牽引供電系統(tǒng)用移動(dòng)式串聯(lián)電容補(bǔ)償方案探討

李良威，鄧云川，嚴(yán) 希

0 引言

隨著電氣化鐵路在西南山區(qū)的大規(guī)模建設(shè)，形成了具有自身典型特色的山區(qū)電氣化鐵路，其特有的地理位置、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素決定了其具有與其他平原地區(qū)鐵路不同的特點(diǎn)：線路坡度往往較大，且通常為一面坡，為保證列車在大坡道區(qū)段具有足夠的牽引力，需采用多機(jī)牽引，多機(jī)牽引瞬時(shí)功率很大，加之目前山區(qū)電氣化鐵路大量使用交-直SS系列機(jī)車，功率因數(shù)較低，其牽引電流甚至高于250～300 km/h高速列車，導(dǎo)致牽引網(wǎng)及變壓器上壓損嚴(yán)重；同時(shí)山區(qū)電氣化鐵路所經(jīng)地區(qū)大多經(jīng)濟(jì)不很發(fā)達(dá)，電網(wǎng)較為薄弱，采用110 kV外部電源供電，在機(jī)車的瞬時(shí)功率沖擊下致使?fàn)恳冸娝邏合到y(tǒng)側(cè)壓損嚴(yán)重。電壓過(guò)低導(dǎo)致機(jī)車運(yùn)行相當(dāng)困難，甚至出現(xiàn)運(yùn)緩、坡停、跳閘等情況，危及行車安全。尤其是在越區(qū)供電時(shí)，往往難以滿足規(guī)范要求的最低電壓19 kV的機(jī)車運(yùn)行條件，如何采取既合理又節(jié)省投資的措施解決電壓水平問題是山區(qū)電氣化鐵道設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

本文以典型山區(qū)鐵路麗江—香格里拉鐵路為例，針對(duì)其在開行貨車且進(jìn)行越區(qū)供電時(shí)接觸網(wǎng)最低電壓低于規(guī)范要求的19 kV，提出了區(qū)間移動(dòng)式串聯(lián)電容補(bǔ)償方案，該方案可以提高接觸網(wǎng)末端電壓水平，保障牽引供電系統(tǒng)越區(qū)時(shí)的運(yùn)輸要求，且較為經(jīng)濟(jì)合理。

1 麗香鐵路設(shè)計(jì)情況

1.1 線路概況

麗江—香格里拉鐵路位于云南省西北部，自大理至麗江鐵路麗江站引出，向北跨越金沙江、經(jīng)小中甸至香格里拉，正線全長(zhǎng) 140 km。線路連接在建的大理至麗江鐵路，并通過(guò)該鐵路和廣大鐵路與成昆鐵路相連。

麗香鐵路是國(guó)內(nèi)中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃中西部路網(wǎng)的重要組成部分，是國(guó)內(nèi)第二條進(jìn)藏鐵路滇藏鐵路中云南段的一部分。它的建設(shè)，對(duì)改善滇西北地區(qū)交通運(yùn)輸狀況，優(yōu)化區(qū)域間資源配置，推動(dòng)旅游、水電、礦產(chǎn)等資源的深度開發(fā)，維護(hù)藏區(qū)穩(wěn)定，促進(jìn)滇西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展具有十分重要的意義。

麗香鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 麗香鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)表

1.2 牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況

根據(jù)該線主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、線路平縱斷面條件、車站布置、機(jī)車類型、行車組織等情況，并結(jié)合相鄰線牽引供電設(shè)施方案，牽引供電系統(tǒng)采用帶回流線的直接供電方式，在拉市海、新尚、螺絲灣、萬(wàn)拉木、小中甸、香格里拉設(shè)置牽引變電所，外部電源采用110 kV電壓等級(jí)，在設(shè)置新尚、小中甸、香格里拉接觸網(wǎng)工區(qū)，牽引供電方案示意圖如圖1所示。

