提高接觸網(wǎng)末端電壓設計方案研究

悅 琳，鄭書慧

0 引言

大準線電氣化鐵路開行萬噸列車，由于供電臂電流的增大，供電臂末端接觸網(wǎng)電壓降低，經常發(fā)生電力機車在供電臂末端由于接觸網(wǎng)電壓過低造成電力機車跳閘的現(xiàn)象，嚴重影響鐵路運輸。通過認真分析研究，制定了技術合理、投資小、便于實施的設計方案，工程實施后，接觸網(wǎng)末端電壓得到了顯著的提高。

1 接觸網(wǎng)電壓過低的原因及改善措施分析

大準線電氣化鐵路開行萬噸列車，由于供電臂電流的增大，牽引供電設備及供電線路的電壓損失增大，造成供電臂末端接觸網(wǎng)電壓降低。電壓損失主要分布：110 kV 供電線路產生的電壓損失；牽引主變壓器產生的電壓損失；接觸網(wǎng)線路產生的電壓損失。

綜合考慮上述原因，提出相應的改善措施及可行性分析，參見表1。

表1 接觸網(wǎng)電壓過低原因分析對策表

通過表1 可以看出，可能采取的措施有三項：

（1）更換大容量、低阻抗變壓器，這樣可以降低變壓器的阻抗，減少變壓器的電壓損失，達到提高接觸網(wǎng)電壓的目的。

大準線牽引變電所主變壓器接線形式為V/v接線，主變壓器（下文簡稱主變）容量為（16+16）MV·A 或（10+16）MV·A，短路電壓百分比Ud% = 10.5。以變壓器額定容量10 MV·A 供電臂為例，其電壓損失：

式中，XT為牽引變壓器電抗值，0.105×27.52/10 = 7.94；IG為供電臂電流；按一列萬噸，雙S4機車運行，取704 A；φ為牽引負荷功率因數(shù)角，按cosφ = 0.8 計算，sinφ = 0.6。

若牽引變壓器更換為主變容量20 MV·A、短路電壓百分比Ud%為8.4 的牽引變壓器，其主變的電壓損失：

由此可以看出，利用上述方法可使其主變的電壓損失減少60%。

由于大準鐵路公司已經開始規(guī)劃大準二線工程，在該工程中將對牽引變壓器進行增容改造，故該次設計中暫不考慮更換大容量、低阻抗變壓器。

（2）采用動態(tài)電容補償裝置，減少變壓器的電壓損失，達到提高接觸網(wǎng)電壓的目的。

大準線各牽引變電所均采用靜態(tài)電容補償裝置，月平均功率因數(shù)可達0.9，但動態(tài)功率因數(shù)、特別是重負荷時功率因數(shù)遠小于0.9，故此，若采用動態(tài)電容補償裝置使動態(tài)功率因數(shù)大于0.9，其電壓損失：

較原來采用靜態(tài)電容補償裝置時，其主變的電壓損失可減少28%。

由于大準鐵路公司已經開始規(guī)劃大準二線工程，在該工程中將對牽引變電所改造，故該次設計中暫不考慮增設動態(tài)電容補償裝置。

（3）改造接觸網(wǎng)，降低接觸網(wǎng)阻抗，減少接觸網(wǎng)電壓損失，達到提高接觸網(wǎng)電壓的目的。

大準線接觸網(wǎng)主要參數(shù)：正線采用GLZC-120+FGLC-260 或LBGJ-120+GLCN-250，站線采用GLZE-30+FGLC-195 或LBGJ-70+GLCN-195，回流線采用LJ-185 單根單列，供電線采用LJ-185單根單列。

接觸網(wǎng)單位阻抗Z_1= 0.125 + j0.363，按牽引負荷功率因數(shù)0.8 考慮，接觸網(wǎng)等效阻抗：

Z_1*= cosφ×0.125 + sinφ×0.363 = 0.8×0.125+ 0.6×0.363 = 0.318 (Ω)

按供電臂長LGDB= 20 km、負荷電流IG仍按704 A 計算，接觸網(wǎng)電壓損失：

ΔUJCW= IGLGDBZ_1= 704×20×0.318 =4 478 (V)

故此，既有大準線牽引側電壓損失

ΔU = ΔUT+ ΔUJCW= 3 354 + 4 478 = 7 832 (V)

