牽引變電所變壓器增容容量的驗證分析

許 冰，袁立忠

0 引言

京哈鐵路（北京至秦皇島段）由于運(yùn)量的增加及行車組織方式的變化，特別是自2008 年始開行大量重聯(lián)動車組和重載鐵路運(yùn)輸，使得電力機(jī)車通過接觸網(wǎng)取流增大，牽引變電所負(fù)荷急劇增加，頻繁發(fā)生變電所內(nèi)主變壓器過負(fù)荷保護(hù)動作跳閘，線路停電現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了鐵路運(yùn)輸秩序，浪費(fèi)了鐵路企業(yè)人力物力。

北京至秦皇島段鐵路運(yùn)輸量的增長幅度較大，既有牽引供電設(shè)備設(shè)計能力已不能滿足當(dāng)前運(yùn)輸需求，原牽引網(wǎng)設(shè)計載流能力不能滿足目前運(yùn)輸狀況，為防止?fàn)恳冸娫O(shè)備過負(fù)荷故障，保證鐵路正常運(yùn)輸秩序，必須對牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)能改造。

1 京哈鐵路牽引供電系統(tǒng)擴(kuò)能改造狀況

京哈鐵路于2008—2009 年實施了所內(nèi)變壓器更換為較大額定容量變壓器，牽引網(wǎng)進(jìn)行相應(yīng)配套升級的增容改造方案，該段300 km 電氣化鐵路分三段（北京至燕郊、燕郊至狼窩鋪、狼窩鋪至秦皇島）在不同的年代建成，其設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和牽引供電能力均不同，其中北京至燕郊段牽引網(wǎng)采用直供加回流線供電方式，建有雙橋牽引變電所，所內(nèi)牽引變壓器額定容量由2×25 MV·A 增容至2×31.5 MV·A；燕郊至狼窩鋪段采用AT 供電方式，建有薊縣南、狼窩鋪2 座牽引變電所，所內(nèi)牽引變壓器額定容量由2×40 MV·A 增容至2×63 MV·A；狼窩鋪至秦皇島段牽引網(wǎng)采用直供加回流線供電方式，建有馬柳、昌黎2 座牽引變電所，所內(nèi)牽引變壓器額定容量由2×25 MV·A 單相變壓器增容至2×31.5 MV·A。

牽引變電所變壓器容量增容后，饋線斷路器、隔離開關(guān)、母線等設(shè)備容量也相應(yīng)升級，并在設(shè)備增容基礎(chǔ)上改造所內(nèi)配套繼電保護(hù)系統(tǒng)，對牽引網(wǎng)載流能力進(jìn)行了相應(yīng)提升，以滿足運(yùn)量增加要求。

根據(jù)變電所供電臂長度和線路通過列車參數(shù)，本文對直供加回流區(qū)段變電所單相變壓器的增容容量進(jìn)行驗證。

2 牽引變壓器額定容量確定依據(jù)

2.1 額定容量確定步驟

牽引變壓器額定容量確定分3 個步驟：

（1）按照鐵道部規(guī)定年運(yùn)量大小和行車組織要求，根據(jù)線路通過機(jī)車的運(yùn)行參數(shù)和行車密度，進(jìn)行牽引計算，計算饋線電流的平均電流、有效電流，確定變壓器的計算容量。

（2）根據(jù)機(jī)車緊密運(yùn)行情況下，2 個方向供電臂最大電流、有效電流，確定變壓器最大負(fù)荷；充分考慮變壓器的過載能力，計算其校核容量。

（3）對比計算容量與校核容量，選擇兩者較大者，并根據(jù)實際變壓器系列產(chǎn)品的規(guī)格確定變壓器額定容量。

2.2 容量確定計算公式

對于單相接線變壓器，其計算容量如式（1）：

式中，S 為所內(nèi)變壓器計算容量，kV·A，∑Iε為牽引變電所母線有效電流；U 為牽引變電所牽引母線額定電壓，取27.5 kV。

當(dāng)存在2 個供電臂時：

式中，Iεα為一供電臂有效電流，Ipα為其平均電流；Iεβ為另一供電臂有效電流，Ipβ為其平均電流。

2.3 容量確定校核公式

單相接線變壓器最大負(fù)荷為

式中，Smax為最大負(fù)荷，kV·A；Iα,max為重負(fù)荷供電臂最大電流；Iεβ為輕負(fù)荷供電臂有效電流；U 為牽引變電所牽引母線額定電壓，取27.5 kV。