圖1 牽引供電方案示意圖

2 電壓補(bǔ)償方案

2.1 負(fù)荷特征分析

麗香鐵路線路坡度達(dá)到 30‰，大部分區(qū)段拉市海至小中甸段均為一面坡，全線貨車采用 SS3B雙節(jié)雙機(jī)牽引3 000 t，機(jī)車功率達(dá)19 200 kW，瞬時(shí)電流最大值達(dá)950 A，功率因數(shù)低，為0.8左右，外部電源采用110 kV電壓等級(jí)供電，系統(tǒng)短路容量小。按照TB/T1652-1996《牽引供電系統(tǒng)電壓損失的計(jì)算條件和方法》，牽引變電所分布方案能夠滿足正常情況下牽引網(wǎng)電壓水平，但是，當(dāng)某一牽引變電所故障退出運(yùn)行，由相鄰牽引變電所越區(qū)供電時(shí)，僅滿足開行客車需求，當(dāng)開行貨車時(shí)，接觸網(wǎng)最低電壓僅為15.34 kV，詳見表2。該表顯示，貨車越區(qū)供電能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)規(guī)范要求的最低電壓19 kV的要求；為此需要考慮設(shè)置加強(qiáng)措施補(bǔ)償接觸網(wǎng)電壓水平。

表2 貨車越區(qū)供電能力表

2.2 電壓補(bǔ)償方案分析

電壓補(bǔ)償可采用的措施有安裝加強(qiáng)線、低阻抗?fàn)恳儔浩?、?dòng)態(tài)功率補(bǔ)償裝置、串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置以及增壓變壓器等，其中加強(qiáng)線和低阻抗?fàn)恳儔浩鞯难a(bǔ)償效果有限，且設(shè)置加強(qiáng)線易增加隧道工程量，工程實(shí)施難度較大；動(dòng)態(tài)功率補(bǔ)償理論上可通過(guò)補(bǔ)償無(wú)功功率穩(wěn)定母線電壓，但效果受電力系統(tǒng)短路容量和機(jī)車功率因數(shù)影響很大，且投資大、運(yùn)營(yíng)檢修時(shí)間長(zhǎng)；增壓變壓器可直接提高接觸網(wǎng)電壓，但由于電鐵負(fù)荷波動(dòng)頻繁，對(duì)機(jī)械開關(guān)壽命要求高和運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量大；串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置是一種靜態(tài)補(bǔ)償設(shè)備，能隨負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)節(jié)接觸網(wǎng)電壓，且投資低廉、維護(hù)費(fèi)用低，是一種較為理想的補(bǔ)償措施。

目前，應(yīng)用于電氣化鐵道牽引網(wǎng)上的串聯(lián)電容補(bǔ)償一般有2種方式：串接在牽引變電所供電臂首端（所內(nèi)串補(bǔ)）和串接在供電臂中間（區(qū)間串補(bǔ)）。串聯(lián)電容器容抗一般要求不大于110 kV母線至串聯(lián)電容裝置間的總歸算電抗值，以免回路對(duì)系統(tǒng)呈現(xiàn)容性，導(dǎo)致諧振放大，一般情況下對(duì)電壓的補(bǔ)償效果區(qū)間串補(bǔ)裝置要大于所內(nèi)串補(bǔ)裝置。

3 移動(dòng)式串聯(lián)補(bǔ)償方案

3.1 方案設(shè)置

麗香鐵路拉市海至小中甸段，僅在越區(qū)供電時(shí)需要串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置投入，如果設(shè)置在牽引變電所，則需要設(shè)置8臺(tái)串補(bǔ)裝置；如果設(shè)置在供電臂中部區(qū)間，則需要設(shè)置8臺(tái)串補(bǔ)裝置；如果設(shè)置在供電臂末端分相處，則需要設(shè)置4臺(tái)串補(bǔ)裝置；這3種方式均為固定式補(bǔ)償裝置，但針對(duì)該線負(fù)荷特征，僅在越區(qū)供電時(shí)需要投入運(yùn)行，且牽引變電所故障退出運(yùn)行為小概率事件，如按常規(guī)設(shè)置固定串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置，則裝置可能長(zhǎng)期處于不工作狀態(tài)，電器設(shè)備長(zhǎng)期閑置于惡劣的高原環(huán)境，運(yùn)行壽命和可靠性將大大降低，同時(shí)，為保證每個(gè)牽引變電所越區(qū)供電時(shí)的電壓水平，需要在各牽引變電所的供電臂末端均設(shè)置固定式串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置，投資較大，此外，設(shè)備固定設(shè)置于沿線，增加了運(yùn)營(yíng)維護(hù)的難度和工作量。為此提出了移動(dòng)式串聯(lián)電容補(bǔ)償方案，移動(dòng)式串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置可以在每一定的供電范圍內(nèi)（約60 km左右）即每個(gè)接觸網(wǎng)工區(qū)設(shè)置1臺(tái)，而不是在每個(gè)供電臂都設(shè)置1臺(tái)，這樣可以大大節(jié)省投資，減少維護(hù)量；因此該線可以考慮在新尚、小中甸接觸網(wǎng)工區(qū)各設(shè)置1臺(tái)，全線總共設(shè)置2臺(tái)串補(bǔ)裝置。