接觸網(wǎng)末端電壓為27.5 - 7.83 = 19.67 kV，小于規(guī)范規(guī)定的20 kV。這是按供電臂上有一列萬噸列車，且萬噸列車的功率因數(shù)是按0.8 計算的。實際運行中，供電臂上可能有一列萬噸列車以外的其它列車，這樣供電臂電流就大于704 A，牽引側的電壓損失就會更大。而且實際中SS4電力機車的功率因數(shù)因工況不同最低可達0.6，如按負荷功率因數(shù)0.6 計算：

ΔUT= sinφ XTIG= 0.8×7.94×704 = 4 472 (V)

Z_1*= cosφ×0.125 + sinφ×0.363 = 0.6×0.125+ 0.8×0.363 = 0.365 (Ω)

ΔUJCW= IGLGDBZ_1= 704×20×0.365 =5 140 (V)

牽引側電壓損失：

ΔU = ΔUT+ ΔUJCW= 4 472 + 5 140 = 9 612 (V)

接觸網(wǎng)末端電壓為27.5 - 9.61 = 17.89 (kV)，這樣就有可能引起電力機車跳閘。

通過上述分析還可以看出：接觸網(wǎng)的電壓損失占牽引側電壓損失的50%以上，降低接觸網(wǎng)阻抗，可有效減少牽引側電壓損失，以提高供電臂末端接觸網(wǎng)電壓。故此，該次設計，利用改造接觸網(wǎng)，降低接觸網(wǎng)阻抗，減少接觸網(wǎng)電壓損失達到了提高接觸網(wǎng)電壓的目的。

2 降低接觸網(wǎng)阻抗設計方案

2.1 更換接觸懸掛線型方案

在設計初期，大準鐵路公司提出將正線GLZC-120+FGLC-260 或LBGJ-120+GLCN-250 接觸懸掛線型，更換為THJ-120+CTHA-150 接觸懸掛線型，期望降低接觸網(wǎng)阻抗。

接觸網(wǎng)阻抗主要由接觸線承力索-地回路自阻抗（Zjcw）、鋼軌回流線-地回路自阻抗（ZHL）構成，接觸網(wǎng)等效電路如圖1 所示，接觸網(wǎng)單位阻抗：Z=為接觸線承力索與鋼軌回流線間互阻抗。

當更換接觸懸掛線型時，Zh、ZHL基本沒有變化，只有Zjcw因接觸網(wǎng)線材的改變發(fā)生變化。

承力索、接觸線-地回路自阻抗等效電路如圖2所示，ZC為承力索-地回路自阻抗、Zj為接觸線-地回路自阻抗、Zjc為接觸線與承力索間互阻抗，Zjc=0.05 + j0.145lgDg/ Djc，Djc為接觸線承力索平均間距。

圖1 接觸網(wǎng)等效電路圖

圖2 承力索、接觸線-地回路等效電路圖

當更換接觸懸掛線型時，Zjc基本沒有變化，只有Zj、ZC因接觸網(wǎng)線材的改變發(fā)生變化，且：

式中，rj為接觸線的有效電阻；Dg為等效地回線入地深度；Rej為接觸線的等效半徑；rc為承力索的有效電阻；Dg為等效地回線入地深度；Rec為承力索的等效半徑。

由此看出，影響接觸線或承力索-地回路自阻抗的因素有：線材的有效電阻r、等效地回線入地深度Dg、線材的等效半徑Re。Dg只與大地電導率有關，與接觸懸掛線材無關。只有r 和Re與接觸懸掛線材有關。

CTHA-150 銅接觸線的r 為0.118 3 ?/km，GLC120/260 鋼鋁接觸線的r 為0.143 ?/km。

線材的等效半徑Re= a×R，其中，a 為線材的等效系數(shù)，銅接觸線為0.78，鋼鋁接觸線為0.95。

CTHA-150 銅接觸線的半徑R 為7.125，等效半徑Re為5.558；GLC120/260 鋼鋁接觸線的R 為9.3，等效半徑Re為8.835。

由此可以看出，將鋼鋁線更換為銅線，接觸網(wǎng)電阻值減小、接觸網(wǎng)電抗值可能會增大，因鋼鋁線的等效半徑Re大于銅線，將鋼鋁線更換為銅線后Dg/Re會增大。