根據(jù)牽引變壓器過負(fù)荷能力規(guī)定，考慮充分利用牽引變壓器過負(fù)荷能力，北京至秦皇島段牽引變電所過負(fù)荷能力按2.0 倍校核。

式中，S校為變壓器校核容量；K 為過負(fù)荷倍數(shù)，取2.0。

2.4 額定容量確定

當(dāng)變壓器計算容量與校核容量確定后，選擇兩者中較大者，并按照既有牽引變壓器系列產(chǎn)品和備用方式，確定最后額定容量的大小。

2.5 變電所饋線電流確定公式

在牽引計算中，饋線電流是確定牽引供電設(shè)備（如變電所中電源進(jìn)線、變壓器、饋線斷路器、接觸導(dǎo)線等）容量的重要數(shù)據(jù)，饋線電流有許多計算方法，常用的方法有3 種，分別為負(fù)荷過程法、同型列車法與概率統(tǒng)計法，本文采用負(fù)荷過程法對饋線電流進(jìn)行計算。

負(fù)荷過程法是根據(jù)一定時間T（一般為1 天）內(nèi)，饋線電流與時間兩者之間曲線關(guān)系，iF= f(t)，t∈T，計算出規(guī)定時間內(nèi)饋線有效電流、平均電流。

全日平均電流：

全日平均有效電流：

3 京哈鐵路變電所變壓器增容容量的驗證

3.1 京哈鐵路通過列車運(yùn)行參數(shù)

目前北京至秦皇島段通過列車情況如下：電力牽引列車96 對/日，其中貨車72 對/日（5 000 t，SS1、SS3、SS4）；客車14 對/日（SS9）；動車組10對/日（CHR5重聯(lián)）。列車追蹤間隔為5 min；為充分考慮變壓器容量裕度，按線路滿足全部開行重聯(lián)動車組CRH5（2×8 輛編組），5 min 追蹤運(yùn)行條件計算牽引變電所饋線電流，考慮變電所取流最大的情況進(jìn)行計算。

參考現(xiàn)場記錄重聯(lián)動車組運(yùn)行電氣參數(shù)數(shù)據(jù)，200 km/h 勻速取流120～200 A；加速、曲線、上坡出現(xiàn)大電流450～490 A。

3.2 雙橋牽引變電所變壓器增容容量驗證

（1）雙橋牽引變電所北京方向供電臂饋線電流計算。雙橋牽引變電所北京方向有2 個供電臂，兩者長度之和26.12 km；動車組按200 km/h 運(yùn)行，運(yùn)行7.836 min，按5 min 追蹤間隔，上行（下行）供電臂有2 列動車組共同運(yùn)行的時間為2.836 min；重聯(lián)動車組勻速取流120～200 A，取最大值200 A進(jìn)行計算。

根據(jù)式（5），得出北京方向供電臂（上行+下行）平均電流Ipα：

根據(jù)式（6），得出北京方向供電臂（上行+下行）平均有效電流Iεα：

（2）雙橋牽引變電所秦皇島方向供電臂饋線電流計算。雙橋牽引變電所秦皇島方向供電臂長度23.84 km；動車組按200 km/h 運(yùn)行，運(yùn)行7.15 min，按5 min 追蹤間隔，上行（下行）供電臂有2 列動車組共同運(yùn)行的時間為2.15 min。

重聯(lián)動車組勻速取流120～200 A，取最大值200 A 進(jìn)行計算。

根據(jù)式（5），得出秦皇島方向供電臂（上行+下行）平均電流Ipβ：

根據(jù)式（6），得出秦皇島方向供電臂（上行+下行）平均有效電流Iεβ：

（3）雙橋牽引變電所重負(fù)荷臂（北京方向供電臂）最大電流取值。雙橋牽引變電所重負(fù)荷臂為北京方向供電臂，最大電流取重聯(lián)動車組加速、曲線、上坡出現(xiàn)的電流490 A 進(jìn)行計算，兩列重聯(lián)動車組運(yùn)行取流為980 A，北京方向供電臂上下行最大電流取1 960 A。

