18.91 kV，需要補(bǔ)償電壓2 000 V，則所需容抗

XC= ΔUC/Imaxsinφ= 2 000/ (1 280×0.435 9)= 3.585(Ω)〈〈14.386(Ω)

所以，ΔUC= 2 000 V時(shí)不會(huì)產(chǎn)生諧振。

并聯(lián)支路數(shù)m=Imax/ICN= 1 280 / 100 = 12.8

每個(gè)并聯(lián)支路中串聯(lián)電容器數(shù)

n=mXC/XCN= (12.8×3.585) / 10 = 4.6

取m= 13，n= 5，電容器組為13并5串，則實(shí)際容量QC和實(shí)際容抗CX′為

實(shí)際補(bǔ)償?shù)膲簱p為

滿(mǎn)足補(bǔ)償要求。

圖8是串聯(lián)電容器組接線(xiàn)圖。故障時(shí)放電間隙FJ擊穿避免電容器組承受過(guò)電壓，一旦通過(guò)電流互感器TA的電流超過(guò)整定值，則保護(hù)裝置動(dòng)作，斷路器D合閘將電容器組短接，放電間隙熄滅，R和L在故障時(shí)構(gòu)成放電回路。

測(cè)量數(shù)據(jù)及網(wǎng)壓水平改善效果對(duì)比見(jiàn)表 2和圖9。

表2 測(cè)量數(shù)據(jù)比較表

圖8 串補(bǔ)裝置主接線(xiàn)圖

可見(jiàn)，變電所加裝串補(bǔ)后，饋電線(xiàn)電壓抬高了ΔUkmin= 2 125 V，牽引網(wǎng)末端電壓抬高了ΔUmin=20.852 1– 18.911 = 1.941 1 kV = 1 941.1 V。圖10為加裝串補(bǔ)后母線(xiàn)諧波特性，與圖6進(jìn)行比較可知，串補(bǔ)并未明顯改變?cè)瓲恳W(wǎng)諧波特性。

圖9 補(bǔ)償后母線(xiàn)電壓與末端網(wǎng)壓波形圖

圖10 補(bǔ)償后的諧波特性圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在接觸懸掛系統(tǒng)增設(shè)加強(qiáng)導(dǎo)線(xiàn)對(duì)接觸線(xiàn)電流進(jìn)行分流，降低牽引網(wǎng)阻抗；采用串補(bǔ)，利用容抗來(lái)補(bǔ)償主變壓器和接觸網(wǎng)感抗造成的壓損，可有效改善網(wǎng)壓水平。在重載區(qū)段，特別是一些地處山區(qū)的線(xiàn)路或機(jī)車(chē)密度較大的繁忙線(xiàn)路，可以考慮兩者配合使用。仿真結(jié)果表明在既有線(xiàn)路改造中合理應(yīng)用該技術(shù)，可以達(dá)到預(yù)期改善網(wǎng)壓作用，且成本相對(duì)較低，易于施工。

[1]李群湛，賀建閩.牽引供電系統(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學(xué)，2007.

[2]劉友梅.韶山 6B型電力機(jī)車(chē)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

[3]李群湛.電氣化鐵道綜合補(bǔ)償技術(shù)[M].成都：西南交通大學(xué)，2009.