經計算：GLZC-120+FGLC-260、回流線LJ-185懸掛類型的接觸網(wǎng)單位阻抗為0.124+j0.364，其模為0.384 ?，阻抗角為71.152°；THJ-120+ CTHA-150、回流線LJ-185 懸掛類型的接觸網(wǎng)單位阻抗0.097 + j0.373，其模為0.386 ?，阻抗角為75.491°。

故此，將正線GLZC-120+FGLC-260 接觸懸掛線型更換為THJ-120+CTHA-150 接觸懸掛線型，不能降低接觸網(wǎng)單位阻抗。

2.2 增設接觸網(wǎng)加強線方案

在既有接觸網(wǎng)上增設LJ-185 型加強線，以降低接觸網(wǎng)阻抗。帶有加強線接觸網(wǎng)的阻抗主要由接觸線承力索加強線-地回路自阻抗（Zjcw）、鋼軌回流線-地回路自阻抗（ZHL）構成，接觸網(wǎng)單位阻抗：為接觸線承力索加強線與鋼軌回流線間互阻抗。接觸線、承力索、加強線-地回路自阻抗等效電路如圖3 所示，ZC為承力索-地回路自阻抗、Zj為接觸線-地回路自阻抗、Zq為加強線-地回路自阻抗、Zjcq為接觸線承力索加強線間互阻抗，Zjcq= 0.05 + j0.145lg Dg/ Djcq，Djcq為接觸線、承力索、加強線平均間距。Zjc為接觸線與承力索間互阻抗，Zjc= 0.05 + j0.145lg Dg/ Djc，Djc為接觸線承力索平均間距，加強線一般采用在支柱的田野側用增高肩架的方式架設，因此，Djcq＞Djc，Zjcq＜Zjc。

圖3 承力索、接觸線、加強線-地回路等效電路圖

通過比較圖2 和圖3，可以直觀的看出，增設加強線后接觸網(wǎng)阻抗會減小。

計算得到在既有接觸網(wǎng)上增設LJ-185 型加強線后接觸網(wǎng)單位阻抗為0.089 + j0.271，其模為0.285 ?，阻抗角為71.833°。

2.3 增設加強線后接觸網(wǎng)電壓損失計算

接觸網(wǎng)單位阻抗Z_2= 0.089 + j0.271，按牽引負荷功率因數(shù)0.8 考慮，接觸網(wǎng)等效阻抗：

Z_2*= cosφ×0.089 + sinφ× 0.271 = 0.8×0.089 + 0.6×0.271 = 0.233 8 (Ω)

按供電臂長LGDB= 20 km、負荷電流IG仍按704 A 計算，接觸網(wǎng)電壓損失：

ΔUJCW= IGLGDBZ_2*= 704×20×0.233 8 =3 292 (V)

牽引變壓器未更換，電壓損失ΔUT仍按3 354 V計算，故此，增設加強線后大準線牽引側電壓損失：ΔU = ΔUT+ ΔUJCW= 3 354 + 3 292 = 6 646 (V)接觸網(wǎng)末端電壓為27.5 - 6.65 = 20.85 (kV)，大于規(guī)范規(guī)定的20 kV。

按負荷功率因數(shù)0.6 進行校驗：

ΔUT= sinφ XTIG= 0.8×7.94×704 = 4 472 V

Z_1*= cosφ×0.089 + sinφ×0.271 = 0.6×0.089+ 0.8×0.271 = 0.27 (Ω)

ΔUJCW= IGLGDBZ_1= 704×20×0.27 = 3 802 V

牽引側電壓損失：

ΔU = ΔUT+ ΔUJCW= 4 472+3 802 =8 274 (V)

接觸網(wǎng)末端電壓為27.5 - 8.274 = 19.226 (kV)，大于規(guī)范規(guī)定的供電系統(tǒng)非正常運行時電力機車受電弓電壓不低于19 kV 的規(guī)定。

故此，在既有接觸網(wǎng)上增設加強線后，接觸網(wǎng)單位阻抗可降低26.5%左右，可有效地減少接觸網(wǎng)電壓損失，以提高供電臂末端接觸網(wǎng)電壓。

3 結語

大準線外西溝變電所的外西溝—雞鳴驛、外西溝—缸房矢供電臂及窯溝變電所的窯溝—王桂矢供電臂，按該設計進行增設加強線改造完畢，改造后接觸網(wǎng)末端電壓得到了顯著提高，至今未發(fā)生過因接觸網(wǎng)電壓過低造成電力機車跳閘的現(xiàn)象。該項工程的設計得到了大準鐵路公司的好評。

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