（4）計算雙橋牽引變電所變壓器增容后的額定容量。

a.雙橋牽引變電所變壓器計算容量。將上述計算所得北京方向供電臂平均電流Ipα= 544.77 A，平均有效電流Iεα= 577.69 A，秦皇島方向供電臂平均電流Ipβ= 520.28 A，平均有效電流Iεβ= 551.67 A代入式（1）和式（2），得出變壓器計算容量S 為

b.雙橋牽引變電所變壓器校核容量。將重負(fù)荷臂最大電流1 960 A，輕負(fù)荷臂有效電流Iεα= 551.67 A 代入式（3），得到變壓器最大負(fù)荷容量為

充分利用牽引變壓器過負(fù)荷能力，北京至秦皇島段牽引變電所過負(fù)荷能力按2.0 倍校核。將Smax=69.071 MV·A，K = 2 代入式（4），得到校核容量S校為34.535 MV·A。

c.雙橋牽引變電所變壓器額定容量。對比變壓器計算容量S = 30.187 MV·A 與校核容量S校=34.535 MV·A，選擇其中最大者S校作為確定額定容量的依據(jù)，根據(jù)目前牽引變壓器系列產(chǎn)品，充分利用變壓器的過負(fù)載能力，綜合考慮以上因素，雙橋牽引變電所主變壓器額定容量確定為2×31.5MV·A（一主一備），是符合運(yùn)行要求的。

3.3 馬柳牽引變電所變壓器增容容量驗證

馬柳變電所供電臂，北京方向長21.90 km，秦皇島方向長28.95 km，重聯(lián)動車組勻速取流120～200 A，取200 A 計算驗證，依據(jù)上述公式，計算得北京方向供電臂平均電流Ipα= 496.98 A，平均有效電流Iεα= 525.71 A，秦皇島方向供電臂平均電流Ipβ= 577.78 A，平均有效電流Iεβ= 611.01 A，得出變壓器計算容量S = 30.424 MV·A，校核容量S校=34.179 MV·A，取兩者中最大者S校作為確定額定容量的依據(jù)，根據(jù)目前牽引變壓器系列產(chǎn)品，充分利用變壓器的過負(fù)載能力，綜合考慮以上因素，牽引變電所主變壓器額定容量確定為2×31.5MV·A（一主一備），是符合運(yùn)行要求的。

3.4 昌黎牽引變電所變壓器增容容量驗證

昌黎變電所供電臂，北京方向長34.10 km，秦皇島方向長26.107 km，重聯(lián)動車組勻速取流120～200 A，取200 A 計算驗證，按照上述公式，計算得北京方向供電臂平均電流Ipα= 600 A，平均有效電流Iεα= 632.46 A，秦皇島方向供電臂平均電流Ipβ= 544.57 A，平均有效電流Iεβ= 577.48 A，得出變壓器計算容量S = 32.387 MV·A，校核容量S校=34.890 MV·A，取兩者中最大者S校作為確定額定容量的依據(jù)，根據(jù)目前牽引變壓器系列產(chǎn)品，充分利用變壓器的過負(fù)載能力，綜合考慮以上因素，牽引變電所主變壓器額定容量確定為2×31.5MV·A（一主一備），是符合運(yùn)行要求的。

4 結(jié)論

京哈鐵路的北京至秦皇島段隨著運(yùn)量的增大，牽引負(fù)荷的急劇增加使沿線牽引變電所過負(fù)荷現(xiàn)象頻繁發(fā)生，經(jīng)常發(fā)生保護(hù)動作跳閘線路停電現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了運(yùn)輸秩序，牽引供電系統(tǒng)擴(kuò)能改造勢在必行，該段線路實施了變電所內(nèi)更換較大額定容量變壓器，牽引網(wǎng)進(jìn)行相應(yīng)配套升級的增容改造方案，確定直供加回流區(qū)段變壓器額定容量由25 MV·A 增至31.5 MV·A，AT 區(qū)段變壓器額定容量由40 MV·A 增至63 MV·A，并對其他變電設(shè)備、牽引網(wǎng)容量進(jìn)行配套設(shè)計，通過驗證計算和實際運(yùn)行證明，牽引變壓器增容后的額定容量和其他牽引供電設(shè)備的配套升級是滿足目前運(yùn)量增大后線路牽引負(fù)荷要求的。

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