3.2 裝置原理

移動(dòng)式串聯(lián)補(bǔ)償裝置，利用傳統(tǒng)串補(bǔ)設(shè)備，串聯(lián)電容是一個(gè)集中電容性元件，串接在供電臂首端或供電臂中間，產(chǎn)生的電壓降直接與接觸網(wǎng)中感抗產(chǎn)生的電壓降相抵消，從而減小接觸網(wǎng)電壓損失，提高接觸網(wǎng)末端電壓水平；在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，將該套裝置集成為一體，合理布局，增設(shè)接口設(shè)備，通過(guò)接觸網(wǎng)工區(qū)的平板車快速的運(yùn)輸?shù)街付ǖ牡攸c(diǎn)，達(dá)到減少電壓損失，提高接觸網(wǎng)末端電壓，滿足運(yùn)輸組織的需求。裝置包括：集合式電容器C、串補(bǔ)旁路隔離開關(guān)1QS、串補(bǔ)進(jìn)出線雙極隔離開關(guān)2QS、串補(bǔ)旁路斷路器QF、放電間隙FJ、旁路開關(guān) S、阻尼電抗器 L、饋線電壓互感器 TV、避雷器1F/2F。其主接線原理示意圖和平面示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 主接線原理示意圖

圖3 串補(bǔ)裝置平面示意圖

3.3 運(yùn)輸及接口技術(shù)

移動(dòng)式串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置放置于接觸網(wǎng)工區(qū)內(nèi)，現(xiàn)行的接觸網(wǎng)工區(qū)管轄范圍在60 km左右（半徑30 km），牽引供電系統(tǒng)用移動(dòng)式串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置平常放置于工區(qū)內(nèi)，當(dāng)需要時(shí)，由接觸網(wǎng)作業(yè)車牽引平板車，按接觸網(wǎng)作業(yè)車平均速度80 km/h，2個(gè)牽引變電所間距一般不超過(guò)40 km計(jì)算，可在0.5 h內(nèi)運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)，滿足現(xiàn)場(chǎng)快速投運(yùn)、保證運(yùn)輸?shù)男枰Ｆ綍r(shí)，移動(dòng)式串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置和軌道平板車停靠于供電工區(qū)內(nèi)，便于設(shè)備保養(yǎng)、維護(hù)，一旦有牽引變電所故障、退出運(yùn)行時(shí)，載有該移動(dòng)式串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置的軌道平板車可迅速行駛到相應(yīng)車站，?？空揪€，并在供電臂末端接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)處串聯(lián)接入、投入運(yùn)行，保證越區(qū)供電時(shí)列車運(yùn)行的電壓水平，在故障牽引變電所消除故障、投入運(yùn)行前，將該移動(dòng)式串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置與接觸網(wǎng)的連接撤除，恢復(fù)原正常供電狀態(tài)。

接觸網(wǎng)作業(yè)車的移動(dòng)平臺(tái)尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為（13 980～16 480）mm×2 866 mm×1 484 mm，載重 30 t；金屬箱體尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為7 000 mm×2 000 mm×3 000 mm，自重1.5 t；根據(jù)鐵路規(guī)定基本貨物的裝載限界，能夠滿足移動(dòng)式串補(bǔ)裝置采用平板車運(yùn)輸?shù)男枰?/p>

移動(dòng)式串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置所有設(shè)備整合為一體，實(shí)現(xiàn)緊湊化設(shè)計(jì)，合理布局，采用一個(gè)專用箱體，方便移動(dòng)和掛接，可以采用吊機(jī)整體移動(dòng)到平板車上，方便運(yùn)輸；同時(shí)在越區(qū)供電需要設(shè)置移動(dòng)式串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置的地方提前做好場(chǎng)坪和基礎(chǔ)，并采用簡(jiǎn)潔、安全、可靠的電纜接口設(shè)備，可快速的串接到接觸網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式串補(bǔ)裝置的功能。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)典型山區(qū)電氣化鐵路麗香鐵路的負(fù)荷特征分析，提出了區(qū)間移動(dòng)式串聯(lián)電容補(bǔ)償方案，既解決了牽引供電系統(tǒng)越區(qū)供電的電壓水平問題，也避免了在每個(gè)牽引變電所供電臂末端均設(shè)置固定串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置，節(jié)省了相關(guān)費(fèi)用，同時(shí)，也解決了設(shè)備的保養(yǎng)、維護(hù)問題。

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